Aus Welchem Material Besteht Eine Membran Für Einen Felsbohr-Akkumulator? Erklärung Von NBR, HNBR Und Polyurethan

Jeder hydraulische Felsbohr-Akkumulator benötigt eine membran membran, um seine Stickstoffgasladung vom hydraulischen Ölkreislauf zu trennen; diese Membran wird aus einem bestimmten Elastomer oder thermoplastischen Kunststoff hergestellt. Die Materialwahl ist keine zufällige Entscheidung: Sie bestimmt, wie die Membran Wärme, Öl, abrasive Verunreinigungen sowie die extrem hohe Biegefrequenz bewältigt, der das Bauteil im Normalbetrieb ausgesetzt ist. Dieser Artikel untersucht die am häufigsten für Felsbohr-Akkumulatormembranen verwendeten Materialien, ihre Unterschiede und welche Auswirkungen dies auf das erwartete Verhalten des Bauteils im Einsatz hat. membranen membranen, wie sie sich unterscheiden und was dies für das erwartete Verhalten des Bauteils im Einsatz bedeutet.

Woraus besteht eine Membran für einen Bohrhammer-Akkumulator?

In der aktuellen Produktion besteht eine Membran für einen Bohrhammer-Akkumulator nahezu immer aus einem geformten synthetischen Elastomer, meist Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) oder hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) bzw. aus gegossenem oder geformtem Polyurethan (PU). Einige Ersatzteilkataloge bezeichnen diese Komponente noch immer als „Lederbecher“, ein Begriff, der sich von früheren Membran- und Becherdichtungskonstruktionen ableitet; trotz dieser Bezeichnung bestehen die heute verkauften und eingebauten Teile nicht aus Leder. Andere in Hersteller- und Regionalkreisen verwendete Bezeichnungen lauten „Membran“, „Folie“ und „Gasabscheider“ – alle beziehen sich auf dasselbe funktionale Bauteil: eine flexible Trennwand zwischen der Stickstoffkammer und der Ölkammer im Inneren des Akkumulatorgehäuses.

Warum ist das Membranmaterial für einen Bohrhammer entscheidend?

Innerhalb eines Bohrgeräte-Akkumulators befindet sich die Membran in einer der anspruchsvollsten Betriebsumgebungen, die in einem hydraulischen Kreislauf vorkommen. Sie steht ständig auf der einen Seite mit Hydrauliköl und auf der anderen Seite mit unter Druck stehendem Stickstoff in Kontakt, ist der Betriebstemperatur des Öls ausgesetzt (die deutlich über der Umgebungstemperatur liegt, sobald das Bohrgerät in Betrieb ist) und durchläuft bei jeder Umkehr des Schlagkolbens einen vollständigen Kompressions- und Entspannungszyklus – dies geschieht mit hoher Frequenz solange das Bohrgerät genutzt wird.

Ein Material, das diesen Anforderungen nicht genügt, zeigt dies auf vorhersehbare Weise: Aufquellen oder Erweichen bei unzureichender Beständigkeit gegenüber dem Hydrauliköl, Verhärten und Rissbildung bei Unverträglichkeit mit der Betriebstemperatur des Öls oder Ermüdungsrisse, die deutlich früher auftreten als bei anderen Komponenten des Bohrgeräts, falls die Werkstoffmischung wiederholtem Biegen nicht standhält. Daher gilt die Auswahl des Membranmaterials als eigenständige ingenieurtechnische Entscheidung und nicht als nachträgliche Überlegung zur geometrischen Form des Bauteils.

Der wärmebedingte Teil dieses Phänomens hat eine gut dokumentierte chemische Ursache. Gummiforscher beschreiben die thermisch-oxidative Alterung als eine sich selbst beschleunigende, radikalische Kettenreaktion: Zunächst löst Wärme ein Wasserstoffatom vom molekularen Gerüst des Gummis ab und erzeugt dadurch ein reaktives Radikal; dieses Radikal reagiert mit gelöstem Sauerstoff zu einem Peroxyradikal, das dann ein Wasserstoffatom von einer benachbarten Kette abzieht und dabei ein Hydroperoxid sowie ein neues Radikal bildet – wodurch der Zyklus fortgesetzt wird. Je nach spezifischem Polymer begünstigt diese Kettenreaktion entweder zusätzliche Vernetzung (was den Gummi versteift und Risse verursachen kann) oder Kettenbruch (was ihn weicher macht und seine Festigkeit verringert). Der praktische Schluss ist in beiden Fällen derselbe: Langfristige Einwirkung von Wärme und Sauerstoff verändert das mechanische Verhalten einer Membranmischung unabhängig von einem einzelnen Überlastungsereignis – ein Grund dafür, dass die tatsächliche Lebensdauer einer Membran nicht nur von dem maximalen Druck, sondern vor allem von der dauerhaften Betriebstemperatur abhängt.

