Dimethicone 1000 cSt bezeichnet eine Viskositätsklasse für Silikonflüssigkeiten, die üblicherweise bei 25 °C angegeben wird. Daraus lassen sich weder eine Dämpfkraft noch eine Schließzeit oder ein Drehwiderstand ableiten. Diese Größen hängen von der dynamischen Viskosität der Flüssigkeit bei Betriebstemperatur, der Geometrie des Dämpfungsmechanismus und der Bewegungsgeschwindigkeit ab. Eine aussagekräftige Spezifikation verknüpft die Viskositätsklasse daher unter definierten Bedingungen mit einer gemessenen Kraft-Geschwindigkeits- oder Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.

Zunächst ist zwischen der kinematischen Viskosität, angegeben in Centistokes, und der dynamischen Viskosität zu unterscheiden, die in den meisten Dämpfungsberechnungen verwendet wird. Außerdem muss zwischen einer unter kontrollierten Bedingungen gemessenen Fluideigenschaft und dem Verhalten einer befüllten Baugruppe unterschieden werden. Werden diese Größen verwechselt, kann ein Bauteil bei einem Versuch bei Raumtemperatur den richtigen Eindruck machen, beim Anfahren jedoch zu langsam laufen oder nach wiederholtem Betrieb an Widerstand verlieren.

Was die Angabe 1000 cSt tatsächlich aussagt

Die kinematische Viskosität beschreibt das Verhältnis zwischen dynamischer Viskosität und Dichte. Ein Centistoke entspricht einem Quadratmillimeter pro Sekunde, sodass 1000 cSt 1000 mm²/s entsprechen. Ohne Angabe der Messtemperatur ist der Wert unvollständig: Ein bei 25 °C angegebener Wert lässt sich nicht direkt mit einem bei 40 °C angegebenen Wert vergleichen.

Für viele mechanische Berechnungen ist folgende Umrechnung erforderlich:

Dynamische Viskosität = kinematische Viskosität × Dichte

Bei einer kinematischen Viskosität in cSt und einer Dichte in g/cm³ ergibt sich die dynamische Viskosität in mPa·s. Als Beispiel hat eine Flüssigkeit mit einer kinematischen Viskosität von 1000 cSt und einer Dichte von 0,97 g/cm³ bei gleicher Temperatur eine dynamische Viskosität von 970 mPa·s beziehungsweise 0,97 Pa·s. Die Dichte in diesem Beispiel ist eine Annahme und keine Spezifikation, die für jede Dimethicone-Viskositätsklasse gilt.

Auch für „1000 cSt“ muss eine Toleranz angegeben werden. Die nominale Klassenbezeichnung gibt weder den zulässigen Chargenbereich noch Aufschluss darüber, ob es sich um einen typischen Wert handelt oder ob jede Charge geprüft wird. Ein technisches Datenblatt und ein Analysezertifikat erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Das Datenblatt beschreibt die Klasse, während das Zertifikat chargenspezifische Ergebnisse aufführt, sofern eine Prüfung vorgesehen ist.

Dimethicone bezeichnet im Allgemeinen Polydimethylsiloxan oder PDMS. Allein eine übereinstimmende Viskositätsangabe belegt nicht, dass Molekulargewichtsverteilung, Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, Additive oder Eignung für einen bestimmten Dämpfungsmechanismus identisch sind.

Wie Viskosität Bewegungswiderstand erzeugt

In einem einfachen Scherspalt entsteht der Flüssigkeitswiderstand, wenn sich eine Oberfläche relativ zu einer anderen bewegt. Für eine laminare Strömung einer Newtonschen Flüssigkeit bei gleichmäßigem Spalt und vernachlässigbaren Randeffekten ist folgende Näherung geeignet:

F = μAv/h

Dabei steht F für die Widerstandskraft, μ für die dynamische Viskosität, A für die Scherfläche, v für die Relativgeschwindigkeit der Oberflächen und h für die Dicke des Flüssigkeitsfilms. Dieser Zusammenhang erklärt, warum sich die Dämpfung nicht allein anhand eines Viskositätswerts vorhersagen lässt. Eine größere benetzte Fläche erhöht die Kraft; ein größerer Spalt verringert sie. Eine Änderung der Abmessungen kann eine Änderung der Flüssigkeitsklasse ausgleichen.

