PFAS-freie Beschichtung für die Dichtungstechnik

Die Abkürzung PFAS „macht die Runde“ und mögliche Beschränkungen oder Verbote der per- und polyfluorierten Alkylverbindungen treffen auch den Beschichtungssektor. Da hochleistungsfähige PTFE-Beschichtungen mittlerweile aus der Dichtungstechnik kaum noch wegzudenken sind, wurde eine PFAS-freie Beschichtung entwickelt, die Ersatz für Premium PTFE-Lacksysteme auf Dichtungen bietet.

Betrachtet man die Ansprüche der Dichtungstechnik, so gelten PTFE-Beschichtungen bisher als Inbegriff der Leistungsfähigkeit. Sie helfen, Elastomerdichtungen schadensfrei und mit geringem Kraftaufwand zu montieren und verhindern, dass die kleinen Bauteile miteinander oder gar mit dem Gehäuse verkleben. Darüber hinaus sorgen Premium PTFE-Gleitlacke dauerhaft für niedrige Reibwerte, reduzieren den Gummiabrieb und verlängern so die Lebensdauer von Dichtungen in dynamischem Gebrauch. Polytetrafluorethylen ist also nicht nur ein wichtiger Dichtungswerkstoff, sondern leistet zudem in Funktionsschichten einen wertvollen Beitrag. Nun jedoch stehen, durch einen von der ECHA am 7. Februar 2023 veröffentlichten, allgemeinen REACh-Beschränkungsvorschlag, per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, kurz PFAS, zur Diskussion. Entsprechend groß ist der Aufschrei in der Lackindustrie. Denn nur fünf Jahre nachdem aufgrund von REACh-Vorgaben das Co-Lösemittel N-Methyl Pyrrolidon (NMP) aus Wasserbasis-Lacken verbannt wurde, ist jetzt also der Einsatz des fluorhaltigen PTFE ebenfalls in Frage gestellt. Und damit auch die meisten der zuletzt neu entwickelten NMP-freien Lacksysteme.

Besser agieren statt abwarten

Welche der fluorierten Alkylsubstanzen am Ende von Restriktionen betroffen sind und wieweit diese reichen, kann zum jetzigen Zeitpunkt noch niemand wissen. Die Industrie hat Stellung bezogen und Entscheidungen stehen noch aus. Trotzdem beginnt ein nordrhein-westfälischer Beschichtungsdienstleister bereits nach anfänglichen Gerüchten über PFAS-Beschränkungen, gemeinsam mit seinem Lackhersteller einen leistungsfähigen Ersatz für gängige PTFE-Lacksysteme zu entwickeln. Und kann schon heute eine Lösung für die Dichtungstechnik vorhalten.

Die Beschichtungsbasis muss stimmen

Gerade im Dichtungsbereich sind funktionelle Beschichtungen stark beansprucht. Neben verschiedenen Anwendungsparametern, wie zum Beispiel Medien und Temperaturen, sind es zwei Details, die einen Gleitlack besonders herausfordern. Zum einen besitzen Elastomere eine geringe Oberflächenenergie und lassen sich dadurch nur schwer beschichten. Zwar werden die Polymeroberflächen gereinigt und im Plasma vorbehandelt, um die Benetzbarkeit und Lackhaftung zu verbessern. Dennoch muss auch die Beschichtung für Gummi geeignet sein und darf sich selbst beim Aufdehnen nicht von der Oberfläche lösen. Denn Elastomerdichtungen sind sehr flexibel und werden besonders bei der Montage oft stark gedehnt. Daher entscheidet sich das Entwicklungsteam, auf der Basis ihres jüngsten, NMP-freien Hochleistungs-Gleitlackes aufzubauen. Dieser zeigt eine breite chemische Beständigkeit, lässt sich optimal verarbeiten und haftet ausgezeichnet auf Elastomeren. Daneben überzeugt das zugrunde gelegte Lacksystem durch seine Elastizität.

