O-Ringe aus FEP und PTFE
Breites Anwendungsgebiet

Nahezu alle produzierenden Industriezweige teilen eine Herausforderung: Um die Wirtschaftlichkeit des Betriebes zu verbessern, müssen teure Maschinen und Anlagen immer produktiver eingesetzt werden. Besonders betroffen sind Unternehmen aus der Prozessindustrie, die sehr komplexe, das heißt hoch automatisierte und vernetzte, Produktionseinrichtungen einsetzen. Kürzere Prozesszyklen und höhere Verfügbarkeiten lassen auch die Anforderungen an Dichtungselemente steigen. Denn sollen Prozesse beschleunigt werden, kommen oft aggressivere Chemikalien und höhere Temperaturen zur Anwendung. Dichtungswerkstoffe müssen diesen Belastungen ohne Beeinträchtigung der Funktion standhalten. Der Auswahl der optimalen Dichtung für den spezifischen Anwendungsfall und der stimmigen Gestaltung des gesamten Dichtsystems kommt eine zunehmende Bedeutung zu.

Der Hochleistungswerkstoff PTFE ist wegen seiner vielen überaus positiven Eigenschaften aus dem Sortiment hochwertiger O-Ringe nicht mehr wegzudenken. Doch FEP, modifiziertes PTFE, das nahtlos auf einen Elastomerkern aufgetragen werden kann, erweitert das Einsatzfeld deutlich. Was die Werkstoffe auszeichnet und wie die Dichtelemente ihre optimale Wirkung entfalten, erfahren Sie in den folgenden Abschnitten.

Inhaltsverzeichnis:

#1 Eigenschaften der Hochleistungswerkstoffe FEP und PTFE

Der Thermoplast PTFE (Polytetrafluorethylen) zeichnet sich durch seine universelle Medienbeständigkeit aus, von der nur flüssiges Natrium und andere Fluorverbindungen ausgenommen sind. Mit seinem breiten Anwendungsbereich zwischen -200 und +260 °C ist der Werkstoff extrem frostbeständig. 

Daneben ist PTFE sterilisierbar und physiologisch unbedenklich, also für den Einsatz in sensiblen Umfeldern wie der Lebensmittel- und Medizintechnik geeignet. Die sehr guten Gleiteigenschaften, also niedrige und ausgeglichene Haft- und Gleitreibung, sprechen für den Einsatz des Materials für dynamische Dichtungen.

o-ringe-ptfe

Diese Werte gewährleisten einen geringen Verschleiß und verhindern Anhaftungen am Material. Allerdings weist der Werkstoff eine sehr hohe Härte auf, die den Einsatzbereich von O- Ringen aus massivem PTFE einschränkt. Ihm fehlen nämlich die gerade für dynamische Anwendungen wünschenswerten gummielastischen Eigenschaften. PTFE neigt zum Kaltfluss, unter permanenter Druckbeanspruchung stellt sich also bereits im kalten Zustand eine dauerhafte Verformung ein. In der Standardausführung werden O-Ringe aus PTFE in spanenden Verfahren aus Halbzeugen hergestellt. Die Dichtungselemente sind daher in allen denkbaren Abmessungen lieferbar, begrenzt nur von der Verfügbarkeit der Halbzeuge.

#2 Eine wirtschaftliche Alternative

Eine wirtschaftliche Alternative zu PTFE stellt FEP (Perfluorethylen Propylen) bzw. PFA (Perfluoralkoxy Polymere) dar. Auch hier handelt es sich um einen thermoplastischen Werkstoff, der in seinen Eigenschaften PTFE sehr nahekommt.

Dennoch weist FEP Unterschiede auf: So fällt die obere Einsatztemperatur gegenüber PTFE deutlich geringer aus. Im Gegensatz zu PTFE kann FEP aber mit herkömmlichen Heißformungsverfahren verarbeitet werden. So kommt FEP nicht zur Herstellung massiver O-Ringe zur Anwendung, denn seine Stärke liegt in einem anderen Bereich. Der Werkstoff dient zur nahtlosen Ummantelung von Elastomerkernen. O-Ringe mit einer Ummantelung aus FEP und einem Elastomer als Kernwerkstoff kombinieren die universelle Medienbeständigkeit der Thermoplaste mit den elastischen Eigenschaften der Elastomere.

