Hochreine Werkstoffe für den Einsatz in der Medizintechnik und auch Pharmazie sollen möglichst keine Weichmacher oder andere niedermolekulare und damit extrahierbare Bestandteile enthalten. Geprüft wird diese Forderung durch Extraktion mit verschiedenen Lösemitteln, bei der globale und spezifische Migrationswerte nicht zu überschreiten sind. Werkstoffe wie der weiße EPDM 253815, die die Vorgaben der FDA, USP Class VI und der 1935/2004 erfüllen, sind damit aber fast zwangsläufig sehr „stumpfe“ oder „trockene“ Werkstoffe mit tendenziell größerer Reibung. Zur Vermeidung des ebenfalls ungewollten Abriebs und zur Verlängerung der Lebensdauer steht mit der RFN-Behandlung (Reduced Friction by Nanotechnology) ein Verfahren zur Verfügung, das üblichen und für sensible Bereiche nicht einsetzbaren Methoden der Gleitreduzierung, wie Talkumierung oder der Einmischung von Gleitwachsen, deutlich überlegen ist.

Strenge Anforderungen in der Pharmaproduktion

Neben den teilweise sehr aggressiven Medien, die in der Pharmaproduktion eingesetzt werden, tragen auch die immer schärferen Reinigungsbedingungen dazu bei, dass Gummi-Inhaltsstoffe in messbarer Menge aus der Elastomermatrix migrieren. Die Federal Drug Administration (FDA) verlangt hierzu im Paragraphen CFR 177.2600 Extraktionsversuche in destilliertem Wasser und n-Hexan, je nachdem, ob der Werkstoff in Kontakt zu wässrigen (polaren) oder fetthaltigen (apolaren) Medien kommt. Dabei sind diese globalen Migrationsgrenzwerte ungeachtet einer eventuellen Gefährlichkeit der extrahierten Stoffe zu erfüllen. Für den nochmals kritischeren Einsatz in pharmazeutischen Anlagen wird häufig die Konformität nach USP Class VI gefordert, hierbei wird das Material mit verschiedenen Simulanz-Flüssigkeiten extrahiert (isotonische Kochsalzlösung, 5 Prozent Ethanol in isotonischer Kochsalzlösung, Polyethylenglykol 400 und Pflanzenöl) und diese Extrakte, im Extremfall sogar die Bauteile selbst, auf ihre Wirkung hin untersucht.

Die Migrationsneigung von Gummibestandteilen wird von ihrer Polarität und Molekül- oder Aggregatgröße beeinflusst. Eine besonders ungünstige Kombination ergibt sich bei niedermolekularen Stoffen, wie beispielsweise Weichmacher oder Gleitwachse, die aus diesem Grund nur stark eingeschränkt verwendet werden sollten. Um besonders reine Werkstoffe zu erhalten, versucht man vollständig auf diese Stoffe zu verzichten.

Weißer und weichmacherfreier EPDM

Die Freudenberg-Werkstoffe der Reihe EPDM 290, 291 und 292 und der neue EPDM 253815 sind daher weichmacherfrei compoundiert. So können sie in den anspruchsvollsten Bereichen der Medizintechnik und der Pharmazie eingesetzt werden. Speziell beim EPDM 253815 kommt die Reinheit auch bei der Farbe zum Ausdruck: Entgegen dem bei EPDM üblichen schwarz war es hier erstmals möglich, einen weißen EPDM zu schaffen, der mit einer rußgefüllten Mischung vergleichbare Leistungen besitzt. Die üblichen Schwächen weißer EPDMs in industrieüblichen Reinigungsmedien ließen sich wirkungsvoll verringern. Der EPDM 253815 reicht in seiner Leistungsfähigkeit zum Teil an den EPDM 291 heran.

Bei Werkstoffen mit einem geringen Anteil an Weichmachern ergibt sich häufig ein Zielkonflikt mit der für einen Einsatz an dynamischen Dichtstellen geforderten geringen Reibung. So sind diese Werkstoffe vergleichsweise „trockene“ oder auch „stumpfe“ Materialien. Dieser Effekt wird durch den Verzicht auf Weichmacher zugunsten geringster Leach-out-Werte noch verstärkt. Die Zumischung von Gleitwachsen wiederum, die während der Lebensdauer des Elastomerbauteils ausschwitzen, verhindert eine Freigabe nach USP Class VI, so dass in besonders kritischen Anwendungen ein Einsatz dieser reibungsreduzierenden Substanzen ebenfalls nicht in Frage kommt.

Reibungsreduzierung durch Geometrie des Dichtungsbauteils

Neben diesen bereits bei der Mischungsherstellung bestehenden Möglichkeiten der Reibungsreduzierung existieren noch weitere unter Berücksichtigung der Geometrie des Dichtungsbauteils. So lässt sich die Dichtung bei entsprechenden Gegebenheiten so ausführen, dass sich Schmiertaschen für das abzudichtende Medium bilden, beziehungsweise deren Bildung wirkungsvoll unterstützt wird. Ein Beispiel ist eine Mikrorillierung. Aber auch zusätzliche aufgetragene Gleitlacke weisen nur geringe Laufleistungen auf und eignen sich daher nur sehr begrenzt zur dauerhaften Reibungsreduzierung an hochbelasteten dynamischen Dichtstellen. Neben diesen rein physikalischen Methoden existiert noch eine Reihe von chemischen Verfahren, wovon die Halogenierung von Elastomeren die bekannteste ist, die aber auch in ihrer Wirkung und Anwendbarkeit begrenzt ist.

