Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Herstellung neuartiger Sperrschichten an elastomeren Dichtungsmaterialien zur Verminderung der Permeation des Kältemittels R-744 (CO2)

Ziel des Forschungsvorhaben ist es, durch eine gezielte Oberflächenmodifizierung flexible Dichtungsmaterialien auf Basis preiswerter, kommerziell verfügbarer Elastomermaterialien (z. B. CR, NBR, HNBR, EPDM) für Klimaanlagen in der stationären und mobilen Kältetechnik mit Kohlendioxid (R744) als Kältemittel zu entwickeln und damit einen entscheidenden Beitrag zur Etablierung von Kälteanlagen mit CO2 zu leisten. Der Vorteil der Oberflächenmodifizierung besteht darin, dass die KMU zur Herstellung von Dichtungen für CO2-Kälteanlagen keine teuren z. B. komplett fluorierten Ausgangsmaterialien einsetzen müssen. Durch einen nachträglichen Veredlungsschritt können geeignete Dichtungen unter Verwendung von Standarddichtungsmaterialien hergestellt werden. Im Forschungsvorhaben soll dabei mit Hilfe der Gasphasenfluorierung (Fluorierung, wahlweise Oxifluorierung), der Plasmapolymerisation sowohl im Niederdruck als auch bei Atmosphärendruck sowie der Parylene-Abscheidung eine Permeationsbarriere für CO2 auf flächigen sowie realen Dichtungsformteilen realisiert werden. Aus den Ergebnissen ist eine Kombination der Verfahren und Parameter ableitbar, welche Synergie-Effekte hinsichtlich einer optimalen Permeationsbarriere bei gleichzeitiger hoher Öl- und Alterungsbeständigkeit für Dichtungen ausnutzt.

Da die Vertreter dieser Industriezweige Mitglied im projektbegleitenden Ausschuss sind, können sie bereits während der Bearbeitung des Projektes Einfluss nehmen und auch Teilergebnisse vor Abschluss des Projektes nutzen. Ein weiterer Transfer der Forschungsergebnisse über den projektbegleitenden Ausschuss hinaus soll durch Publikationen in den Fachzeitschriften „Coating“, „Kautschuk Gummi Kunststoffe“ und/oder „KI Kälte Luft Klimatechnik“ erreicht werden. Des Weiteren sind Vorträge anlässlich des Freiberger Polymertages, der NDVak und DKV Tagung, sowie den Thüringer Grenz- und Oberflächentagen vorgesehen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsziel bestand in der Entwicklung und Herstellung von Sperrschichten auf Elastomer-Dichtungsmaterialien als CO2-Permeationsbarriere verbunden mit der Ermittlung geeigneter Prozessparameter und der Entwicklung einer geeigneten Prozesskette im Labormaßstab.

Dazu wurden zunächst 2 Messverfahren (weiter-)entwickelt – zum einen die Bestimmung der CO2-Permeation bei flächigem Elastomermaterial und an O-Ringen und zum anderen ein Permeations-Schnelltest, der eine qualitative und quantitative Bewertung der Beschichtungen hinsichtlich Permeation ermöglicht.

Mittels der 3 zunächst untersuchten Oberflächenmodifizierungsverfahren – Gasphasenfluorierung, ND- und AD-Plasmaverfahren, Parylen-Abscheidung – konnten erste Verbesserungen auf Flachmaterial erreicht werden, allerdings traten Haftungsprobleme auf. Daher wurde das Untersuchungsprogramm um ein weiteres, ursprünglich nicht geplantes Verfahren (EVOH-Beschichtung) erweitert. Hiermit konnte eine signifikante Verbesserung der Permeationsbarriere-Eigenschaften (um 80 bis 90 % für EPDM, HNBR, FKM) bei gleichzeitiger sehr guter Haftung der Beschichtung erzielt werden. Darüber hinaus ist dieses Verfahren als Tauch- oder Sprühverfahren sehr gut in den Fertigungsprozess der Dichtungen einzubinden.

Die auf (2-dimensionalem) Elastomerplattenmaterial gewonnenen Ergebnisse konnten auch auf (3D) O-Ring-Dichtungen erfolgreich übertragen werden.

Die Ergebnisse können einen Beitrag leisten, die Kosten für qualitativ hochwertige Dichtungen für R744-Kälte- und Klimaanlagen zu senken und damit Hindernisse für den Einsatz des umweltfreundlichen, natürlichen Kältemittels R744 auch im Bereich der PKW-Klimatisierung abzubauen.