26.11.2018 Materialkompetenz 

Werkstoffe für die Welt

Welche Materialien für Dichtungen mit Lebensmittelkontakt verwendet werden dürfen, wird in allen Ländern von den Behörden streng limitiert. Bislang lehnte sich China an die US- und EU-Vorschriften an, hat aber inzwischen eigene Vorgaben erlassen. Die Materialentwickler von Freudenberg Sealing Technologies nahmen die Herausforderung an. Das Ergebnis: Werkstoffe, die global einsetzbar sind.

Dr Geubert Christian Geubert, Experte für Lebensmittel-Werkstoffe und Anwendungsingenieur bei FST

Wer an einem heißen Sommertag ein erfrischendes Mineralwasser aus der Flasche trinkt, der geht selbstverständlich davon aus, dass das Getränk keine Schadstoffe enthält. Dafür sorgt auch der Gesetzgeber: Die Industrie-Anlagen, in denen Lebensmittel hergestellt und verarbeitet werden, müssen strenge Hygieneanforderungen erfüllen. Das gilt auch für die Dichtungen, mit denen das Getränk in Kontakt kommt. In China reichten bislang die Freigaben der US-amerikanischen „Food and Drug Administration“ (FDA) und der Europäischen Union (EU (VO) 1935/2004) aus. Doch im Herbst 2016 hat das Reich der Mitte eigene Standards festgelegt. So bestimmt die chinesische Norm GB 9685 anhand einer „Positivliste“, welche Inhaltsstoffe die Materialien für Dichtungen mit Lebensmittelkontakt überhaupt enthalten dürfen. Eine weitere Norm mit der Bezeichnung GB 4806 regelt außerdem die grundlegenden Anforderungen und definiert sensorische Prüfungen und Migrationstests für Dichtungswerkstoffe. Mit letzteren sind die Härtetests gemeint, bei denen elastomere Materialien den in der Lebensmittelindustrie eingesetzten Stoffen, also beispielsweise sauren oder fetthaltigen Medien, ausgesetzt werden.

Positivlisten im Vergleich

„Mit der neuen Vorgabe aus China standen wir vor einer wichtigen Frage“, berichtet Christian Geubert, bei Freudenberg Sealing Technologies Experte für Lebensmittel-Werkstoffe und Anwendungsingenieur im Bereich Process Industry. „Sollen wir eine neue Variante entwickeln, die nur auf den chinesischen Markt abgestimmt ist, oder einen Werkstoff, der alle Anforderungen aus den USA, der EU und China berücksichtigt.“ Die Materialentwickler entschieden sich für den globalen Weg. „Schließlich sind auch viele unserer Kunden global tätig. Ein Werkstoff, der alle Anforderungen berücksichtigt, ist da von großem Vorteil“, betont Geubert.

Dr Rotzoll Dr. Robert Rotzoll, Materialentwickler bei FST

Um eine neue Rezeptur für den EPDM-Synthesekautschuk zu entwickeln, prüften die Ingenieure zunächst die bewährten Materialmischungen auf ihre Zutaten: Stehen die einzelnen Stoffe auf allen Positivlisten – auch auf der im Vergleich zu den US- und EU-Listen relativ knapp gehaltenen chinesischen Liste? Auf dieser Grundlage entwickelten sie die bestehenden Werkstoffe zu China-konformen Varianten weiter. „Eine Elastomermischung besteht aus zahlreichen Inhaltsstoffen, die – geschickt kombiniert – dem Material am Ende die gewünschten Eigenschaften liefern, etwa Medienbeständigkeit, lange Lebensdauer und ein gutes Verarbeitungsverhalten“, erklärt Dr. Robert Rotzoll, Entwickler der beiden neuen Mischungen bei Freudenberg Sealing Technologies. „Die Herausforderung war, mit den begrenzten zur Verfügung stehenden Mitteln Hochleistungs-Werkstoffe zu entwickeln, die den Spagat aus exzellenter Alterungs- und Medienbeständigkeit und globaler Lebensmittelkonformität meistern.“

Anwendungsnahe Prüfungen in den Laboren

Das Ergebnis sind zwei Elastomere mit den Namen 75 EPDM 386 und 85 EPDM 387, die nahezu weltweit als Material für O-Ringe und gedrehte Formteile in Anlagen der Lebensmittelindustrie verwendet werden dürfen. „Neben den Tests durch staatliche Labore in der Nähe von Shanghai führten wir anwendungsnahe Prüfungen in den Freudenberg-Laboren in Weinheim durch“, berichtet Rotzoll. „Dabei zeigte sich, dass die Eigenschaften der neuen Werkstoffe denen der bewährten Materialien sehr ähnlich sind.“

