FAQ Dichtungsverhalten von Elastomeren in Membranventilen
Ursachen für Leckagen nach längerer Betriebszeit
Hier finden Sie Antworten zu Fragen, die uns häufig zum Dichtverhalten von Membranventilen gestellt werden.
Falls Sie eine spezielle Frage haben, schreiben Sie uns eine E-Mail, wir helfen ihnen gerne weiter.
Warum verlieren Membranventile langfristig ihre Dichtfunktion?
Membranventile sind zentrale Dichtelemente in hygienischen und industriellen Anwendungen. Ihre Funktionssicherheit basiert wesentlich auf den Eigenschaften des eingesetzten Elastomers.
Unter thermischer und mechanischer Dauerbelastung, beispielsweise durch wiederholte SIP-Zyklen, verändern sich jedoch die materialtypischen Eigenschaften dieses Werkstoffs. Diese Veränderungen erfolgen zeitabhängig und sind charakteristisch für Elastomere.
Leckagen entstehen daher nicht zwingend durch Montagefehler oder eine fehlerhafte Auslegung, sondern können eine Folge materialtypischer Relaxations- und Verformungsprozesse sein.
Welche materialtypischen Prozesse beeinflussen das Dichtungsverhalten?
Wird ein Elastomer über längere Zeit belastet, bleibt seine Verformung nicht konstant. Stattdessen nimmt sie allmählich zu. Dieses Verhalten wird durch die Effekte Kriechen und Spannungsrelaxation beschrieben. Die Ursache liegt im Zusammenwirken physikalischer und chemischer Einflüsse, insbesondere im viskoelastischen Verhalten und in der molekularen Struktur des Materials.
Viskoelastizität und molekulare Umordnung
Elastomere sind viskoelastisch. Bei einer Verformung wird ein Teil der eingebrachten Energie gespeichert, während ein anderer Teil dissipiert wird.
Die langen Polymerketten sind miteinander vernetzt und teilweise ineinander verschlungen. Diese Struktur beeinflusst, wie sich das Material unter Belastung verhält. Die Geschwindigkeit und Art der molekularen Umordnung hängen insbesondere ab von:
- chemischer Struktur
- Belastungsdauer
- Temperatur
- Verformungsrate
Druckverformungsrest (Compression Set)
Der Druckverformungsrest beschreibt, in welchem Maß ein Elastomer nach dauerhafter Verformung in seine Ursprungsform zurückkehrt. Ein niedriger Wert steht für ein gutes Rückstellvermögen.
Häufig geht ein niedriger Compression Set mit einem höheren Vernetzungsgrad einher. Diese Materialstruktur kann unter hoher mechanischer Belastung die Rissbeständigkeit reduzieren.
Welche Auswirkungen ergeben sich im praktischen Betrieb?
Spannungsrelaxation und Verlust der Dichtkraft
Spannungsrelaxation bezeichnet den zeitabhängigen Abbau der im Elastomer gespeicherten mechanischen Spannung. In einem Membranventil äußert sich dieser Effekt als kontinuierlicher Rückgang der Kontaktdichtkraft. Mit zunehmender Betriebsdauer verliert die Membran ihre ursprünglich eingebrachte Vorspannung, wodurch die Dichtwirkung nachlassen kann.
Nachziehen als kurzfristige Maßnahme
Nach dem ersten thermischen Zyklus kann ein Nachziehen die verlorene Dichtkraft teilweise kompensieren. Dadurch lässt sich das Risiko einer äußeren Leckage kurzfristig reduzieren. Das grundlegende Problem bleibt jedoch bestehen. Die Spannungsrelaxation setzt sich fort, sodass mit zunehmender Betriebszeit höhere Nachstellkräfte erforderlich werden.
Mechanische Überlastung und Rissbildung
Durch wiederholtes oder starkes Nachziehen steigt die mechanische Belastung deutlich an. Besonders an konstruktiven Übergängen und Einspannbereichen entstehen hohe lokale Spannungen. Wird die Belastungsgrenze überschritten, kommt es zunächst zu Mikrorissen, die sich mit der Zeit ausbreiten und schließlich zu sichtbaren Rissen sowie zum Versagen der Membran führen können.
Welche konstruktiven Konsequenzen ergeben sich – und wie ist dies bei GOETZE gelöst?
Aus den materialtypischen Eigenschaften von Elastomeren lässt sich ableiten, dass eine dauerhaft sichere Dichtfunktion nicht allein durch Nachziehen oder durch die Optimierung eines einzelnen Materialkennwerts gewährleistet werden kann. Entscheidend ist eine konstruktive Auslegung des Dichtungssystems im Membranventil. Nur so können Leckagen und vorzeitige Membranschäden nachhaltig vermieden werden.
Die Membranventile von GOETZE verfügen über einen patentierten konstruktiven Vorteil im Dichtungssystem. Eine im Antrieb integrierte Edelstahl-Druckhülse übernimmt dabei die Funktion eines mechanischen Ausgleichselements und stellt eine konstante Verpressung der Membrane sicher.
Damit wird nicht isoliert ein einzelner Kennwert optimiert, sondern das Zusammenspiel von Elastomerverhalten, Vorspannung und mechanischer Belastung konstruktiv berücksichtigt. Ziel ist eine dauerhaft stabile Dichtfunktion auch unter thermischer und mechanischer Beanspruchung.