O-Ring-FEP

Die Fähigkeit, nach einer Druckbelastung wieder die ursprüngliche Form anzunehmen, drückt ein niedriger Druckverformungsrest aus. Die Auswahl des elastischen Kernmaterials für FEP O-Ringe richtet sich nach dem Anwendungsszenario. Zwar lassen sich Substrate auch mit PTFE ummanteln, prozessbedingt bleibt dabei aber eine Nahtstelle, die das Dichtungselement schwächt.

#3 Anwendungen für FEP und PTFE O-Ringe

Der Einsatz von O-Ringen aus FEP und PTFE ist immer dann zu prüfen, wenn die chemische Beständigkeit eines Elastomers für die Dichtungsaufgabe nicht ausreicht.

Wegen ihrer großen Temperatureinsatzbereiche und der außerordentlichen Medienbeständigkeit eignen sich O-Ringe aus beiden Werkstoffen für den Einsatz in Industriebereichen mit besonders herausfordernden Bedingungen wie der Lebensmittel-, und Chemieindustrie sowie der Pharmazie und der Medizintechnik. Ob PTFE oder FEP als Werkstoff vorzuziehen ist, entscheiden die jeweiligen weiteren Anforderungen an die Dichtung.

#4 Statische und dynamische Dichtungen

Bei der Auslegung von Dichtsystemen wird eine grundlegende Unterscheidung zwischen statischer und dynamischer Dichtung getroffen. Beide Dichtungsfälle dienen dazu, Stoffübergänge zwischen zwei Bauteilen zu verhindern.

Statische Einsätze sind Klappen, Fenster oder Flansche, bei denen die beiden Bauteile ihre Position zueinander, außer etwa im Wartungsfall, nicht verändern. Bei der dynamischen Anwendung führen die Bauteile zusätzlich eine Relativbewegung zueinander aus, wodurch die O-Ringe Reibung entlang der Dichtungsflächen ausgesetzt werden, die zu Wärmeeintrag und Verschleiß führt.

Verbreitete Beispiele sind die Bewegung einer Welle in einer Nabe oder eines Kolbens in einem Zylinder. Bei dynamischen Anwendungen ist zu beachten, dass der eintretende Verschleiß den Mantel von FEP O-Ringen beschädigen kann. Hier gilt daher umso mehr, dass bei der Überprüfung der Eignung des O-Rings alle Einsatzbedingungen in ihrer Gesamtheit zu prüfen sind. Dazu zählen unter anderem die Bewegungsgeschwindigkeit, die Größe des Druckunterschiedes zwischen den abzugrenzenden Räumen, Temperaturunterschiede und die eingesetzten Medien. Im Zweifelsfall kann eine Erprobung des O-Rings erforderlich sein. Für statische Anwendungen sind O-Ringe aus FEP und PTFE dagegen uneingeschränkt zu empfehlen.

#5 FEP O-Ringe ermöglichen optimales Eigenschaftsprofil

Der Einsatz immer aggressiverer Chemikalien und Medien unter extremen Temperaturbedingungen zwingt in vielen Anwendungsbereichen zum Einsatz alternativer Dichtungswerkstoffe. Anwendungs- und marktspezifisch obligatorische Werkstoffzulassungen und die Erwartungen an einen zuverlässigen und damit wirtschaftlichen Anlagenbetrieb stellen hohe Anforderungen an die Dichtungselemente.

O-Ringe aus FEP mit ihren hervorragenden Gleit- und Beständigkeitseigenschaften zusammen mit den elastischen Eigenschaften von Gummiwerkstoffen wie Silikon, FKM oder EPDM, können den Konflikt auflösen.

