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12. Juli 2021

Glimmer für Hochtemperatur-Anwendungen

Dichtungen sind vielen verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Neben dem auf die Dichtung wirkenden Druck sowie der Beanspruchung durch teilweise aggressive Medien ist vor allem auch die Temperatur eine limitierende Größe bei der Wahl des Werkstoffs. Gängige Materialien wie z.B. Grafit stoßen bei etwa 500°C an ihre Grenzen. Da viele Anwendungen und Prozesse Temperaturen >500°C fordern, sind glimmerbasierte Werkstoffe eine geeignete Alternative, denn: Glimmer zeichnet sich besonders durch seine thermische Beständigkeit aus. Die Einsatzgrenzen von Glimmer liegen, in Abhängigkeit seiner Art und Beschaffenheit, zwischen 600°C und 1.000°C. Dieser enorme Temperaturvorteil, in Kombination mit der hervorragenden chemischen Beständigkeit des Materials, macht hochwertigen Glimmer zum Hidden Champion für Hochtemperaturanwendungen.

Die Tücken der Oxidation

Als Katalysator für die Oxidationsneigung eines Werkstoffes — eine Reaktion des Feststoffes mit dem atmosphärischen Luftsauerstoff — ist neben der Konzentration des Sauerstoffs die Betriebstemperatur entscheidend. Beispielsweise zeichnen sich die weit verbreiteten Grafitwerkstoffe durch sehr gute Dichtheit und geringe Leckage aus. Allerdings setzt Oxidation, in Abhängigkeit der Materialqualität, bereits ab etwa 350°C ein. Wird Grafit längerer Zeit hohen Temperaturen in oxidierenden Medien ausgesetzt neigt das Material sehr stark zum Masseverlust. Im konkreten praktischen Anwendungsfall kann dies zur Absenkung der Flächenpressung und zum Versagen der Dichtung führen. Wie der Kurvenverlauf einer Thermo-Gravimetrischen Analyse (TGA) in Abbildung 1 zeigt, ist bei Grafitwerkstoffen der Gewichtsverlust durch Oxidation bei Temperaturen >600°C unverhältnismäßig hoch und lässt Grafit als zuverlässiges Dichtungsmaterial aus technischer Sicht ausscheiden. Ein Ausfall der Dichtung bereits nach kurzer Zeit ist nahezu unvermeidbar. Hier zeigen hochwertige Glimmerwerkstoffe bedeutende Vorteile.

Glimmer Sorten

Glimmer ist ein natürliches Mineral aus der Gruppe der Schichtsilikate. Es wird in verschiedene Sorten klassifiziert. Nur einige wenige Sorten eignen sich als Dichtungswerkstoffe. Dazu zählen u.a. spezielle Phlogopit-Glimmer. Erst bei vergleichsweise hohen Temperaturen setzt bei derartigen Materialien die sogenannte Kalzination ein. Hierbei wird dem Glimmer kristallgebundenes Wasser entzogen. Infolge dessen verändern sich die Eigenschaften des Materials. Anders als beispielsweise der als Dämm- und Isolierwerkstoff eingesetzte Muskovit-Glimmer, bei dem Kalzination bereits bei etwa 600°C einsetzt, bleibt Phlogopit-Glimmer bis zu einer Temperatur von ca. 1.000°C stabil.

Bis 1.000°C — Phlogopit-Glimmer ist unschlagbar

Phlogopit-Glimmer ist äußerst resistent gegen thermisch bedingten Volumen- bzw. Gewichtsverlust und die kritische Kalzination setzt erst bei Temperaturen jenseits von 1.000°C ein. Für eine Vielzahl von Dichtungswerkstoffen werden veredelte Phlogopit-Glimmerpapiere (z.B. UniTherm) verwendet. Der möglichst geringe Anteil an Bindern, wie z.B. Silikonharzen oder Imprägnierungen begünstigt die Elastizität der Dichtung und reduziert die Leckage durch das Schließen der Diffusions-/Permeationswege.

Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse der Thermo-Gravimetrischen Analyse eines hochwertigen Phlogopit-Glimmer Produkts (UniTherm) in Abhängigkeit der Temperatur im Vergleich zu einem Glimmeräquivalent wie z.B. chemisch und thermisch expandiertes Vermiculit.

