Mobility 1/2022

BIOHYBRIDE KRAFTSTOFFE

BIOHYBRIDE KRAFTSTOFFE mungsrest verfügt, kann dieser Nachteil ausgeglichen und ein Aufrechterhalten der Vorspannkraft gewährleistet werden /Fre16/. Gleichzeitig führt die Kombination aus FKM und FEP zu einer vergleichsweise hohen Flexibilität, die eine einfache Montage erlaubt. Innerhalb dieser Versuchsreihe werden Proben aus NBR und FKM sowie FEP/FKM-Verbundmaterial verwendet. Bei den im Versuch verwendeten Prüfkörpern handelt es sich um O-Ringe mit einem Innendurchmesser von 45 mm und einem Schnurdurchmesser von 4 mm. An dieser Stelle wird bewusst auf eine von DIN 53504 abweichende Prüfkörperform zurückgegriffen, wenngleich sich die geometrischen Dimensionen an denen des Prüfkörpers nach Norm orientieren. Der Grund hierfür ist, dass mit Hilfe des Versuchs nach einer konkreten Lösung gesucht werden soll, die sich direkt auf technische Systeme übertragen lässt. Die Ringe mit quadratischem Querschnitt, die aus Plattenmaterial ausgeschnitten werden, wären dafür unbrauchbar, da sie nicht als Dichtungen auf dem Markt erhältlich sind. /DIN17/ UNTERSUCHTE DICHTUNGSEIGENSCHAFTEN Im Rahmen der Materialverträglichkeitsuntersuchungen soll das Volumen und die Härteänderung der Dichtungen fortlaufend untersucht werden. Die entsprechenden Methoden und Versuchsparameter werden im Folgenden vorgestellt. VERÄNDERUNG DER HÄRTE Die Härte der Prüfkörper aus FKM und NBR wird mittels einer IRHD-micro-Messung nach DIN ISO 48 ermittelt. Die Zeit pro Messung beträgt 30 s. /DIN16b/. Die FEP-Hülle der beschichteten Ringe ist deutlich härter als die Oberfläche der FKM- und NBR-Ringe und kann nicht mit dem micro-IRHD-Härtemessverfahren erfasst werden. Aus diesem Grund wird die Härte des Verbundmaterials nach micro-Shore D bestimmt. Hier wird eine Messzeit von 6 s verwendet. /DIN00/ VERÄNDERUNG DES VOLUMENS Die Volumenänderung wird über das archimedische Prinzip mit Hilfe des Prüfaufbaus aus Bild 02 bestimmt. Der Prüfaufbau besteht aus einer Drahthalterung, die am oberen Ende an einer Zugwaage befestigt wird, und dem Prüfkörper, der in die Drahthalterung eingehangen wird. Für die Volumenbestimmung wird der Prüfkörper in die Referenzflüssigkeit mit definierter Dichte getaucht. Die Differenz aus der Auftriebskraft FA des Prüfkörpers und der Gewichtskraft FG von Prüfkörper und Drahtgestell wird nun über die Waage gemessen. Das entsprechende Kräftegleichgewicht aus Gl. 3-1 lässt sich nach VPrüf umformen, sodass bei bekannter Masse des Drahtes mDraht und des Prüfkörpers mPrüf sowie bekannter Dichte ρFluid der Referenzflüssigkeit das Volumen des Prüfkörpers mit Gl. 3-2 berechnet werden kann. VERSUCHSTEMPERATUR Während des Versuchs werden in DIN ISO 23529 Standard-Laborbedingungen vorgeschrieben, was einer Temperatur von (23±2) °C entspricht. Für den Fall, dass für den Versuch von den Standardbedingungen abweichende Temperaturen nötig sind, gibt DIN ISO 23529 eine Reihe von Alternativtemperaturen über und unter 23 °C vor./DIN20/ Da die untersuchten Flüssigkeiten zum Teil über sehr niedrige Siedepunkte verfügen, wird für die Versuche auf eine Erhöhung der Temperatur verzichtet. Auch wenn im Kraftstofftrakt von Automobilen durchaus höhere Temperaturen auftreten können, geht mit der Erzeugung zündfähiger Gasgemische ein nichtvertretbares Gefahrenpontential einher. Bei der nächsthöheren Temperaturstufe von 40 °C, die DIN ISO 23529 vorschlägt, würde sich die Versuchstemperatur lediglich 2 °C unterhalb des Siedepunktes von Dimethoxymethan befinden /Ges21d/. Für die konstante Klimatisierung der Proben wird ein Klimaschrank mit einer zeitlichen Temperaturabweichung zwischen 0,1 und 0,5 °C und einer räumlichen Temperaturabweichung von 0,1 bis 1,5 °C verwendet, wodurch die in DIN ISO 23529 geforderten Toleranzen von ±2 °C eingehalten werden können. /BIN19/. VERSUCHSERGEBNISSE UND DISKUSSION