Unter diesen Annahmen verdoppelt sich beispielsweise bei gleichbleibender Geschwindigkeit die Widerstandskraft, wenn sich die dynamische Viskosität verdoppelt. Eine Halbierung des Spalts verdoppelt die Kraft ebenfalls. Dabei handelt es sich um Zusammenhänge des Modells und nicht um garantierte Ergebnisse für einen vollständigen Dämpfer, bei dem Leckage, Dichtungen, druckgetriebene Strömung und eine veränderliche Geometrie weitere Widerstände verursachen.

Ein Drehdämpfer beruht auf demselben physikalischen Prinzip, die lokale Oberflächengeschwindigkeit nimmt jedoch mit dem Radius zu. Das Drehmoment hängt daher neben Viskosität und Spalt auch von der radialen Verteilung der Arbeitsflächen ab. Zwei Baugruppen, die dasselbe Flüssigkeitsvolumen enthalten, können ein erheblich unterschiedliches Drehmoment entwickeln, wenn sich dieses Volumen in unterschiedlich geformten Arbeitsräumen befindet.

Druckgetriebene Drosselstellen verhalten sich anders als einfache Scherspalte. Bei laminarer Strömung durch einen engen Kanal können bereits kleine Maßänderungen große Änderungen des Druckabfalls verursachen. Werden Trägheit, Eintrittsverluste oder Turbulenzen relevant, steigt der Widerstand nicht mehr direkt proportional zur Viskosität. Eine dickflüssigere Flüssigkeit als Ausgleich für eine nicht kontrollierte Kanalabmessung auszuwählen, kann daher zu uneinheitlichen Ergebnissen zwischen Baugruppen führen.

Die Temperatur verändert die Viskositätsklasse im Betrieb

Silikonflüssigkeiten weisen im Allgemeinen eine geringere Viskositätsänderung mit der Temperatur auf als viele herkömmliche Mineralöle. Ihre Viskosität sinkt jedoch ebenfalls mit steigender Temperatur. Für die Auslegung ist die Viskosität im gesamten tatsächlichen Betriebsbereich maßgeblich, einschließlich des Kaltstarts und der Temperatur, die bei wiederholten Bewegungen erreicht wird.

Eine einzelne Messung bei Raumtemperatur reicht nicht aus, um diesen Bereich festzulegen. Viskositäts-Temperatur-Daten der konkreten Klasse sind aussagekräftiger als eine allgemeine Aussage zur thermischen Stabilität. Chemische Stabilität, Viskositätserhalt bei Alterung und die unmittelbare Reaktion der Viskosität auf Temperatur sind unterschiedliche Eigenschaften.

Bei einer linearen Bewegung entspricht die durch die Dämpfung dissipierte mechanische Leistung näherungsweise dem Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit. Bei einer Drehbewegung entspricht sie dem Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit. Diese Energie wird in Wärme umgewandelt. Daher können ein kurzer Laborhub und ein Dauertest mit wiederholten Bewegungen unterschiedliche Widerstände ergeben, selbst wenn sie bei derselben Umgebungstemperatur beginnen.

Bei der Temperaturkonditionierung muss auch die Flüssigkeit im Bauteil berücksichtigt werden. Wenn die Luft in der Klimakammer den Sollwert erreicht hat, ist damit nicht nachgewiesen, dass die interne Flüssigkeit das Temperaturgleichgewicht erreicht hat – insbesondere nicht bei einem großen Gehäuse oder einer Baugruppe mit wärmedämmenden Teilen.

Wenn der gemessene Widerstand nicht mehr der Viskosität folgt

Eine Newtonsche Näherung ist bei nicht modifizierten PDMS-Flüssigkeiten unter moderaten Betriebsbedingungen häufig hilfreich. Sie sollte dennoch über den relevanten Scherratenbereich überprüft werden. In einem einfachen Spalt entspricht die Scherrate näherungsweise der Oberflächengeschwindigkeit geteilt durch die Spaltweite. Daher kann eine moderate Bewegungsgeschwindigkeit bei sehr kleinem Spalt eine deutlich höhere Scherrate erzeugen als eine scheinbar schnelle Bewegung in einem offenen Behälter.