Welches Kernmaterial zu wählen ist, gibt der Anwendungsfall vor. So weist Silikon zwar die schwächsten Druckverformungseigenschaften auf, hebt sich von den beiden Alternativen aber durch die excellente Kälteflexibilität und von FKM durch die FDA- Konformität ab. Außerhalb von Lebensmittelanwendungen überzeugt FKM durch die hohe Rückstellkraft. FDA-zugelassene O-Ringe mit der Paarung FEP/ EPDM weisen einen ähnlichen Druckverformungsrest auf, ihr eingeschränkter Temperaturbereich stellt aber ein Defizit dar.

Bezüglich der Temperaturbeständigkeit reichen FEP bzw. PFA O-Ringe mit einem EPDM-Kern von -45°C bis +150°C, FEP-Kern von -25°C bis +200°C und Silikon Kern bzw. HL = Hohlkern von -60°C bis +200°C (bei PFA bis +260°C). Die geringe Reibung und Klebeneigung der Oberfläche von FEP und insbesondere von PFA O Ringen verhindert maßgeblich ein in nahezu allen Anwendungen unerwünschtes Phänomen, den sogenannten Stick-Slip-oder Haftgleiteffekt.

Der Begriff bezeichnet das ruckartige Gleiten von sich gegeneinander bewegenden Festkörpern, das entsteht, wenn die Haftreibung deutlich größer ist als die Gleitreibung zwischen den Reibpartnern. Die resultierende Geräuschbelastung und Vibrationen sind nicht nur störend, sondern führen auch zu vorzeitigem Verschleiß von Maschinenteilen.

#6 Einbauraum und Montage von FEP- und PTFE O-Ringen

Die Zuverlässigkeit von O-Ringen aus FEP und PTFE hängt besonders von der entsprechenden Konstruktion des Einbauraumes und der beschädigungsfreien Montage ab. Weil die Ummantelung aus FEP die Elastizität des Kerns herabsetzt, fallen die übrigen Montagehinweise ähnlich zu PTFE aus: Wegen der fehlenden Elastizität sind die Abmessungen identisch zum Nennmaß zu wählen, das abgedichtet werden soll. Die O-Ringe lassen sich nur wenig dehnen und stauchen, sodass der Einbau in axial gut zugängliche, im besten Fall geteilte Nuten empfehlenswert ist. Sind geteilte Nuten nicht realisierbar, sind Montagehilfen einzusetzen. Soll der O-Ring etwa in die Nut auf einer Welle montiert werden, dehnt eine konische Spreizhülse den O-Ring soweit auf, bis er in die Nut einschnappt. Mit einem Kalibrierkegel lässt sich daraufhin die Rückverformung beschleunigen. Wegen der geringen Klebeneigung von PTFE und FEP erfordert die Montage der O-Ringe kein Einfetten.

Tipp: Zur Montageerleichterung von FEP O-Ringe, den Ring für mindestens 10 Minuten in heißes Wasser legen und anschließend direkt in die Nut einlegen.

#7 Hohe Variantenvielfalt stellt den Service auf die Probe

Ummantelte oder massive O-Ringe aus FEP und PTFE stellen durch ihre flächendeckenden Werkstoffzulassungen und die hohe Zuverlässigkeit ein wichtiges Segment im Portfolio hochwertiger Dichtungselemente dar. Erhebliche Freiheiten bei der Wahl der Abmessungen der O-Ringe erleichtern ihren Einsatz. Diese Vielfalt stellt eine Herausforderung dar: Kunden müssen sich auf die kurzfristige Verfügbarkeit von O-Ringen nach ihren Spezifikationen verlassen können.

Auf diese Anforderungen antwortet wir mit einem breiten Sortiment lagernder massiver und gefüllter FEP und PTFE O-Ringe, sowie kurzen Reaktionszeiten bei der kundenindividuellen Fertigung und Lieferung. Auch bei Fragen zur konstruktiven Auslegung und Erprobung, die es beim dynamischen Einsatz der O-Ringe besonders umfassend zu prüfen gilt, stehen wir als Experten unseren Kunden zur Seite.

Luke Williams
Luke Williams

Blogautor- und Vertriebsleitung
NH Dichtungservice
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