Per- und polyfluorierten Alkylver­bindungen (PFAS) sorgen weiter­hin für kontroverse Diskussionen in der Öffentlichkeit. Viele fordern vehe­ment umfangreiche Verbote der Ewig­keitschemikalien, wogegen anderen diese Vorstellung wenig gefällt. Auch die Lackindustrie wäre von Beschrän­kungen stark betroffen. Deshalb hat der Beschichter APO gemeinsam mit einem Lackhersteller einen PFAS-freien Hochleistungsgleitlack entwickelt, der aktuelle PTFE-Beschichtungen ersetzt. Besonders die Dichtungstechnik profi­tiert von der neuen Lösung.

„Viele der verfügbaren Lacke und Beschichtungssysteme enthalten in irgendeiner Form per- oder polyfluo­rierte Alkylverbindungen. Daher wären wir in der Lackier- und Beschichtungs­technik natürlich stark von einem Ver­bot betroffen“, beschreibt Antonio Pozo, Geschäftsführer der APO GmbH Mas­senkleinteilbeschichtung die Situation seiner Branche.

Wie schon vor sechs Jah­ren, als aufgrund von REACH-Vorgaben das Co-Lösemittel N-Methyl Pyrrolidon (NMP) aus Wasserbasis-Lacken verbannt wurde, stehen mit PFAS erneut wichtige Chemikalien der Lackindustrie auf dem Prüfstand. Doch da der Dienstleister stän­dig daran arbeitet, kritische Substanzen aus dem Portfolio zu streichen und durch harmlose Stoffe zu ersetzen, reagiert er auch in diesem Fall sehr schnell.

Die neue PFAS-freie Beschichtung löst zahlreiche Reibprobleme, die beim Einsatz von Elastomerdichtungen entstehen. (Quelle: APO)

Bereits nach ersten Diskussionen um die Umweltbelastungen und potenzielle Gesundheitsgefährdung, die von PFAS ausgehen, entwickelt das Unternehmen gemeinsam mit einem Lackhersteller einen PFAS-freien Gleitlack für Elastomer­dichtungen. Denn aktuelle Gleitlacke, die mit den harschen Einsatzbedingungen in Dichtungsanwendungen zurechtkom­men, enthalten in der Regel Polytetra­fluorethylen (PTFE), ein weit verbreitetes Polymer aus der Gruppe der PFAS. Es ist chemisch und thermisch hoch belastbar und besitzt hervorragende Gleiteigen­schaften. Zurecht gelten daher aus Sicht der Dichtungstechnik PTFE-Beschichtun­gen bisher als Inbegriff der Leistungs­fähigkeit. Entsprechend hoch liegt der Maßstab für eine PFAS-freie Alternative.

Hoher Anspruch an hauchdünne Schichten

Gerade im Dichtungsbereich sind funk­tionelle Beschichtungen stark bean­sprucht. Neben den mechanischen, thermischen und chemischen Belas­tungen sind es vor allem zwei Details, die einen Gleitlack besonders herausfor­dern. Zum einen lassen sich Elastomere aufgrund ihrer geringen Oberflächen­energie schlecht benetzen und selbst die besten Gleitlacke haften ohne eine professionelle Vorbehandlung nur unzu­reichend auf ihren Oberflächen. Zum anderen werden Elastomerdichtungen, wie zum Beispiel O-Ringe, bei der Mon­tage oft sehr stark gedehnt. Ein Vorgang, den auch die hauchdünnen Gleitschich­ten überstehen müssen. Daher bauten die Entwickler auf einem besonders elastischen, NMP-freien PTFE-Hoch­leistungsgleitlack auf, der bereits che­misch breit aufgestellt ist, sich sehr gut verarbeiten lässt und ausgezeichnet auf Elastomeren haftet.

Doch trotz dieser aussichtsreichen Basis blieb der Weg zu einer PFAS-freien Premiumbeschichtung anspruchsvoll. „Tatsächlich ist es nicht möglich, PTFE eins-zu-eins durch einen anderen Fest­schmierstoff zu ersetzen, ohne das kom­plette Lacksystem anzupassen“, erklärt Pozo.