Enthält das Material Füllstoffe, Verdickungsmittel oder andere Modifikatoren, ist ein einzelner Viskositätswert weniger aussagekräftig. Bei scherratenabhängigem Verhalten sind eine Fließkurve und ein festgelegtes Messverfahren erforderlich. Auch eine übermäßige Scher- oder Temperaturbelastung kann das Verhalten verändern. Eine unbegrenzte Extrapolation aus einer Viskositätsmessung bei niedriger Scherrate ist daher nicht zuverlässig.

Die Reibung der Dichtung ist ein weiterer zu unterscheidender Faktor. Eine hohe Losbrechkraft, auf die ein geringerer Bewegungswiderstand folgt, deutet häufig auf Haftreibung oder ein Anhaften der Dichtung hin. Eine höhere Flüssigkeitsviskosität erhöht zwar den viskosen Anteil, behebt aber nicht notwendigerweise das anfängliche Festkleben. Messungen des Widerstands bei mehreren Geschwindigkeiten helfen, diese Effekte zu trennen: Ein weitgehend geschwindigkeitsunabhängiger Anteil deutet auf Reibung hin, während ein zunehmender Anteil mit viskoser Dämpfung vereinbar ist.

Luft zeigt ein anderes Verhalten. Eingeschlossene Blasen erhöhen die Kompressibilität und führen zu verzögertem Widerstand, federartiger Bewegung oder einem unregelmäßigen Verhalten nach einer Richtungsänderung. Eine eingeschränkte Nachfüllung kann bei schneller Bewegung außerdem lokale Kavitation verursachen. In solchen Fällen müssen Befüllung, Entlüftung, Druck und Strömungsweg berücksichtigt werden; eine bloße Änderung der Viskosität identifiziert die Ursache nicht.

Die Kompatibilität entscheidet über die Stabilität der Dämpfung

Die Flüssigkeit muss mit Dichtungen, Kunststoffen, Beschichtungen, Klebstoffen und eventuell verbliebenen Verarbeitungshilfsstoffen kompatibel sein. Tabellen zur chemischen Beständigkeit sind für eine Vorauswahl hilfreich. Ob eine bestimmte Kombination ihre Abmessungen, mechanische Festigkeit und Dichtwirkung unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen beibehält, lässt sich jedoch nur durch Prüfungen an der Baugruppe feststellen.

Silikonelastomere erfordern besondere Aufmerksamkeit, da manche Silikonflüssigkeiten sie zum Quellen bringen können. Die Kompatibilität hängt außerdem von der Elastomerrezeptur, dem Vernetzungssystem, der Temperatur und der Einwirkdauer ab. Eine allgemeine Werkstoffbezeichnung reicht nicht als Nachweis für eine geeignete Dichtungskombination aus.

Aufgrund ihrer geringen Oberflächenspannung breiten sich Silikonflüssigkeiten in kleinen Spalten und über Oberflächen aus. Eine Flüssigkeit, die bei einem kurzen Versuch ausreichend eingeschlossen scheint, kann während längerer Lagerung oder wiederholter Temperaturwechsel wandern. Ölspuren an einer Wellen- oder Gehäuseverbindung sollten Anlass sein, neben der Viskosität auch den Dichtungsweg und die Druckverhältnisse zu untersuchen.

Bei der Bewertung von Alternativen oder Verunreinigungen ist die chemische Identität entscheidend.2-Ethyl-1,3-hexanediol CAS#94-96-2 ist ein organisches Diol, das unter anderem in der chemischen Synthese und Extraktion eingesetzt wird; chemisch unterscheidet es sich von PDMS. Dichte, Erscheinungsbild der Flüssigkeit oder Siedebereich belegen weder ein gleichwertiges Dämpfungsverhalten noch die Kompatibilität mit einer mit Silikonflüssigkeit gefüllten Baugruppe. Ein Austausch erfordert anwendungsspezifische Nachweise.