In Bild 03 sind die Änderungen der Elastomer-Eigenschaften zu sehen, nachdem sie für 28 Tagen den jeweiligen Kraftstoffen ausgesetzt waren. Auf der x-Achse ist die Volumenänderung in % aufgeführt, während auf der y-Achse die relative Veränderung der IRHD-Härte zu erkennen ist. Damit die Veränderung der Dichtungseigenschaften bewertet werden kann, wurden die in grün gekennzeichneten und auf Literaturwerten basierenden Toleranzgebiete für dynamische und statische Dichtungen eingezeichnet. Wie in zu erkennen ist, führen alle untersuchten bio-hybriden Kraftstoffe zu einer unzulässig hohen Volumenzunahme beziehungsweise Härteabnahme. Die größten Veränderungen der Dichtungseigenschaften werden für FKM in Kombination mit Ethylacetat erreicht. Hier liegt die Volumenzunahme bei 223 %, während die Härte um 34 % abgenommen hat. Nur für Diesel liegen die gemessenen Werte innerhalb der Toleranzen für statische und dynamische Dichtungen. Für den Betrieb in einer realen Anwendung würden Dichtungsveränderungen dieser Größenordnung zu einem Versagen der Dichtstelle führen mit eventuellen Folgeschäden für das Gesamtsystem. Neben NBR und FKM als Vertreter gängiger Dichtungsmaterialien wurden alle beschriebenen Untersuchungen auch für die FEP/FKM-Kompositdichtung durchgeführt. Im Gegensatz zu den vorangegangenen Messungen konnten hier keine nennenwerten Veränderungen der Dichtungseigenschaften festgestellt werden. Die Veränderung von Volumen, Masse und Härte sind geringer als 0,5 % und damit in einem zulässigen Bereich, was insgesamt auf eine gute Materialverträglichkeit schließen lässt. Mit Hilfe der bloßen Auswertung von Volumen- und Härteänderung lässt sich keine Aussage darüber treffen, ob es zwischen Kraftstoff und Dichtung zu einer chemischen Reaktion kommt oder ob Füllstoffe und Additive aus der Dichtung ausdiffundieren. Aus diesem Grund wurde zusätzlich eine optische Untersuchung durchgeführt, bei der die jeweiligen Probenflüssigkeiten auf Verfärbung und die Bildung von Partikeln hin untersucht wurden. Dazu wurden die Flüssigkeiten nach regelmäßigen Abständen mit einer reinen Referenzprobe verglichen. Darüberhinaus wurden die Proben nach Abschluss des Einlegeversuchs für 48 h bei 40 °C in einem Ofen eingelagert und anschließend erneut gewogen. Die Differenz aus der Probenmasse vor dem Experiment und nach dem Trocknen entspricht dabei dem Massenverlust durch Diffusion. Relative Änderungen von mehr als 2,5 % wurden hier als unzulässig gewertet. Die Ergebnisse des Massenabgleichs und der optischen Untersuchung sind in der Tabelle zu sehen. Die Ergebnisse aus der Tabelle zeigen, dass für jede Kombination aus Elastomer und bio-hybriden Kraftstoff eine Verfärbung der Probenflüssigkeit vorliegt und somit für jede dieser Kombinationen zumindest ein Indiz vorliegt, das auf eine chemische Re- 46 MOBILITY 2022

BIOHYBRIDE KRAFTSTOFFE 03 Volumen- und Härteänderung nach 28 Tagen aktion hindeutet. Für alle NBR-Proben, die in einen bio-hybriden Kraftstoff eingelegt waren, konnten zusätzlich Partikel in der Probenflüssigkeit ausgemacht und ein Massenverlust von mehr als 9 % festgestellt werden, sofern hier Daten vorlagen. Für die Proben aus FKM sind die Massenverluste deutlich kleiner und betragen 1 % und weniger. Die Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass FKM von den bio-hybriden Kraftstoffen chemisch angegriffen wird, aber bei weitem nicht so stark, wie es bei NBR der Fall ist. Für das FEP/FKM-Verbundmaterial konnte weder eine Verfärbung beziehungsweise Partikelbildung noch ein Massenverlust durch Diffusion nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen auf der einen Seite eine starke Unverträglichkeit zwischen den hier betrachteten bio-hybriden Kraftstoffen und Standard-Elastomeren wie FKM und NBR, die vornehmlich in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Auf der anderen