Damit sich in den Anlagen der Lebensmittelindustrie keine Bakterien und Keime festsetzen, müssen sie regelmäßig mit bis zu 160 °C heißem Wasserdampf sterilisiert werden. Um die Ausfallzeiten zu minimieren, erfolgt dies meist in der geschlossenen Anlage – genau wie die Reinigungen. Diese sind unter anderem wegen der häufigen Produktwechsel erforderlich und werden mit aggressiven Medien wie Natronlauge oder Salpetersäure durchgeführt. Mit den Freudenberg-eigenen Prüfungen wird sichergestellt, dass die Dichtungsmaterialien gegenüber dem Wasserdampf, den Säuren und den Laugen beständig sind – und somit den hohen Anforderungen der Kunden in der Prozessindustrie gewachsen sind. Dazu werden sie über Zeiträume von 168 und 672 Stunden den jeweiligen Medien ausgesetzt und anschließend auf ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften hin untersucht. 

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Abb. 1 Einlagerungsversuche in Dampf

Der Vergleich der physikalischen Eigenschaften – also von Masse und Volumen vor und nach den Tests – gibt einen Hinweis darauf, ob das Material Reinigungsmittel aufgenommen oder Inhaltsstoffe verloren hat. Allerdings nur als Summenwert: Wenn beides gleichzeitig passiert, dann sind Masse und Volumen durchaus gleich, obwohl sich das Material unzulässig verändert hat. Deswegen werden in den Tests auch die mechanischen Eigenschaften untersucht. Denn sollte sich das Polymernetzwerk verändert haben, dann ändern sich auch dessen Bruchdehnung, also die Länge, bis das Material bei einem Dehnungsprozess reißt, der Spannwert und die Reißfestigkeit im Moment des Bruchs. In statischen Tests dürfen Masse und Volumen um maximal zehn Prozent schwanken, bei den mechanischen Eigenschaften ist eine Schwankung von höchstens 30 Prozent erlaubt. Noch strenger sind die Vorschriften bei dynamischen Tests: Die physikalischen Eigenschaften dürfen hier nur um fünf Prozent, die mechanischen um 15 Prozent variieren.

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Abb. 2 Einlagerungsversuche in Reinigungsmedien

Im Vergleich mit den bisherigen, bewährten Materialien zeigen die neuen, China-konformen Mischungen ein sehr gutes Verhalten in Wasserdampf. So erreichte, wie in Abbildung 1 dargestellt, 75 EPDM 386 nach 672 Stunden bei 160 °C ähnliche Werte wie das bewährte 75 EPDM 291 bei 180 °C. Im kürzeren Testlauf nach 168 Stunden zeigte 85 EPDM 387 sogar etwas geringere Veränderungen der mechanischen Eigenschaften. „Damit kann man von einer etwa 20 °C niedrigeren Temperaturstabilität in Wasserdampf ausgehen, was aber für die üblichen Sterilisationsbedingungen völlig ausreichend ist“, berichtet Geubert. Die Tests mit Reinigungsmitteln, die Natronlauge und Salpetersäure enthalten, sind in Abbildung 2 dargestellt. Diese zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften der beiden neuen Werkstoffe mit den bisherigen Mischungen völlig vergleichbar sind. Bei den physikalischen Tests reagierten sie sogar mit etwas niedrigeren Masse- und Volumenveränderungen; alle Änderungen blieben unter fünf Prozent. Auch im Vergleich mit einem gängigen Wettbewerbsmaterial überzeugen 75 EPDM 386 und 85 EPDM 387 (Abbildung 3): Genau wie das ebenfalls untersuchte 70 EPDM 291 zeigen sie geringere Veränderungen in ihren Eigenschaften nach Lagerung in heißem Wasserdampf. Dabei waren die Testbedingungen mit 168 Stunden und 160 °C deutlich anspruchsvoller als bei der Wettbewerbsuntersuchung mit 70 Stunden und 140 °C. Das bedeutet in Summe: Die Lebensdauer der neuen, China-konformen Dichtungen entspricht den üblichen Marktanforderungen.

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Abb. 3 Benchmark EPDM-Materialien

Die neuen, globalen Werkstoffe sind als O-Ringe und gedrehte Dichtungen beispielsweise für Ersatzteile, Prototypen und Kleinserien bereits verfügbar. Im nächsten Schritt werden die neuen Materialien zu spritzfähigen Mischungen für Formteile und Membranen in der Lebensmittelindustrie weiterentwickelt.


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