Gummireibung ist komplex und PTFE nicht einfach zu ersetzen

Das gewählte Basis-Lacksystem bietet also die bestmöglichen Voraussetzungen für eine PTFE-freie Hochleistungsbeschichtung. Dennoch bleibt der Weg dorthin weiter anspruchsvoll, denn tatsächlich ist es nicht möglich, PTFE eins-zu-eins durch einen anderen Festschmierstoff zu ersetzen, ohne das komplette Lacksystem anzupassen. Einer der Gründe dafür liegt in der Komplexität der Gummireibung, die wesentlich von den viskoelastischen Materialeigenschaften der Elastomere beeinflusst wird. In Bezug auf Gummi verlieren klassische Reibgesetze ihre Gültigkeit, wogegen Adhäsions- und Deformationskräfte eine größere Rolle spielen. Entsprechend anpassungsfähig muss die Funktionsschicht sein und das Alsdorfer Team nimmt neben PTFE gleich mehrere Komponenten der Lackmischung ins Visier. Mit entsprechendem Erfolg, wie erste Belastungstests zeigen.

Anwendungsnahe Tests offenbaren die Güte der Beschichtung

Als Grundlage für alle Material- und Teileprüfungen dienen dem Team beschichtete FKM und EPDM O-Ringe. Um den Gleitlack möglichst sinnvoll zu prüfen, beschichten die Alsdorfer stets unter Serienbedingungen und legen Wert auf anwendungsnahe und für die Dichtungstechnik übliche Prüfbedingungen. Nachdem der neue PFAS-freie Gleitlack ersten, internen Versuchen standhält, schickt der Beschichtungsdienstleister die Teile für weitere Analysen in ein bekanntes Institut. Die dortigen Materialprofis testen den Neuling nach relevanten Prüfstandards für Elastomere und vergleichen sie mit dem Basis-Gleitlack und drei Wettbewerbsbeschichtungen der neuesten Generation. Alle Vergleichsbeschichtungen sind ebenfalls NMP-frei, enthalten jedoch als Festschmierstoff PTFE. Wie für Elastomere im Dichtungsbereich üblich, durchlaufen die beschichteten Prüflinge, je nach Dichtungswerkstoff, eine Warmluftluftalterung und Kältefaltprüfung, lagern in destilliertem Wasser oder in Referenzölen und Kraftstoff (Bild 4). Das anschließende Aufdehnen erlaubt es, die Qualität der Funktionsschichten zu beurteilen. Abschließend simulieren die Prüfingenieure mit einer eigens dafür aufgebauten Vorrichtung die außendichtende Montage der O-Ringe und protokollieren die maximalen Einpresskräfte.

Belastbare Ergebnisse

Sämtliche Tests absolviert die neue PFAS-freie Beschichtung mit Bravour. Im Neuzustand lässt sie sich, beispielsweise bei der Montage, bedenkenlos um 100 Prozent dehnen, ohne Schaden zu nehmen. Ebenso wie die PTFE-haltigen Vergleichslacke zeigt der Neuling auch nach dem Einwirken von Medien oder Warmluft bis 150 °C weder Risse noch löst er sich von den Bauteiloberflächen ab (Bild 3). Und obwohl der Alsdorfer PTFE-Referenz-Lack bei den Montagetests bisher unerreicht bleibt, überzeugt der PFAS-freie Gleitlack auch hier schon in seiner ersten Entwicklungsstufe. So halbiert er die maximalen Einpresskräfte bei Mehrfachmontage der O-Ringe und zeigt sich damit bereits leistungsstärker als zwei der aktuellen, PTFE-haltigen Wettbewerbsbeschichtungen (Bild 2). Damit ist klar, dass der neu entwickelte, PFAS-freie Gleitlack schon jetzt seinen Platz in der Dichtungstechnik einnehmen wird. Dennoch bleibt das Entwicklungsteam am Ball und optimiert weiter für noch mehr Leistungsfähigkeit.

 

veröffentlicht in DICHT!, Ausgabe 4.2023 (Seite 34, zu finden unter DICHT!digital)