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Für die Durchführung dieser Tests gibt es spezielle Ozon-Prüfkammern, mit denen es möglich ist, die Widerstandsfähigkeit von Gummimaterialien aller Art gegenüber Ozon bei verschiedenen Testbedingungen (wie z. B. Temperatur, Feuchtigkeit und mechanische Beanspruchung) zu untersuchen. Die Testergebnisse sind von großer Bedeutung für die Automobil- und Transportindustrie sowie für Luft- und Raumfahrt, da sie bereits vor Produktionsstart eine gute Vorhersage über die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von verschiedensten Elastomeren liefern.

Gummiprüfung – Warum ist dies notwendig und was steckt dahinter?

Beispiel einer Gummiprüfung auf Ozonbeständigkeit und Langlebigkeit. Das Gummiteil wurde mit einer statischen Beanspruchung einer 90°- Biegung eingespannt und für insgesamt 175 Std. auf Rissbildung unter Ozoneinwirkung untersucht. Bild: Anseros

Beispiel einer Gummiprüfung auf Ozonbeständigkeit und Langlebigkeit. Das Gummiteil wurde mit einer statischen Beanspruchung einer 90°-
Biegung eingespannt und für insgesamt 175 Std. auf Rissbildung unter Ozoneinwirkung untersucht. Bild: Anseros

Die Haltbarkeit von Gummikomponenten bzw. Elastomeren ist mehr als nur ein Qualitätsmerkmal. Sie ist ein entscheidender Faktor für die Zuverlässigkeit von Produkten, welche in unserem heutigen Leben allgegenwärtig sind und auf die wir Menschen nahezu täglich angewiesen sind. So finden z. B. moderne Gummimaterialien/-mischungen Anwendung als Autoreifen, Schläuche von hydraulischen Bremsen, Isolierungen von elektrischen Leitungen in Fahrstühlen oder öffentlichen Verkehrsmitteln, oder auch als Dichtungen von Tür- und Fensterscheiben. Diese Gummiteile können mit fortschreitender Beanspruchung und dem damit einhergehenden Verschleiß zu einem Risiko für Menschenleben werden. Daher ist es umso wichtiger, etwaigen Fehlfunktionen vorzubeugen und die Zuverlässigkeit dieser Teile für eine angemessene Lebensdauer zu gewährleisten. Das Ziel ist ein qualitativ hochwertiges Produkt mit einer langen Haltbarkeit zu liefern. Nur dann kann ein häufiger Materialaustausch vermieden werden, was Aufwand, Kosten und Ressourcen schont.
Die Materialprüfung hilft dabei, die Lebensdauer bzw. Belastbarkeit eines Produktes unter bestimmten Umwelteinflüssen bereits vor dessen Einsatz abzuschätzen und ggf. Maßnahmen zu ergreifen, um die Haltbarkeit des Produktes zu verlängern. Im Bereich von Gummiteilen und Elastomeren werden vor allem die mechanische Belastbarkeit sowie die Haltbarkeit gegenüber Ozon geprüft.

Was ist Ozon?

Ozon ist eine natürliche Modifikation von molekularem Sauerstoff in unserer Atmosphäre. Daher ist in unserer Luft stets eine gewisse Ozonkonzentration vorhanden, die je nach Land, Jahreszeit und lokalen Gegebenheiten schwankt. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen (daher die Bezeichnung O3) und bildet sich in unserer Umwelt durch die Einwirkung von UV-Strahlung. Ozon ist ein sehr reaktives Gas und greift zahlreiche organische und anorganische Verbindungen an. Kommt es in Kontakt mit Gummimaterialien, kann es mit bestimmten Inhaltsstoffen reagieren, wodurch die Integrität und die Struktur dieser Materialien verloren gehen. Ein typisches Beispiel ist die Reaktion von Ozon mit Nitrilkautschuk (NBR). Dieses Elastomer besitzt als Struktureinheit ungesättigte Kohlenstoffbindungen, welche durch Ozon leicht „aufgebrochen“ werden können. Als Folge wird das gesamte Material spröde und brüchig, und dessen Haltbarkeit verringert sich drastisch.