Seite zeigt sich eine gute Verträglichkeit der FEP/FKM- Dichtungen gegenüber allen untersuchten Flüssigkeiten. Aufgrund dieser guten Materialverträglichkeit stellt sich die Frage, inwiefern sich die in der Automobilindustrie gebräuchlichen Dichtungen durch Verbundmaterialien ersetzen lassen. Im Bezug auf O-Ringe besteht ein hohes Substitutionspotential. So sind zum Beispiel Ringe mit einem Schnurdurchmesser von 1,5 mm bis zu einem minimalen Durchmesser von 5,3 mm herstellbar. Größere FEP-ummantelte O-Ringe werden bis zu Innendurchmessern von 508 mm und Schnurstärken von bis zu 31,75 mm angeboten. Mit dieser großen Bandbreite an Durchmessern und Schnurstärken lassen sich alle O-Ringe, die Beispielsweise in Einspritzpumpen oder im Kraftstofftrakt von Automobilen verbaut, werden abdecken. /Tre12/; /Fre16/; /RAL21/ Im Fall von Radialwellendichtringen, die zum Beispiel zur Abdichtung der Einspritzpumpe verwendet werden, gestaltet sich die Substitution durch einen FEP/FKM-Verbund komplizierter, da sich von einer runden Querschnittsform abweichende Ringe nur mit einem hohen Mehraufwand fertigen lassen. Hinterschneidungen, wie sie bei den meisten Radialwellendichtringen auftreten, erschweren die Fertigung zusätzlich. Abhilfe könnten hier PTFE-Dichtungen mit einem hohen Kohlenstoffgehalt als Füllstoff schaffen, deren Materialverträglichkeit im Rahmen weiterer Untersuchungen bewertet werden soll. /Fre16/; /RAL21/ Zusammenfassend kann gesagt werden, dass alle typischen O- Ringe im Kraftstofftrakt von Automobilen schon jetzt ohne großen Aufwand durch Verbunddichtungen ersetzt werden können. Bei Radialwellendichtringen hingegen verhindert vor allem die komplexe Querschnittsform eine Substitution durch Verbundmaterialien, sodass hier die Suche nach alternativen Dichtungswerkstoffen noch nicht abgeschlossen ist. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK In diesem Beitrag wurde die Materialverträglichkeit von in der Automobilindustrie gebräuchlichen Dichtungswerkstoffen und verschiedenen neuartigen bio-hybriden Kraftstoffen untersucht. Dazu wurde zunächst auf in automobilen Anwendungen gebräuchliche Dichtungswerkstoffe und Dichtungsarten eingegangen, bei denen es sich vornehmlich um O-Ringe und Radialwellendichtringe aus FKM und NBR handelt. Im nächsten Schritt wurde eine Auswahl unterschiedlicher bio-hybrider Kraftstoffe vorgestellt, bei denen die im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften herausgestellt wurden. Es wurde der zur Untersuchung der Materialverträglichkeit verwendete Messaufbau, welcher sich an DIN ISO 1817 orientiert und mit dem fortlaufend das Volumen und die Härte der Dichtungsproben gemessen wurden, beschrieben. Anschließend wurden die Ergebnisse der Materialverträglichkeitsuntersuchung vorgestellt. Es konnte ein stark negativer Einfluss der untersuchten bio-hybriden Kraftstoffe auf die Dichtungseigenschaften der FKM- und NBR-Proben nachgewiesen werden. So trat bei allen Proben die bio-hybriden Kraftstoffen ausgesetzt waren eine extreme Quellung, begleitet von einer starken Härteabnahme auf, die im Hinblick auf zulässige Eigenschaftsänderungen ein Versagen von FKM- und NBR-Dichtungen im Betrieb wahrscheinlich macht. Zusätzlich konnte für einen Großteil der Proben und in erster Linie für NBR eine chemische Reaktion zwischen den bio-hybriden Kraftstoffen und den Proben festgestellt werden. Im Gegensatz dazu wurde für die Proben aus FEP/FKM-Verbundmaterial kein negativer Einfluss auf die untersuchten Dichtungseigenschaften ausgemacht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hohe Medienbeständigkeit von FEP/FKM-Verbundmaterialien ein hohes Substitutionspotential für in der Automobilindustrie gebräuchliche O-Ringe- bietet, während die Ausführung von Radialwellendichtringen als Verbunddichtung nur unter großem Aufwand möglich ist. MOBILITY 2022 47