Der Masseverlust des Phlogopit-Materials beträgt bis zu einer Temperatur von 1.000°C weniger als 5% und ist im kritischen Temperaturbereich lediglich halb so groß wie der Masseverlust des Vergleichsmaterials. Ursache hierfür ist häufig der unter erhöhter Temperatur verdunstende Anteil der Bindemittel, die zur Herstellung von Plattenmaterialien für die Dichtungsindustrie notwendig sind. Die üblichen Ermittlungsverfahren von Leckage-Kennwerten bei Raum- oder Umgebungstemperatur suggerieren für Materialien mit einem hohen Binderanteil zunächst eine gute Dichtheit. Bei Anwendungen im Hochtemperaturbereich, zeigt sich jedoch ein anderes Bild. Bei Temperaturen >600°C sind Phlogopit-Glimmer und das oben genannte expandierte Vermiculit technisch gleichwertig. Unter Berücksichtigung von Kostenaspekten und Wirtschaftlichkeit, ist dem Phlogopit-Glimmer jedoch der klare Vortritt zu geben.

Abbildung 1: Thermo-Gravimetrische Analyse

Bei 800°C — Auf den Zahn gefühlt

Grundlage für die Leckagemmessung waren Spiraldichtungen mit unterschiedlichen Füllstoffen: Phlogopit-Glimmer (SD UniTherm), expandiertes Vermiculit (SD expandiertes Vermiculit), Reingrafit (SD Grafit). Die nachfolgenden Diagramme zeigen die Leckageergebnisse der Versuchsreihe in Anlehnung an EN 13555 in Abhängigkeit der Flächenpressung. Der Versuchsaufbau: Prüfdruck 16 bar, Prüfmedium Helium, Raumtemperatur (Abbildung 2), Prüftemperatur 800°C (Abbildung 3).

Betrachtet man ausschließlich die Verläufe der Hochtemperaturmaterialien, sind die Graphen bei einer thermischen Belastung von 800°C nahezu identisch. Ab einer Flächenpressung von etwa 45 MPa zeigt die Dichtung mit Phlogopit-Glimmer im Vergleich zu den anderen Prüflingen verbesserte Leckagewerte. Deutlich wird aber auch, dass unter derartiger Temperaturbelastung die Einhaltung eventuell geforderter spezifischer Leckageraten, z.B. L0.01 nach VDI 2290, in weite Ferne rücken.

Entgegen den Erwartungen lag die Leckrate der Grafit-Spiraldichtung bei der Hochtemperaturprüfung deutlich unter der der anderen Prüflinge. Allerdings zeigen sich bereits nach sehr kurzer Zeit (24 h/60 MPa) enorme Ausfallserscheinungen, bis hin zum kompletten Kollabieren der Dichtung. Infolgedessen konnte für den Grafit kein verwertbarer Leckage-Messwert bestimmt werden.

Dichtheitsmessung bei Raumtemperatur trügerisch

Mit dem Ziel, das Ausfallrisiko von Dichtungen bei Hochtemperaturanwendungen zu verringern, wird bei UniTherm das verdunstende Bindemittel bewusst gering gehalten. Im Vergleich zu Produkten mit hohem Bindemittelanteil zeigen diese Produkte bei der Überprüfung der Dichtheit bei Raumtemperatur dadurch schlechtere Leckagewerte. Aus technischer Sicht müssen die unter Raum- oder Umgebungstemperatur ermittelten Leckagekennwerte jedoch kritisch betrachtet und hinterfragt werden. Rückschlüsse auf die bei der praktischen Anwendung vorliegenden hohen Temperaturen sind dadurch nämlich nicht möglich.

Abbildung 2: Leckagevergleich Raumtemperatur (Prüfdruck 16 bar, Medium He)
Abbildung 3: Leckagevergleich Prüftemperatur 800°C (Prüfdruck 16 bar, Medium He)

Fazit

Wenn es darum geht eine Dichtungsauswahl für Temperaturen bis maximal 500°C zu treffen bieten Produkte aus Grafit aufgrund niedriger Leckagewerte und sehr guter chemischer und physikalischer Beständigkeit des Materials wesentliche Vorteile. Erfordert die Anwendung eine dauerhafte Temperaturbeständigkeit von mehr als 500°C bieten Glimmer-Werkstoffe deutlich mehr Sicherheit in Bezug auf die thermische Stabilität. Speziell Phlogopit-Glimmer-Produkte zeichnen sich durch überragende Verlässlichkeit bei Dauerbelastungen von bis zu 1.000°C aus. Zusätzlich sollte der mengenmäßige Bindemittelanteil bedacht werden. Je geringer der Bindemittelanteil desto besser ist die Performanz der Dichtung, weil das Setzen der Dichtung und der damit einhergehende Verlust von Flächenpressung unter starker Temperaturbelastung reduziert wird. Hochwertige aber häufig fehlinterpretierte Phlogopit-Glimmer sind damit der Hidden Champion bei Hochtemperaturanwendungen.