Nanotechnologie reduziert Reibung

Eine alternative Variante zum Minimieren des Reibungsverhaltens stellt die RFN-Behandlung (Reduced Friction by Nanotechnology) dar. Hierbei wird durch die Abscheidung einer Schicht aus der Gasphase die Elastomeroberfläche im Nanomaßstab rauer und damit die Berührungsfläche wesentlich verkleinert. Darüber hinaus wird auch die Bildung eines hydrodynamischen Schmierfilms begünstigt.

Die Schicht selbst ist homogen und fest an das Elastomer gebunden. Dabei liegen die Bindekräfte in der gleichen Größenordnung wie die Bindungen im Polymer, so dass die Schicht nicht abgerieben werden kann. Selbst bei starken Dehnungen kann die RFN-Schicht dem Elastomer folgen. Da die Schicht den Werkstoff chemisch beständig und verschleißfester macht als übliche Elastomere, werden für die beschichteten Dichtungen gute Standzeiten erreicht.

Außer der Reibung werden keine anderen Eigenschaften des jeweiligen Basiswerkstoffes verändert, damit bietet sich die RFN-Behandlung auch für die Aufwertung bereits langjährig existierender Dichtungsbauteile an. Eine schnelle und problemlose Umstellung ist durch die geringe Dicke von 200 bis 300 nm ohne Werkzeuganpassungen möglich.

Die Vorteile der RFN-Behandlung gegenüber der traditionellen und in sensiblen Bereichen nur sehr eingeschränkt möglichen Einmischung von Gleitwachsen zeigt sich bei Reibversuchen mit Klappendichtungen. Werden Klappendichtungen mit internem Gleitmitteln längere Zeit mit Dampf bei 130 °C beaufschlagt, so zeigen ihre Drehmomente deutliche Veränderungen, während die Drehmomente der RFN-behandelten Dichtungen stabil und fast auf dem Anfangsniveau liegen.

Trotzt scharfen Reinigungsbedingungen

Diese positiven Beeinflussungen der Reibung durch die RFN-Behandlung lassen sich auch für den Kontakt mit anderen industrieüblichen Reinigungsmedien nachweisen. So wurden basische, saure und oxidierend wirkende Reinigungsmedien bei den schärfsten von den Herstellern empfohlenen Bedingungen in ihrer Auswirkung auf den Drehmomentverlauf untersucht. Dabei zeigt erwartungsgemäß der am längsten gelagerte Prüfling ohne RFN-Behandlung den höchsten und über den Gleitweg instabilsten Reibkoeffizienten. Dies kann dadurch erklärt werden, dass nach 300 h Lagerung das aus dem Elastomer austretende Gleitwachs durch die aggressiven Medien abgewaschen wurde und nicht mehr weiter aus dem Materialkern nachdiffundieren konnte.

Demgegenüber hat die 168 h lange Lagerung in den aggressiven Prüfmedien noch nicht ausgereicht, das Gleitwachs des Werkstoffes vollständig zu verzehren, wohl aber die Oberfläche und die oberflächennahen Schichten entsprechend zu verringern. Nach einer Einlaufphase mit höherem Reibkoeffizienten sinkt dieser mit Nachdiffundieren des Gleitwachses und zeigt danach einen geringen Anstieg mit zunehmender Laufleistung. Der nicht gelagerte Prüfling zeigt einen ähnlichen Anstieg ohne diese Einlaufphase, hier steht das Gleitwachs direkt zur Verfügung. Der Unterschied des Reibkoeffizienten lässt sich durch die bereits durch die Medien erfolgten Angriffe der Oberfläche, sowie durch die Differenz an absolut zur Verfügung stehenden gleitaktiven Substanzen erklären. Demgegenüber sind die Reibkoeffizienten aller mit RFN-behandelten Prüfkörper geringer und liegen bei etwa der Hälfte des ungelagerten Prüflings. Die Vorteile einer RFN-Behandlung zeigen sich durch den Vergleich mit gelagerten Proben.

Je nach Lagerungsdauer beträgt der Reibkoeffizient nur etwa ein Drittel bis ein Fünftel. Speziell für hochreine Werkstoffe bietet das Verfahren entscheidenden Nutzen, da bereits existierende Freigaben des Ausgangsmaterials durch die Behandlung nicht verändert werden. Die RFN-Behandlung ist besonders für chemisch und dynamisch hochbeanspruchte Dichtungsbauteile ein wesentlicher Beitrag, um Energie durch Schaltmomentverringerung und Standzeitverlängerung einzusparen.

 

Erhöhte Marktchancen

Ohne erneute Freigabe im Einsatz

Mit einer RFN-Behandlung (Reduced Friction by Nanotechnology) lässt sich die Reibung an elastomeren Dichtungswerkstoffen reduzieren. Hierbei wird durch das Abscheiden einer Schicht aus der Gasphase die Elastomeroberfläche im Nanomaßstab rauer und damit die Berührungsfläche wesentlich verkleinert. Darüber hinaus wird auch die Bildung eines hydrodynamischen Schmierfilms begünstigt. Die Schicht selbst ist homogen und fest an das Elastomer gebunden. Außer der Reibung werden keine anderen Eigenschaften des jeweiligen Basiswerkstoffes verändert, damit ist die RFN-Behandlung auch für die Aufwertung bereits langjährig existierender Dichtungsbauteile geeignet. Speziell für hochreine Werkstoffe bietet das Verfahren entscheidenden Nutzen, da bereits existierende Freigaben des Ausgangsmaterials durch die Behandlung nicht verändert werden.

 

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Christian Geubert