Ozonprüfkammer SIM-7300 zur Gummiprüfung von Kleinteilen mit rotierbarer Einspannvorrichtung. Bild: Anseros

Ozonprüfkammer SIM-7300 zur Gummi- prüfung von Kleinteilen mit rotierbarer Einspannvorrichtung. Bild: Anseros

Wie läuft eine Ozonprüfung ab?

Die Materialproben werden in eine abgeschlossene Prüfkammer gegeben. Je nach Größe der Proben kann auch die Größe der Prüfkammer variieren. Die Proben werden meist in bestimmte Vorrichtungen eingespannt, welche speziell für das zu testende Produkt ausgelegt sind und typische Bewegungs- und Belastungszyklen simulieren können. Ein Beispiel einer solchen Ozonprüfkammer, inklusive Einbauten zur Befestigung von kleinen Gummiteilen, ist im Bild zu sehen. Typischerweise werden längliche Streifen der Gummimaterialien getestet. Es können aber auch komplette Bauteile untersucht werden. Nachdem die Gummiteile montiert sind, wird die Prüfkammer dicht verschlossen. Unter Verwendung von Automatisierungssoftware werden anschließend genau definierte Prüfzyklen abgefahren, wobei die vorgegebenen Prüfbedingungen eingestellt sind. Hierzu zählen vor allem die Ozonkonzentration, also der Anteil an Ozon in Luft (typischerweise angegeben in g/Nm3 oder ppm, parts per million), sowie die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Strömungsgeschwindigkeit des ozonhaltigen Gases in der Prüf-Kammer. Diese Parameter haben einen entscheidenden Einfluss auf die Materialbeständigkeit und damit auf das Testergebnis. Zudem wird meist auch die Beständigkeit bei mechanischer Beanspruchung (statisch und/oder dynamisch) getestet (Details zu den unterschiedlichen Prüfparametern s. unten).

Internationale Prüfnormen – Ähnlichkeiten und Unterschiede

Verschiedene Organisationen in Deutschland, wie der VDE (Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik), VDI (Verein Deutscher Ingenieure) oder das Deutsche Institut für Normung (DIN) haben die Notwendigkeit von Qualitätsstandards im Bereich der Gummimaterialien schon seit langem erkannt und spezielle Prüfnormen herausgegeben. Diese werden laufend aktualisiert. Darüber hinaus existieren auch internationale Standards, welche z. B. durch die ASTM (American Society for Testing and Materials), IEC (International Eletrotechnical Commission) und ISO (International Organization for Standardization) in Umlauf gebracht werden und weltweit im Einsatz sind. Zusätzlich gibt es auch noch individuelle Standards der einzelnen Automobilhersteller für die Prüfung von Gummiteilen in der Automobilindustrie. Insgesamt kann man sagen, dass die Industrie stark in die Sicherung der Materialzuverlässigkeit investiert und das auch muss.

Jedoch führten unterschiedliche historische Entwicklungen und die verschiedenen Einsatzgebiete der Elastomerwerkstoffe zu Abweichungen zwischen den einzelnen Standards und Testverfahren. Dies kann zu Verwirrungen führen, wenn nicht klar ist, nach welcher Norm geprüft werden soll. Moderne Ozonprüfkammern erlauben es dem Benutzer, ein breites Spektrum der unterschiedlichen Prüfnormen mit nur einem einzigen Gerät abzudecken. Um einen Eindruck zu vermittelt, welche Unterschiede und Ähnlichkeiten in diesem Zusammenhang existieren, seien vier bedeutende Prüfnormen (ISO 1431-1, ASTM D 1149, IEC 60811-2-1 und DIN 53509) auszugsweise miteinander verglichen. Bei der ISO 1431-1 und ASTM D 1149 handelt es sich um Prüfnormen für Elastomere und thermoplastische Elastomere allgemein, wohingegen die IEC 60811-2-1 speziell für die Prüfung von Kabelisolierungen existiert. Die DIN 53509 wurde 2011 durch die DIN ISO 1431-1 ersetzt, ist jedoch in nachfolgendem Vergleich aus historischen Gründen mit aufgeführt:

  • In der ISO 1431-1, ASTM D 1149 und DIN 53509 wird die Gummiprüfung bei einer Temperatur in der Prüfkammer von vorzugsweise 40 °C durchgeführt. Bei der IEC 60811-2-1 ist eine Testtemperatur von 25 °C vorgeschrieben. Hierzu sei angemerkt, dass oberhalb einer Temperatur von 60 °C die thermische Zersetzung von Ozon begünstigt wird, und bei Temperaturen unter 25 °C die Reaktivität zwischen Ozon und den Prüfmaterialien stark verringert sein kann.
  • Die relative Luftfeuchte (rF) in der Prüfkammer soll gemäß ISO 1431-1 unter 65 % liegen und bei der DIN 53509 zwischen 45 und 65 %. Die ASTM D 1149 und IEC 60811-2-1 machen zum rF-Wert keine genauen Angaben und verlangen lediglich „trockene Luft“.
  • Was die Ozonkonzentration betrifft, so steht in der ISO 1431-1 und DIN 53509 ein bevorzugter Wert von 50 pphm v/v (pphm = part per hundred million (10-8) bezogen auf die Volumina VOzon/VLuft). Die ASTM D 1149 gibt einen Bereich von 25 – 200 pphm v/v an. Diese Angaben entsprechen einer Menge von 1,07 mg bzw. 0,54 – 4,28 mg Ozon pro Nm3 Luft. Zum Vergleich: Der Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) für Ozon beträgt in Deutschland 0,1 ppm (d. h. 10 pphm v/v oder 0,21 mg Ozon pro Nm3 Luft).
  • Die IEC 60811-2-1 fordert eine minimale Strömungsgeschwindigkeit des ozonhaltigen Gases in der Kammer von 500 mm/s. Bei der ASTM D 1149 wird sogar ein noch höherer Wert gefordert (600 mm/s), während bei der ISO 1431-1 und der DIN 53509 die Gummiprüfung standardmäßig bei einem relativ langsamen Luftstrom im Bereich von 8 – 16 mm/s erfolgt. Auf die Möglichkeit des Einsatzes eines zusätzlichen Gebläses zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wird hingewiesen.
  • Einigkeit bei den Prüfnormen herrscht hinsichtlich der Methode zur Messung der Ozonkonzentration in der Kammer: Hierfür wird stets ein UV-Photometer mit hoher Genauigkeit empfohlen. Für die Ozonerzeugung stehen sowohl UV-Strahlung wie auch die stille elektrische Entladung (Corona-Entladung) zur Verfügung. Weiterhin fordern die genannten Normen oftmals die Durchführung von statischen und dynamischen Tests.
    Da die Testbedingungen nach Möglichkeit den späteren Einsatzbedingungen ähneln sollen, ist es in vielen Fällen auch zulässig, die Testbedingungen entsprechend anzupassen (z. B. bei der Prüfung eines Gummiteils für den gezielten Einsatz in tropischen Gebieten sind Tests bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80 – 90 % sinnvoll).

Verlässliche Testergebnisse

Eine exakte Vergleichbarkeit der Testergebnisse ist aufgrund der verschiedenen Prüfbedingungen nur innerhalb einer bestimmten Prüfnorm gegeben. So kann die Ozonresistenz von ein und demselben Gummimaterial bei Anwendung verschiedener Prüfnormen durchaus sehr unterschiedlich sein. Daher ist die Angabe der Norm, nach der die Gummiprüfung stattgefunden hat, eine wichtige Größe für die Bewertung der Ergebnisse.

Eine besondere Herausforderung liegt auch im apparativen Aufbau der Prüfkammer, insbesondere in der Art und Weise wie die Luftströmung im Inneren der Kammer verläuft. Es gibt Prüfkammern, bei denen die Luftströmung entlang einer Kurve von der Bodenverteilerplatte aus zu einer punktuellen Absaugung an der Kammerwand erfolgt (gerichtete Luftströmung). Dies ist nach ASTM D 1149 und DIN 53509 zulässig. Jedoch kann sich in Übereinstimmung mit der ASTM D 1149, welche die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch ein Anemometer (Strömungsmesser) im Abstand von ca. 50 mm zum Luftverteiler vorsieht, das Problem ergeben, dass die gemessene Strömungsgeschwindigkeit von derjenigen in der Nähe der Testproben deutlich abweicht.

