Ziel der Entwicklung

Wenn das Quellverhalten von Dichtungswerkstoffen in Kältemitteln zu prüfen ist, werden die Werkstoffe üblicherweise in Autoklaven (Druckbehältern) unter Fluidbelastung über eine bestimmte Zeit bei definierten (erhöhten) Temperaturen und Drücken ausgelagert. Die Messung der Veränderungen am Werkstoff erfolgt erst nach Entnahme aus dem Fluid und damit nach Entlastung des Werkstoffs. Die tatsächliche Volumenänderung unter Temperatur und Druck im Fluid kann so nicht erfasst werden.
Hier setzt das Projekt an. Das Ziel war es, eine Untersuchungsmethode zur direkten Messung des Quell- beziehungsweise Schrumpfverhaltens von Polymerwerkstoffen unter verfahrenstechnischen Zustandsbedingungen bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur zu entwickeln und aufzubauen. Damit sollte die Möglichkeit zu ergänzenden und in einigen Bereichen auch genaueren Aussagen im Vergleich zu bisher üblichen „Vorher-Nachher-Messungen“ bei Probenauslagerungen in Fluiden ermöglicht werden. Die Untersuchungsmethode sollte es ermöglichen, Gleichgewichtszustände bei der Lagerung in Kältemitteln zu bestimmen, das heißt den Zeitpunkt, ab dem bei konstanten Zustandsbedingungen (Druck und Temperatur) keine weitere Volumenänderung mehr erfolgt. Formteilveränderungen sollten zeitlich besser überwacht und damit letztendlich auch Zeit bei den Untersuchungen eingespart werden (da man die zeitliche Dauer bis zum Material-Endzustand besser abschätzen kann).
Ein weiteres Ziel war es, die Prozesse des Quellens und Schrumpfens der zu untersuchenden Materialien während verschiedener Zustandsbedingungen unter In-situ-Bedingungen aus phänomenologischer Sicht besser zu verstehen und daraus auch Empfehlungen für Prüfabläufe abzuleiten.

Vorteile und Lösungen

Für die in-Situ-Untersuchungen wurde ein Messplatz mit einem Durchsichtautoklaven, der im Temperaturbereich bis 80 °C und für Drücke bis 90 bar einsetzbar ist, aufgebaut. Dieser Autoklav wurde mit einem Kamerasystem und mit justierbaren Probenhalterungen für Zugproben und O-Ringe ausgestattet.
Untersucht wurden im Projekt Werkstoffproben aus EPDM und HNBR. Als Kältemittel wurden R744 (CO2) und R1234yf ausgewählt. Die Prüfungen erfolgten sowohl mit gasförmigem als auch mit flüssigem beziehungsweise überkritischem Kältemittel.
Während des Projektes wurde unter anderem untersucht, welche Versuchsparameter das Messergebnis maßgeblich beeinflussen. Zum einen ist dies die Prüftemperatur, die bei In-situ-Messungen einen kleinen, aber merklichen Einfluss auf die Probengröße hat. Einen signifikanten Einfluss hat der Brechungsindex des Fluids im Autoklaven. Insbesondere flüssige und überkritische Kältemittel weisen Brechungsindizes auf, die sich signifikant von denen der Luft beziehungsweise gasförmiger Kältemittel unterscheiden. Für die Korrektur der Messwerte wurde eine Bezugsmesslinie auf den Probenhalterungen verwendet, da das Metall der Probenhalterung im untersuchten Temperaturbereich keine während der Versuche messbaren Volumenänderungen aufweist.
Weitere Versuchsreihen beinhalteten den Einfluss der Fluiddichte auf das Quellverhalten und die Auswirkungen von Öl im Kältemittel auf die Quellung.
Da sich im Durchsichtautoklaven unter Medienbelastung keine mechanischen Eigenschaften bestimmen lassen, wurden parallel zu den In-situ-Untersuchungen die Elastomere in klassischen Autoklaventests gealtert und nach Entnahme aus den Autoklaven in kurzen Zeitabständen geprüft. Um eine Korrelation herzustellen, wurde von der Annahme ausgegangen, dass gleiche Volumenänderungen ähnliche Eigenschaftsänderungen hervorrufen.
Neben dem eigentlichen Messplatz stehen am Ende des Projekts unter anderem Daten zum Verhalten der Elastomere während und nach dem Druckabbau aus gasförmigen, flüssigen und überkritischen Kältemitteln zur Verfügung.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Zielgruppe für das im Projekt entwickelte Messverfahren zur In-situ-Messung an Werkstoffen für den Einsatz in Kältekreisläufen sind primär die Hersteller von elastomeren Dichtungsmaterialien für die Kälte- und Klimatechnik beziehungsweise die Inverkehrbringer von Bauteilen und Baugruppen, die solche Dichtungen enthalten.
Des Weiteren besteht durch das neue innovative Messverfahren auch Potenzial für Anwendungen außerhalb der Kältetechnik, insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle, das heißt zur Untersuchung der eingesetzten Membranen, oder im Bereich der Prozessgas-Sicherheitstechnik, beispielsweise Dichtungen in Sicherheitsventilen beziehungsweise Überdruckventilen.