Messungen, die einen aussagekräftigen Vergleich von Viskositätsklassen ermöglichen

Bei einem Viskositätswert sollten Messverfahren, Temperatur, Einheiten und zulässiger Bereich angegeben sein. Bei kalibrierten Kapillarmessungen wird die kinematische Viskosität anhand des Strömungsverhaltens unter kontrollierten Bedingungen bestimmt. Rotationsmessungen ermitteln die Viskosität aus dem Verhältnis zwischen der eingeleiteten Bewegung und dem entgegenwirkenden Drehmoment. Für zuverlässige Ergebnisse sind geeignete Geräte, eine Temperaturregelung und auf die Flüssigkeit abgestimmte Verfahren erforderlich. Werte aus unterschiedlichen Verfahren dürfen ohne Berücksichtigung ihrer Messbedingungen nicht als austauschbar behandelt werden.

Bei temperaturabhängigen Vergleichen muss der Probe genügend Zeit eingeräumt werden, um das thermische Gleichgewicht zu erreichen. Blasen, Verunreinigungen und die Vorgeschichte der Probenhandhabung können Unterschiede hervorrufen, die fälschlicherweise der nominalen Klasse zugeschrieben werden. Eine aufbewahrte Referenzprobe hilft dabei, eine Materialänderung von einer Messwertdrift zu unterscheiden.

Anschließend sollte die Prüfung der Baugruppe die Laboreigenschaft mit der vorgesehenen Bewegung verknüpfen:

1. Das Verhalten mechanisch definieren: Widerstandsdrehmoment bei festgelegten Drehzahlen, Kraft bei festgelegten linearen Geschwindigkeiten oder Bewegungszeit unter einer kontrollierten Last.
2. Eine reproduzierbare Befüllung festlegen. Flüssigkeitsmenge, Gasraum, Blasenentfernung und Einbaulage beeinflussen das Ergebnis, besonders wenn Strömungskanäle untergetaucht bleiben müssen.
3. Über den erforderlichen Temperatur- und Geschwindigkeitsbereich messen. Wenn beides im Betrieb auftritt, auch das Anfahrverhalten und den Dauerbetrieb mit wiederholten Bewegungen einbeziehen.
4. Nach den relevanten Belastungszyklen und der vorgesehenen Lagerung die Referenzmessung wiederholen und auf Flüssigkeitsverlust oder Veränderungen der Kontaktwerkstoffe prüfen.

Die Bewegungszeit allein kann die Ursache einer Änderung verschleiern. Ein federgetriebener Mechanismus kombiniert beispielsweise Federmoment, Reibung und Flüssigkeitswiderstand. Eine längere Schließzeit kann auf eine höhere Viskosität, ein geringeres Antriebsmoment oder eine stärkere Dichtungsreibung zurückzuführen sein. Werden neben der Bewegung auch Drehmoment oder Kraft erfasst, lässt sich der Vergleich besser interpretieren.

Entscheidung zwischen einer Änderung der Viskosität und der Geometrie

Eine höhere Viskositätsklasse ist eine sinnvolle Entwicklungsvariable, wenn der Widerstand über den gesamten erforderlichen Betriebsbereich gleichmäßig zu niedrig ist und der Mechanismus weiterhin überwiegend durch viskose Strömung bestimmt wird. Beim Vergleich sollte die dynamische Viskosität bei jeder Betriebstemperatur herangezogen werden und nicht nur der nominale cSt-Wert bei der Referenztemperatur.

Ist der Kaltwiderstand bereits zu hoch, während der Warmwiderstand nicht ausreicht, würde eine Erhöhung der Referenzviskosität den Kaltzustand verschlechtern. In diesem Fall sollten die Viskositäts-Temperatur-Kurve der Flüssigkeit und das Temperaturverhalten des Mechanismus untersucht werden. Ist nur die anfängliche Bewegung zu stark gehemmt, ist die Dichtungsreibung ein naheliegender Ansatzpunkt. Weichen nominell identische Baugruppen stark voneinander ab, sollten Spaltmaß, Befüllung und Leckage geprüft werden, bevor eine andere Klasse ausgewählt wird.

Eine belastbare Spezifikation für Dimethicone 1000 cSt verbindet daher einen festgelegten Annahmebereich für die Flüssigkeit mit einer Leistungsanforderung für die Baugruppe. Zeichnung und Prüfverfahren sollten die relevante Geometrie, Befüllung, Temperatur, Bewegung und zulässigen Widerstand festlegen. So lassen sich Änderungen der Flüssigkeitscharge oder der Bauteilabmessungen anhand derselben funktionalen Anforderung messen.