Foto 1: Quer ‑schnittstellenstrukturschema der Membran ‑typ Speicher

Was ist NBR und warum ist es das Standard-Membranmaterial?

NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) ist ein Copolymer aus Acrylnitril und Butadien und war jahrzehntelang der allgemein verwendete Elastomerwerkstoff der Wahl für Hydraulikdichtungen auf Mineralöl-Basis, darunter auch Membranen für Akkumulatoren von Bohrgeräten. Der Acrylnitrilanteil verleiht ihm eine hohe Beständigkeit gegenüber mineralölbasierten Hydraulikölen ohne nennenswertes Quellen; zudem weist es eine vergleichsweise geringe Durchlässigkeit für Stickstoffgas auf, wodurch ein Akkumulator seine Vorspannung über einen längeren Zeitraum zwischen den Kontrollen halten kann.

NBR-Compounds sind typischerweise für einen kontinuierlichen Einsatzbereich von etwa –30 °C bis etwa 100–120 °C zugelassen, wobei die genauen Werte von der spezifischen Compoundzusammensetzung des Herstellers abhängen. Da NBR eine solide Ölbeständigkeit mit moderaten Kosten kombiniert, bleibt es die Standardvorgabe für viele Membranen von Bohrgeräten und hydraulischen Brechern.

Die mechanische Robustheit von NBR unter realen Betriebsbedingungen ist nicht nur eine Herstellerangabe; sie ist zudem genau das Verhalten, das mittels finitelementbasierter Dichtungsuntersuchungen überprüft wird. Eine kürzlich durchgeführte Studie zu NBR O-Ring dichtungen unter Hochdruckbedingungen modellierte beispielsweise die Kontaktspannung in Abhängigkeit vom Mediendruck und stellte fest, dass sie proportional zum Druck anstieg, jedoch im gesamten untersuchten Bereich stets oberhalb desselben blieb – dies ist die grundlegende Voraussetzung, die ein Gummiring erfüllen muss, um dicht zu halten statt zu lecken. Eine Membran weist eine andere Form und Funktion als ein O-Ring auf; das zugrundeliegende Werkstoffverhalten beruht jedoch auf derselben Gummitechnologie, und dies ist ein weiterer Grund dafür, dass NBR allgemein die etablierte Wahl für anspruchsvolle hydraulische Komponenten geblieben ist.

Foto 2: Physikalisches Muster einer geformten NBR-Gummi-Akkumulatormembran

Was ist HNBR und wie unterscheidet es sich von Standard-NBR?

HNBR wird durch Hydrierung von NBR hergestellt, ein Prozess, bei dem die meisten reaktiven Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen im Polymergerüst entfernt werden. Dieser Aspekt steht in direktem Zusammenhang mit der oben beschriebenen Alterungschemie: Diese Doppelbindungen sind die Hauptreaktionsstellen, an denen die Kettenreaktion aus Hitze und Sauerstoff beginnt; ihre weitgehende Entfernung reduziert daher die Anfälligkeit erheblich. Der praktische Effekt ist ein Werkstoff, der die grundlegende Festigkeit und Ölfestigkeit von NBR bewahrt, gleichzeitig aber deutlich bessere Beständigkeit gegenüber Hitze und Langzeitalterung sowie eine höhere Zug- und Reißfestigkeit aufweist.

Während die Dauerhöhe der Standard-NBR im Bereich von 100-120 °C liegt, werden HNBR-Verbindungen üblicherweise bei etwa 150 °C bewertet, wobei sie die Flexibilität bei kalter Temperatur nicht weit hinter den NBR behalten. Diese Kombination macht HNBR zu einer gängigen Optimierung für Steingräber, die heiß laufen, lange Arbeitszyklen haben oder in Klimazonen mit einem großen Temperaturschwingen zwischen Kaltstart und einem vollständig aufgewärmten Hydrauliksystem arbeiten. Der Kompromiss liegt in den Kosten: HNBR-Verbindungen sind teurer zu produzieren als Standard-NBR.

hNBR ist auch kein einziges festes Rezept. Untersuchungen, die mehrere kommerzielle HNBR-Grads vergleichen, haben zwei Formulierungsvariablen mit tatsächlichen Leistungsunterschieden in Verbindung gebracht: Eine höhere Mooney-Viskosität (ein Maß für das molekulare Gewicht) erhöht im Allgemeinen die Verknüpfungsdichte und Die gleiche Forschungsgruppe fand heraus, dass zu einem sehr hohen Grad, etwa 99%, hydrierte Sorten die beste Widerstandsfähigkeit gegen Hitzealterung und die beste Aufrechterhaltung des Kompressionssats und die beste Zugfestigkeit nach längerer Exposition bei 120 °C aufwiesen. Die praktische Implikation ist, dass

Was ist Polyurethan (PU) und wann wird es statt Gummi verwendet?