Die wichtigsten Fragen und Antworten zum Dichtungsverhalten von Elastomeren in Membranventilen
Membranventile übernehmen in hygienischen und industriellen Anwendungen eine zentrale Dichtfunktion. Diese basiert wesentlich auf den Eigenschaften des eingesetzten Elastomers. Unter thermischer und mechanischer Dauerbelastung – beispielsweise durch wiederholte SIP-Zyklen – verändern sich jedoch die materialtypischen Eigenschaften dieses Werkstoffs.
Diese zeitabhängigen Veränderungen können langfristig zu einem Verlust der Dichtfunktion führen. Leckagen treten daher nicht zwingend aufgrund fehlerhafter Montage auf, sondern können die Folge materialtypischer Alterungs- und Relaxationseffekte sein.
Wird ein Elastomer über längere Zeit mechanisch beansprucht, bleibt seine Verformung nicht konstant. Stattdessen nimmt sie allmählich zu. Dieses Verhalten wird durch die Effekte Kriechen und Spannungsrelaxation beschrieben. Die Ursache liegt im Zusammenspiel physikalischer und chemischer Einflüsse. Entscheidend sind dabei das viskoelastische Verhalten des Materials sowie seine molekulare Struktur. Ein weiterer relevanter Kennwert ist der sogenannte Druckverformungsrest (Compression Set), der angibt, wie stark ein Elastomer nach dauerhafter Verformung seine ursprüngliche Form wieder annimmt.
Elastomere sind grundsätzlich viskoelastisch. Das bedeutet, dass bei einer Verformung ein Teil der eingebrachten Energie im Material gespeichert wird, während ein anderer Teil dissipiert wird.
Die Polymerketten eines Elastomers sind miteinander vernetzt und teilweise ineinander verschlungen. Diese Struktur erlaubt einerseits elastisches Verhalten, begrenzt aber gleichzeitig die Beweglichkeit der Ketten. Die Geschwindigkeit und Art der molekularen Umordnung hängen insbesondere ab von:
- der chemischen Struktur des Elastomers
- der Dauer der Belastung
- der Temperatur
- der Verformungsrate
Diese Einflussgrößen bestimmen, wie stark und wie schnell sich die mechanischen Eigenschaften über die Zeit verändern.
Spannungsrelaxation beschreibt den zeitabhängigen Abbau der im Elastomer gespeicherten mechanischen Spannung. In einem Membranventil führt dieser Effekt dazu, dass die ursprünglich eingebrachte Vorspannung der Membran kontinuierlich abnimmt. Die Kontaktdichtkraft sinkt mit zunehmender Betriebsdauer, wodurch die Dichtwirkung nachlassen kann. Leckagen können somit auch dann auftreten, wenn das Ventil zu Beginn korrekt montiert und ausgelegt wurde.
Nach dem ersten thermischen Zyklus kann ein Nachziehen der Verbindung den Verlust der Dichtkraft teilweise kompensieren. Dadurch lässt sich das Risiko einer äußeren Leckage kurzfristig reduzieren. Das grundlegende Problem wird dadurch jedoch nicht gelöst. Die Spannungsrelaxation des Elastomers setzt sich fort. Mit zunehmender Betriebszeit sind daher immer höhere Nachstellkräfte erforderlich, um die Dichtwirkung aufrechtzuerhalten.
Durch wiederholtes oder starkes Nachziehen steigt die mechanische Belastung der Membran deutlich an. Besonders an konstruktiven Übergängen und Einspannbereichen entstehen hohe lokale Spannungen. Wird die Belastungsgrenze des Elastomers überschritten, beginnt die Materialermüdung. Zunächst bilden sich Mikrorisse, die sich mit der Zeit ausbreiten. In der Folge entstehen sichtbare Risse, die schließlich zum Versagen der Membran führen können.
Der Druckverformungsrest gibt an, in welchem Maß ein Elastomer nach dauerhafter Verformung in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Ein niedriger Wert bedeutet ein gutes Rückstellvermögen. Häufig geht ein niedriger Druckverformungsrest mit einem höheren Vernetzungsgrad des Materials einher. Diese Struktur kann jedoch unter hoher mechanischer Belastung die Rissbeständigkeit reduzieren. Das Material reagiert dann weniger durch elastisches Nachgeben, sondern eher durch Rissbildung.
Ein Material mit sehr gutem Rückstellvermögen kann gleichzeitig steifer und weniger dämpfend sein. Dadurch sinkt die Fähigkeit, lokale Spannungsspitzen abzubauen. Gerade beim Nachziehen entstehen lokal sehr hohe Spannungen. Wenn ein Elastomer diese Energie nicht ausreichend aufnehmen und verteilen kann, konzentriert sich die Belastung im Material. Die Folge kann Rissbildung sein. Ein niedriger Compression Set bedeutet daher nicht automatisch eine höhere Langzeitbeständigkeit unter allen Belastungsbedingungen.
Eine dauerhaft sichere Dichtfunktion kann nicht allein durch Nachziehen oder durch die Wahl eines einzelnen Materialkennwerts gewährleistet werden. Entscheidend ist eine konstruktive Auslegung des Dichtungssystems im Membranventil, wie die patentierte Lösung bei den GOETZE Membranventilen. Nur so können Leckagen und vorzeitige Membranschäden nachhaltig vermieden werden.