Dr. Birgit Severich, Markus Clemens, Dr. Ulrich Liedtke, Prof. Günter Stein
Die Reibkräfte in Klappendichtungen resultieren u.a. aus der Reaktionskraft des Elastomers während des Schaltvorganges. Dabei wird das Elastomer als verdrängte „Welle“ von der sich bewegenden Klappenkante geschoben. Deshalb gibt es bereits bei der konstruktiven Auslegung des Bauteils entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der Reibungskräfte. Schafft man beispielsweise an der Dichtungsrückseite dem Elastomer einen freien Raum, in den es verdrängt werden kann, sinken diese Reaktionskräfte. Eine bewährte konstruktive Lösung sieht dazu ein zweigeteiltes Rippendesign (Bild 1) vor, das ober- und unterhalb der Klappenschließebene eingebracht wird.
Die Vorteile dieses Rippendesigns liegen in der noch ausreichend hohen axialen Steifigkeit der Dichtung – sie kann also nicht beim Schaltvorgang herausgezogen werden – und bei der gleichzeitigen Schaffung von Verdrängungsraum beim Ausschwenken der Stahlklappe beim Schaltvorgang. Diese Designvariante entschärft die Reibung dabei nur indirekt über die in das System eingekoppelten Kräfte. Der Reibwert bleibt dabei unverändert.
Der Reibwert kann nur über direkte Mischungs- und Oberflächenmodifikationen als Koeffizient reduziert werden. Das Einmischen gleitaktiver Substanzen kann die Reibung deutlich reduzieren. Das Gleitmittel muss dabei natürlich FDA-konform sein und darf unter Betriebsbedingungen nur mit einer definierten Geschwindigkeit aus der Mischung diffundieren. Dies muss so langsam geschehen, dass die Dichtung nicht durch Masseverlust an Vorspannung verliert, und gleichzeitig so schnell, dass nach Entfernung der Oberflächenbelegung (z.B. Sterilisieren mit Dampf) wieder ein reibungsoptimierter Belag entsteht. Nur wenige Systeme aus Elastomer und Gleitmittel sind FDA-konform und weisen gleichzeitig das gewünschte Diffusionsverhalten auf.
Die Modifizierung der Oberfläche stellt häufig eine geeignete Alternative dar. Man kann den bewährten Werkstoff mit seinen mechanisch-technologischen wie auch Beständigkeitseigenschaften und in der Regel auch das Vulkanisationswerkzeug beibehalten und behandelt die Teile in einem nachgeschalteten Schritt an der Oberfläche. Bewährte Verfahren sind dabei das Ätzen und die Halogenierung, die Beschichtung mit Polymerdispersionen oder die Mikrorillierung. Dabei kann es zu Änderungen der Topologie der Bauteile aber auch der chemischen Eigenschaften der Oberfläche kommen, beides kann je nach Anwendungsfall das Reibungs- und Verschleißverhalten positiv beeinflussen.
Durch Einwirkung aggressiver Medien auf die Elastomerbauteile kommt es an der Materialoberfläche zu chemischen Reaktionen mit den verschiedenen Inhaltsstoffen des Werkstoffs, beispielsweise mit Füllstoffen oder Polymeren. Dies kann mit Rissbildung und Verhärtung bzw. Versprödung einhergehen, die im schlimmsten Fall sogar zu Undichtigkeiten führen können.