Polyurethan, oft abgekürzt als PU oder bezeichnet als Elastomer AU, ist eine andere Materialklasse als NBR und HNBR; anstelle eines herkömmlichen vulkanisierten Gummis handelt es sich in der Regel um ein gegossenes oder geformtes thermoplastisches oder elastomeres Polymer mit Harnstoffbindungen. Seine herausragende Eigenschaft ist die hohe Beständigkeit gegen Abrieb und Rissbildung, die im Allgemeinen deutlich über der von Standard-Gummiwerkstoffen liegt, sowie eine hohe Zugfestigkeit.

Diese Kombination macht Polyurethan-(PU-)Membranen zu einer häufig gewählten Option, wenn das Hydrauliköl nur schwer vollständig sauber gehalten werden kann – eine realistische Bedingung an vielen Bohr- und Bergbaustellen –, da PU die Erosion durch in Schwebe befindliche Partikel besser widersteht als NBR. Der Kompromiss liegt jedoch bei der Temperatur in die entgegengesetzte Richtung: PU-Compounds weisen typischerweise eine niedrigere kontinuierliche Einsatztemperaturgrenze auf, die oft bei etwa 80 °C angegeben wird, im Vergleich zu NBR oder HNBR, und können sich bei kalten Bedingungen deutlicher versteifen. PU wird daher üblicherweise aufgrund seiner Verschleißfestigkeit bei mäßigen Temperaturen und kontaminationsanfälligen Bedingungen ausgewählt, nicht jedoch als Verbesserung hinsichtlich der Hitzebeständigkeit.

Foto 3optischer Vergleich zwischen einer Polyurethan-Membran und einer Gummimembran

Wo ordnen sich FKM und andere Spezial-Compounds ein?

FKM, ein Fluorelastomer, das manchmal auch unter dem eingetragenen Warenzeichen Viton bekannt ist, erweitert den nutzbaren Temperaturbereich deutlich über den von NBR und HNBR hinaus; für den Dauerbetrieb werden häufig Werte von bis zu 200 °C angegeben. Zudem bietet es eine breitere chemische Beständigkeit, die einige Flüssigkeiten und Zusatzstoffe umfasst, die Nitrilkautschuke angreifen. Es ist jedoch nicht die Standardwahl für die meisten Bohrhammer-Diaphragmen, da seine Flexibilität bei niedrigen Temperaturen deutlich geringer ist als die von NBR oder HNBR und es zudem deutlich teurer ist.

In der Praxis kommt FKM praktisch ausschließlich bei Bohrhammer- oder Hydraulikbrecher-Anwendungen zum Einsatz, wenn spezielle Bedingungen dies erfordern: ungewöhnlich hohe, dauerhafte Öltemperaturen, eine Hydraulikflüssigkeit außerhalb des Standardbereichs für Mineralöle oder eine Kundenanforderung, die dessen Verwendung vorschreibt. Werkstoffe wie EPDM oder Standard-Silikon, die ansonsten im Dichtungsbereich weit verbreitet sind, eignen sich für diese Anwendung im Allgemeinen nicht, da sie Mineralöl-Hydraulikflüssigkeiten nur unzureichend widerstehen; sie werden daher kaum bis gar nicht für Akkumulatordiaphragmen in Bohrhämmern spezifiziert.

Eine kontinuierliche Temperaturbewertung ist auch am oberen Ende nicht die ganze Geschichte. Untersuchungen zu FKM-Dichtungen in anderer hochtemperaturbeständiger Dichtungstechnik haben gezeigt, dass erhöhte Temperaturen im Laufe der Zeit zu einer Spannungsrelaxation führen – die Dichtkraft des Materials nimmt allmählich ab, selbst wenn die Temperatur selbst innerhalb des vom Compound angegebenen Bereichs bleibt; eine längere Einwirkung verstärkt diesen Effekt. Die gleiche Vorsicht gilt auch für chemische Einwirkung: Untersuchungen zu HNBR-Dichtungsmaterialien haben eine messbar schnellere Degradation unter hochtemperaturbedingten sauren Bedingungen im Vergleich zu normalem Hydrauliköl bei ähnlicher Temperatur ergeben; sowohl der Grad der Hydrierung als auch das spezifische Füllstoffsystem beeinflussen, wie viel Beständigkeit der Compound behält. Keine dieser Erkenntnisse ändert die grundsätzliche Materialauswahl für einen gewöhnlichen Mineralöl-Felsbohrkreislauf, doch beide weisen darauf hin, dass eine reine Temperaturangabe allein nicht vollständig beschreibt, wie sich ein Compound bewähren wird, und dass ungewöhnliche Fluide oder dauerhafte Wärmebelastung dem Lieferanten kenntlich gemacht werden sollten, anstatt vorauszusetzen, dass jeder ölfeste Elastomer geeignet ist.