Strömungsprinzipien im Inneren einer Ozonprüfkammer mit A) gerichteter Luftströmung und B) paralleler Luftströmung im gesamten Kammerraum. Die Gummiproben (Streifenproben) sind rot hervorgehoben. (Bildquelle: Anseros)

Strömungsprinzipien im Inneren einer Ozonprüfkammer mit A) gerichteter Luftströmung und B) paralleler Luftströmung im gesamten Kammerraum. Die Gummiproben (Streifenproben) sind rot hervorgehoben. (Bildquelle: Anseros)

 

Für reproduzierbare Ergebnisse ist die Geschwindigkeit und Richtung der Strömung sehr wichtig. Daher wird in der ISO-Norm auch das „Längsluftstrom-Prinzip“ vorgeschrieben (longitudi-nale Luftströmung). In diesem Fall bewegt sich die Luft in Längsrichtung, d. h. vollständig parallel zu den Proben, von oben nach unten in der Testkammer (oder umgekehrt). Das Strömungsprofil ist dabei streng parallel und nicht gebogen, sodass die gleiche Strömungsrichtung und -geschwindigkeit sowohl in der gesamten Testkammer wie auch an der Messstelle gewährleistet ist. Für Zertifizierungsinstitute ist dieser Umstand nicht unerheblich.
Um etwaige Ungleichmäßigkeiten im Strömungsprofil auszugleichen, besteht laut ISO 1431-1 Norm die Möglichkeit Ozonprüfkammern mit rotierbaren Einbauten zu bestücken. Durch eine kontinuierliche Rotationsbewegung um Längs- und Querachsen wird erreicht, dass jede Probe im Inneren der Kammer im zeitlichen Mittel auch den gleichen Testbedingungen ausgesetzt ist.

Beispiel einer Gummiprüfung

Die Testergebnisse einer Gummiprüfung auf Ozonbeständigkeit sind in der obigen Abbildung zu sehen. Hierbei handelt es sich um ein Stück einer Türdichtung für den späteren Einsatz im öffentlichen Nahverkehr. Die unbehandelte Probe wird in eine Vorrichtung gespannt, sodass das Gummistück einen Biegeradius von exakt 90° aufweist, und anschließend für insgesamt 175 Stunden in der Ozonprüfkammer getestet. Nach 39 Std. sind erste Risse im Gummi erkennbar. Dies wird durch einfache Sichtprüfung ermittelt, wobei die Prüfkammer nach Möglichkeit über ein geeignetes Sichtfenster verfügt, um die Kammer während des Prüfverfahrens nicht extra öffnen zu müssen. Für die Sichtprüfung können auch Kameras eingesetzt werden. Zur Beurteilung des Ausmaßes der Rissbildung im Gummimaterial beschreibt die DIN 53509 gewisse Rissbildstufen oder -klassen. Nach einer Prüfdauer von 71 Std. sind die gezeigten Risse sichtbar größer geworden, und nach einer Beanspruchung von insgesamt 175 Std. ist das Material extrem spröde und weist nochmals deutlich tiefere Risse auf.
Anhand von derartigen Tests lässt sich nicht nur die allgemeine Beständigkeit von Gummimaterialien gegenüber Ozon feststellen, sondern auch deren Langlebigkeit ermitteln. Dies geschieht bereits vor Beginn der eigentlichen Produktion und vor dem Einsatz in Fahrzeugen o. Ä., um abzuschätzen, ob diese Materialien den notwendigen Anforderungen entsprechen.

Literatur:
[1] ISO 1431-1:2012-08, Rubber, vulcanized or thermoplastic – Resistance to ozone cracking – Part 1: Static and dynamic strain testing.
[2] ASTM D 1149:2007, Standard Test Methods for Rubber Deterioration – Cracking in an Ozone Controlled Environment.
[3] IEC 60811-2-1:2001-11, Common test methods for insulating and sheathing materials of electric and optical cables – Part 2-1: Methods specific to elastomeric compounds – Ozone resistance, hot set and mineral oil immersion tests.
[4] DIN 53509-1:2001-01, Prüfung von Kautschuk und Elastomeren – Bestimmung der Beständigkeit gegen Rissbildung unter Ozoneinwirkung – Teil 1: Statische Beanspruchung.

About the author

Dr.-Ing. Andreas Schönweiz

Anseros Klaus Nonnenmacher, Tübingen (Hirschau)