Polyurethan erweist sich als ideal für Windkraftabdichtungen

Von WPED-Mitwirkender | 16. Oktober 2020

Von Kurt Sassmannshausen, Produktentwicklungsleiter, System Seals

Während Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) seit Jahrzehnten ein Grundbestandteil von Dichtungen für Windkraftanlagen ist, verdrängen Fortschritte bei Polyurethanformeln, Verarbeitung und Dichtungsdesign die Stellung von NBR in der Branche schnell. Zu den vorteilhaftesten Eigenschaften zählen Abriebfestigkeit, Flüssigkeitsverträglichkeit, Ozonbeständigkeit, mechanische Festigkeit und die Fähigkeit, alle diese Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen beizubehalten.

Polyurethan hat sich als ideales Material für Dichtungen in Haupt-/Generator-, Pitch- und Azimutlagern erwiesen. Dennoch reicht es oft nicht aus, Materialien bei bestehenden Designs einfach auszutauschen. Die Dichtungen müssen unter Berücksichtigung von Polyurethan entwickelt werden.

Eine Möglichkeit zur Bewertung der Abriebfestigkeit von Polyurethan ist der standardisierte Trommelabriebtest, wie z. B. ASTM D5963. Dies ist häufig der Bewertung von Kautschuken vorbehalten, eignet sich aber auch für Polyurethane, insbesondere beim Vergleich der Verschleißraten. Nachfolgend sind die Abriebfestigkeitsindexwerte für verschiedene Materialien aufgeführt, die bei System Seals in Cleveland getestet wurden. Beachten Sie, dass NBR und HNBR einen ARI von etwa 1,5 aufweisen, während Polyurethan einen ARI von 4 bis 8 aufweist. Dies ist eine Verbesserung um das bis zu Sechsfache.

Abbildung 1: ARI von Elastomeren und Polyurethan

Polyurethan behält seinen ARI-Wert über die Zeit und nach Einwirkung einer Vielzahl von Flüssigkeiten, insbesondere Flüssigkeiten auf Ölbasis, bei. Eine Möglichkeit, dies festzustellen, besteht darin, ASTM D5963-Abriebproben in Flüssigkeiten 90 Tage lang bei 100 °C (80 °C für Flüssigkeiten auf Wasserbasis) altern zu lassen und den Test alle 30 Tage zu wiederholen. Nachfolgend finden Sie typische Ergebnisse, eine Bestätigung für jede Flüssigkeit wird jedoch empfohlen.

Abbildung 2: ARI-Retention von NBR und hydrolysebeständigem PU nach Alterung in destilliertem Wasser bei 80 °C

Abbildung 3: ARI-Retention von NBR und hydrolysebeständigem PU nach Alterung in destilliertem Mineralöl bei 100 °C

Während in den Datenblättern die Flüssigkeitskompatibilität sofort angegeben ist, sollten beschleunigte Alterungstests – oder jahrelange Anwendungslaufzeiten – die langfristige Leistung und Stabilität eines Materials bestimmen, das einer bestimmten Flüssigkeit ausgesetzt ist. System Seals führt 90-tägige Flüssigkeitskompatibilitätstests durch, im Gegensatz zu den branchenüblichen 168-Stunden-Tests, da System Seals auch nach 168 Stunden Flüssigkeitskontakt immer wieder signifikante Veränderungen der kritischen Materialeigenschaften festgestellt hat.

Im Vergleich zu NBR weisen speziell formulierte Polyurethane eine verbesserte Flüssigkeitsbeständigkeit mit den gängigsten Fetten in der Windindustrie auf. Nachfolgend finden Sie eine Kompatibilitätstabelle für diese beliebten Fette.

Abbildung 4: Alterungswerte im Fett; weniger ist besser

NBR ist bekanntermaßen anfällig für Ozonolyse – wenn Ozonmoleküle die chemischen Bindungen im ungesättigten NBR trennen. Ozonrisse treten häufig auf, wenn NBR auch nur minimalen Belastungen ausgesetzt ist. Eine Lösung besteht darin, NBR mit Wachsen zu versehen, die eine Anti-Ozon-Barriere bilden, die das NBR schützt. Leider verändern Wachse die chemische Bindung von NBR nicht. Wenn NBR Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird, die das Wachs entfernen, wird es erneut anfällig für eine Zersetzung. Einige Spezialpolyurethane, die in Windenergiedichtungen verwendet werden, sind von Natur aus ozonbeständig.

Polyurethan hat einen Zugmodul, eine Festigkeit und eine Dehnung, die zwei- bis dreimal höher sind als die der meisten NBRs. Aus diesem Grund sind Polyurethan-Dichtungen in der Lage, größeren mechanischen Verformungen standzuhalten und höheren mechanischen Belastungen standzuhalten.

Ein typisches NBR hat einen Zugmodul von 10–15 MPa und eine Zugfestigkeit von 20 MPa. Die meisten Polyurethane haben einen Modul von 45–60 MPa und eine Zugfestigkeit von 50–60 MPa. Dies führt zu einem steiferen Material, das weniger nachgiebig ist als NBR, was eine bessere Formbeständigkeit unter Druck und eine höhere Belastbarkeit bedeutet.

Hohe Temperaturen sind bei Windanwendungen normalerweise kein Problem. Allerdings sind je nach Standort und Höhenlage Tiefsttemperaturen von -40 °C keine Seltenheit. Eine minimale Betriebstemperatur für Standard-NBR könnte -20 °C betragen, während viele Polyurethane für die Windkraft bis zu -40 °C unbeeinträchtigt bleiben, wie durch dynamisch-mechanische Analyse ermittelt wurde.

Abbildung 5: Vergleich der Glasübergangstemperatur (Tg) zur Bestimmung der minimalen Betriebstemperatur

Abbildung 6: Radardiagramm normalisierter Eigenschaftswerte, höher ist wünschenswert

Polyurethan ist eine natürliche Wahl für Windenergiedichtungen, da es bessere mechanische Eigenschaften, eine bessere Ozonbeständigkeit, geringere Verschleißraten und niedrigere Betriebstemperaturen aufweist. Nachfolgend sind zwei Anwendungsfamilien aufgeführt, für die sich Polyurethan gut eignet. Das linke Bild zeigt simulierte Verformungs- und Kontaktmerkmale einer Pitchlagerdichtung aus Polyurethan. Das rechte Bild zeigt die Vortex-Dichtung von System Seals, eine Hauptlagerdichtung, die bei der Lagerdrehung kontinuierlich Fett zurück in den Behälter pumpt.

Abbildung 7: Pitch-Dichtung FEA (links) und Vortex-Hauptlagersee (rechts)