Auch nach künstlicher Alterung bei 150 °C in Luft und anschließendem Aufdehnen um 100 % nimmt der neue PFAS-freie Gleitlack keinen Schaden. (Quelle: APO)

Einer der Gründe dafür liegt in der Komplexität der Gummireibung, die wesentlich von den viskoelastischen Materialeigenschaften der Elastomere beeinflusst wird. In Bezug auf Gummi verlieren klassische Reibgesetze ihre Gül­tigkeit, wogegen Anwendungsparameter, Adhäsions- und Deformationskräfte eine größere Rolle spielen. Daher bringt jeder Einsatzfall eine spezielle Reibproblematik mit sich und entsprechend anpassungs­fähig muss die Funktionsschicht sein. Folglich nahmen die Experten neben PTFE gleich mehrere Komponenten der Lackmischung ins Visier. Neben NMP und PFAS verzichteten die sie dabei auch auf silikonhaltige Zusätze. Mehrere Entwick­lungs- und Testzyklen waren nötig, um den aussichtsreichsten Gleitlack-Kan­didaten für die abschließende, äußerst umfangreiche Vergleichs- und Eignungs­studie zu ermitteln.

Neuer Gleitlack auf Herz und Nieren geprüft

Zuerst wurden Standard O-Ringe aus den wichtigsten Dichtungsmaterialien unter Serienbedingungen, also maschinell und in großen Mengen beschichtet, die Ver­arbeitbarkeit bewertet und der Verbund mit den Elastomeroberflächen geprüft. Ein besonderes Augenmerk galt dabei Silikonwerkstoffen, denn diese sind in der Regel äußerst schwer zu beschichten. Doch die Oberflächenhaftung der neuen Beschichtung übertraf selbst auf Silikon die der bisher besten Vergleichslacke. Da man Wert auf anwendungsnahe und für die Dichtungstechnik übliche Prüfbedin­gungen legte, schickte das Team die Teile nach ersten, internen Belastungsproben für weitere Analysen in ein bekanntes Elastomer Institut. Dort prüften Analy­tiker die beschichteten Teile nach rele­vanten Prüfstandards und verglichen sie mit dem Basis-Gleitlack und drei Wett­bewerbsbeschichtungen der neuesten Generation. Alle Vergleichslacke waren ebenfalls NMP-frei, enthielten jedoch PTFE.

Wie für Elastomere im Dichtungsbe­reich üblich, durchliefen die Prüflinge eine Heißluftluftalterung sowie eine Biegeprüfung in Kälte und lagerten in destilliertem Wasser, Referenzölen und Kraftstoff. Das anschließende Aufdehnen erlaubte es, die Qualität der Funktions­schichten zu beurteilen. Ausschlusskri­terien waren dabei Risse, Aufwölbungen und das Ablösen von der Oberfläche. Abschließend wurde die außendichtende Montage der O-Ringe simuliert und die maximalen Einpresskräfte protokolliert.

Ergebnis überzeugt auf ganzer Linie

Auch Pilotkunden wirkten während der Entwicklung mit und führten ihre eige­nen Studien mit beschichteten Bauteilen durch. „Bei Kunden dürfen wir natürlich selten hinter die Kulissen schauen“, stellt Pozo klar.

Doch die Ergebnisse über­zeugten selbst die größten Zweifler. Im Neuzustand lässt sich die dünne Schicht bedenkenlos um bis zu 100 % dehnen, ohne zu reißen oder von der Oberfläche abzuplatzen. Chemisch und thermisch ist sie gut gerüstet, denn selbst nach dem Einwirken der unterschiedlichen Medien übersteht sie weiterhin Dehnungen bis zu 100 % und weder hohe Temperaturen bis 200°C noch Kälte bis -40°C führen zu Schäden.

Einlagerungstests in Referenzölen, Kraftstoffen oder destilliertem
Wasser zeigen die chemische Beständigkeit der neuen Beschichtung. (Quelle: APO)

Besonders überzeugt die PFAS-freie Beschichtung jedoch in Aktion. Bei Mon­tagetest mit 3,53 mm starken O-Ringen reduziert die hauchdünne Gleitschicht die maximalen Einpresskräfte auch nach mehrfachem Einbau um bis zu 90 % und erzielte damit bessere Werte als alle Vergleichslacke. Auch bei wiederholter, hin- und hergehender Belastung bleibt die Leistung der Beschichtung konstant und sie sorgt für gleichmäßiges Gleiten der Bauteile bei geringem Kraftaufwand. Sowohl die farblos-transparente Versi­on mit UV-Indikator als auch die farbi­gen Varianten basieren auf demselben Beschichtungssystem, was von Fall zu Fall den Freigabeaufwand in Unterneh­men vereinfacht. Damit hat der neue PFAS-freie Gleitlack schon jetzt seinen Platz in der Dichtungstechnik eingenom­men. Denn sie profitiert von der neuen Lösung, unabhängig davon welche PFAS-Restriktionen die Zukunft bereithält.