Fallstudien
Beispiele aus der Herstellung von Elastomerbauteilen
Die folgenden Fallstudien zeigen, wie sich mit Kinetik der Vernetzung und Fließverhalten Probleme in der Herstellung erkennen und lösen lassen – geordnet nach Verfahren.
| Verfahren | Fallstudie |
|---|---|
| Pressen | Trinkwasserbauteil in fünf Minuten |
| Spritzpressen | in Vorbereitung |
| Spritzguss | in Vorbereitung |
| Extrusion | in Vorbereitung |
Pressen: Trinkwasserbauteil in fünf Minuten
Warum ein gepresstes Bauteil die Migrationsprüfung nicht bestand – und wie die Berechnung die Lösung zeigte
Die Ausgangslage
Ein Hersteller wollte ein 6 mm dickes, gepresstes Formteil für den Trinkwasserkontakt in nur fünf Minuten bei 180 °C vulkanisieren. Eingesetzt wurde eine schwefelvernetzte Mischung, deren Rezeptur die Anforderungen an Trinkwassermaterialien erfüllte. Trotzdem fiel das Bauteil wiederholt in der Migrationsprüfung durch: Aus dem Material lösten sich mehr Stoffe, als zulässig ist. Auch zahlreiche Versuche mit veränderten Prozessparametern brachten keine Besserung.
Das Vorgehen
Statt weiterer Versuche nach dem Prinzip „Versuch und Irrtum“ habe ich die Vernetzung im Bauteil berechnet:
- Kinetik bestimmen: Die Mischung wurde im RPA bei sechs Temperaturen zwischen 150 °C und 200 °C vulkanisiert. Aus den Kurven ergab sich ein Kinetikmodell nach Kamal und Sourour, das alle Temperaturen gemeinsam beschreibt.
- Bauteil berechnen: Mit diesem Modell und der Wärmeleitung im Querschnitt wurde der örtliche Vernetzungsgrad der 6 mm dicken Wand über die Heizzeit berechnet.
Das Verfahren ist auf der Seite Kinetik der Vernetzung ausführlich beschrieben.
Der Befund
Die Berechnung zeigte die Ursache sofort: Nach fünf Minuten ist die Ausgangsmischung im Kern erst zu rund 40 % vernetzt, und selbst die Oberfläche erreicht nur etwa 50 %. Die Wärme ist zu diesem Zeitpunkt längst im Kern angekommen – die Mischung reagiert bei 180 °C schlicht zu langsam. Bis der Kern 90 % Umsatz erreicht, wären rund 18 Minuten nötig. Nicht gebundene Bestandteile wie Beschleunigerreste bleiben in einem so schwach vernetzten Bauteil beweglich und gelangen ins Wasser.
Eine fast vierfache Heizzeit war wirtschaftlich nicht vertretbar. Das Problem musste deshalb über das Material gelöst werden, nicht über den Prozess.
Die Lösung
Als Alternative kam eine schwefelvernetzte Trinkwassermischung der Compounds AG zum Einsatz, die speziell entwickelt wurde, um großvolumige Bauteile effizient zu vernetzen. Ihre Kinetik habe ich auf dieselbe Weise bestimmt und das Bauteil unter identischen Bedingungen erneut berechnet:
| 6 mm, 180 °C, 5 min | Ausgangsmischung | Trinkwassermischung |
|---|---|---|
| Vernetzungsgrad an der Oberfläche | ca. 50 % | ca. 98 % |
| Vernetzungsgrad im Kern | ca. 40 % | ca. 95 % |
| Heizzeit bis 90 % im Kern | ca. 18 min | ca. 4,3 min |
Die neue Mischung erreicht im geforderten Zeitfenster auch im Kern einen Vernetzungsgrad von 95 %.
Das Ergebnis
Mit der neuen Mischung und angepassten Prozessparametern hat das Bauteil die Migrationsprüfung bestanden – im geforderten Zeitfenster von fünf Minuten. Das Bauteil konnte damit sicher und wirtschaftlich gefertigt werden.
Was dieses Beispiel zeigt
- Migration ist oft ein Vernetzungsproblem. Eine zulässige Rezeptur allein genügt nicht, wenn das Bauteil im Prozess nicht ausreichend vernetzt. Mehr zu den Anforderungen unter Trinkwasser.
- Die Berechnung spart Versuche. Wenige Vulkameterkurven reichen aus, um vorab zu prüfen, ob eine Mischung im vorgegebenen Prozess funktioniert.
- Prozess und Material gehören zusammen. Erst der Vergleich beider Mischungen unter denselben Bedingungen hat gezeigt, wo die Lösung liegt.