Volumenquellung Elastomere

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Allgemeines

Unter der Volumenänderung von Elastomeren und thermoplastischen Elastomeren werden die Prozesse der Volumenquellung und des Volumenschrumpfes verstanden, die eine Zu- bzw. Abnahme des Volumens bewirken.

Die Volumenänderung von Elastomeren und thermoplastischen Elastomeren als Reaktion gegenüber Flüssigkeiten/Medien (z. B. Öle oder Fette) stellt einen quantifizierbaren Indikator zur Charakterisierung der chemischen Beständigkeit gegenüber Medien dar. Ein medial-chemisch induzierter Angriff auf die Makromolekularstruktur und die verwendeten Zuschlagstoffe führen häufig zu einer Änderung der physikalischen-mechanischen Eigenschaften bzw. den Gebrauchseigenschaften. Die Art des Werkstoffs (Aufbau und Zusammensetzung), das einwirkende Medium, deren wechselseitige Verträglichkeit sowie die mediale Einwirkdauer und die Temperatur beeinflussen das Migrationsverhalten von Flüssigkeiten in den Elastomerwerkstoff. In Abhängigkeit von der chemischen Beständigkeit/Löslichkeit gegenüber Flüssigkeiten/Medien treten Volumenänderungen in den folgenden Ausprägungen auf:

Volumenquellung/-zunahme
Volumenschrumpf(-ung) /-schwindung/-abnahme
vollständige Materialzersetzung (chemisch bedingte Zersetzung der Vernetzungsstruktur)

Von einer Volumenquellung spricht man, wenn das Medium als eine Art Lösungsmittel wirkt, in die Makromolekularstruktur eindringt und sich dort einlagert, was zu einer Volumenzunahme gegenüber dem Ausgangszustand führt.

Der Volumenschrumpf hingegen ist gekennzeichnet durch die Extraktion löslicher Zuschlagstoffe/Bestandteile und einer damit einhergehenden Volumenabnahme.

Bestimmung der Volumenquellung

Je nach Einsatzgebiet der Elastomerwerkstoffe ist die Kenntnis der Verträglichkeit gegenüber Medien, wie z. B. Fetten, Ölen oder Kraftstoffen notwendig, damit eine Schädigung infolge einer Volumenveränderung vermieden werden kann.

Die Volumenänderung eines Elastomerwerkstoffs in einer Flüssigkeit/Medium kann nach DIN ISO 1817 [1] bestimmt werden. Dabei muss die Prüfflüssigkeit mindestens dem 15fachen des gesamten Volumens der vollständig umspülten Proben entsprechen. Die Eintauchdauer des Elastomerwerkstoffes in der Flüssigkeit/Medium wird üblicherweise nicht auf einen vorab festgelegten Endzeitpunkt begrenzt und sollte stattdessen über das Erreichen des Absorptionsmaximums ausgedehnt werden. Im Rahmen von Kontrolluntersuchungen und den bereits in Vorversuchen erzielten Erfahrungswerten kann eine einzige Eintauchdauer gewählt werden, in welcher das Absorptionsmaximum erreicht wird.

Zur Bestimmung der Volumenänderung werden die Massen vor und nach der Auslagerung in einer Flüssigkeit/Medium ermittelt, wobei die Wägungen an Luft und in deionisiertem Wasser, aber auch alternativ in einer Prüfflüssigkeit vorgenommen werden. Diese Vorgehensweise entspricht der Bestimmung der Dichte mittels Eintauchverfahren (Auftriebsmethode). Die für das Wiegen verwendete Waage darf eine maximale Messunsicherheit von 1 mg nicht überschreiten.

Wird die Wägung der Massen in deionisiertem Wasser durchgeführt, dann erfolgt die Berechnung der prozentualen Volumenänderung nach Gl. (1).

\Delta ;V_{1}00=\left({\frac {m_{i}-m_{i,w}+m_{s,w}}{m_{0}-m_{0,w}+m_{s,w}}}-1\right)*100

(1)

mit

ΔV₁₀₀		die prozentuale Änderung des Volumens
m₀		die Ausgangsmasse der Probe
m_i		die Masse der Probe nach dem Eintauchen
m_0,w		die Ausgangsmasse der Probe in Wasser (mit Zusatzgewicht, falls verwendet)
m_i,w		die Masse der Probe nach dem Eintauchen in Wasser (mit Zusatzgewicht, falls verwendet)
m_s,w		die Masse des Zusatzgewichts in Wasser, falls verwendet.

Wird dagegen die Wägung der Massen in der verwendeten Prüfflüssigkeit durchgeführt, dann erfolgt die Berechnung der prozentualen Volumenänderung nach Gl. (2).

\Delta ;V_{1}00=\left[{\frac {1}{\rho }}\left({\frac {m_{i}-m_{i,liq}+m_{s,liq}}{m_{0}-m_{0,w}+m_{s,w}}}\right]-1\right]*100

(2)

Dabei ist

ρ		die Dichte der Flüssigkeit
m₀		die Ausgangsmasse der Probe
m_i		die Masse der Probe nach dem Eintauchen
m_i,liq		die Masse der Probe (mit Zusatzgewicht, falls verwendet) in der Flüssigkeit
m_s,liq		die Masse des Zusatzgewichts in der Flüssigkeit, falls verwendet.

Die im Rahmen, der zur Ermittlung der Volumenänderung nach Norm verwendete Mindestanzahl von 3 Proben pro Messreihe sollte im Sinne von Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit möglichst die gleiche Ausgangsdicke (2 mm &plusm; 0,2 mm) besitzen und jeweils ein Volumen von 1 cm³ bis 3 cm³ aufweisen, wobei der Zeitabstand zwischen Vulkanisation und Prüfung mindestens 16 h betragen muss, bei Produktprüfungen allerdings nicht die Dauer von 3 Monaten überschreiten darf.

Die Ergebnisangabe der prozentualen Volumenänderung erfolgt als Medianwert für mindestens drei Probekörper.

Begriffserläuterung

In der Norm zur Bestimmung der Volumenänderung wird der Begriff “Probekörper“ verwendet, wohingegen im Rahmen dieses Lexikons in der Kunststoffanalytik ausnahmslos der Begriff „Probe“ in Abgrenzung zum Begriff „Prüfkörper“ verwendet wird. Die Verwendung des Begriffs „Probekörper“ beschränkt sich auf die Wiedergabe der Titel der Normen.

Siehe auch

Literaturhinweis

[1]	DIN ISO 1817 (2016-11): Elastomere oder thermoplastische Elastomere – Bestimmung des Verhaltens gegenüber Flüssigkeiten

Normenhinweise

DIN ISO 23529 (2020-10): Elastomere – Allgemeine Bedingungen für die Vorbereitung und Konditionierung von Prüfkörpern für physikalische Prüfverfahren
DIN EN ISO 175 (2011-03): Kunststoffe – Prüfverfahren zur Bestimmung des Verhaltens gegen flüssige Chemikalien
DIN ISO 13226 (2021-06): Elastomere – Standard-Referenz-Elastomere (SREs) zur Charakterisierung des Verhaltens von Flüssigkeiten auf Elastomere