Wie vergleichen sich diese Materialien direkt nebeneinander?

Die nachstehende Tabelle fasst die oben erläuterten allgemeinen Eigenschaften zusammen. Die tatsächliche Leistung hängt stets von der spezifischen Zusammensetzung ab, die ein jeweiliger Hersteller verwendet; sie ist daher als Orientierungshilfe für die typische Einordnung zu verstehen und nicht als Spezifikation für ein einzelnes Produkt.

Foto 4: Physikalischer Vergleich von Ersatzmembranen aus NBR, HNBR und PU

Wie beeinflusst die Werkstoffwahl die Ermüdungslebensdauer bei hochfrequenter Biegung?

Eine Akkumulatordiaphragma für Bohrgeräte versagt normalerweise nicht bereits am ersten Tag durch Rissbildung oder Durchstechen; vielmehr versagt es, weil es während des gesamten Betriebs des Bohrgeräts bei sehr hoher Frequenz wiederholt einen vollen Kompressionszyklus durchläuft. Daher ist die Widerstandsfähigkeit gegen Biegeermüdung – also die Fähigkeit eines Materials, wiederholtes Biegen und Spannungsumkehr ohne Rissbildung zu ertragen – mindestens ebenso wichtig wie die statischen Festigkeitswerte des Materials.

Die Forschung zum Elastomer-Ermüdungsverhalten bewertet dieses Verhalten im Allgemeinen auf eine von zwei Arten. Bei einem Ansatz zur Rissbildung wird verfolgt, wie viele Lastzyklen eine zunächst fehlerfreie Probe aushält, bevor erstmals ein Riss auftritt; dies wird typischerweise in Bezug zu einem lastbasierten Parameter – entweder bezogen auf die Dehnung oder auf die Energie – korreliert. Ein Ansatz zum Risswachstum hingegen beginnt mit einer Probe, die bereits einen kleinen vorhandenen Fehler aufweist, und misst, wie schnell dieser Fehler pro Zyklus fortschreitet. Der klassische theoretische Rahmen für diesen zweiten Ansatz, der erstmals von Rivlin und Thomas auf Gummi angewandt wurde und bis heute als Standardreferenzpunkt im Fachgebiet gilt, betrachtet das Risswachstum als durch die Reißenergie bestimmt – also durch die pro Flächeneinheit neuer Rissoberfläche freigesetzte Verzerrungsenergie – und nicht allein durch die Spannungs- oder Dehnungsamplitude. Eine nützliche Folgerung aus diesem Rahmen ist die Vorstellung einer Ermüdungsschwelle: Unterhalb einer bestimmten Reißenergie hört ein vorhandener Riss in einer gegebenen Werkstoffmischung praktisch auf, sich unter zyklischer Belastung weiterzuentwickeln; dies ist auch ein Grund dafür, dass kleine, gut kontrollierte Fehler in einer geformten Membran nicht zwangsläufig zu einem vorzeitigen Versagen führen.

Die Wahl der Zusammensetzung beeinflusst dieses Ermüdungsverhalten auf nicht immer intuitive Weise. Die Vernetzungsdichte ist ein gutes Beispiel: Eine Erhöhung verbessert im Allgemeinen die Ermüdungsbeständigkeit bis zu einem gewissen Punkt; doch wird sie zu stark gesteigert, verringert dies die Fähigkeit des Kautschuks, Dehnung zu absorbieren, und kann die Ermüdungslebensdauer verkürzen statt verlängern. Daher stellt eine gut konzipierte Membran-Zusammensetzung ein ausgewogenes Verhältnis dar – nicht einfach „möglichst viel Vernetzung“. Forschung zur Kautschukzusammensetzung speziell für Akkumulatormembranen hat zudem gezeigt, dass die Verteilung der Füllstoffe sowie das gesamte Zusatzstoffpaket die Gaspermeabilität und die Beständigkeit gegen Biegerisse erheblich beeinflussen können – selbst bei identischem Grundpolymer. In einer veröffentlichten Studie führte die Verbesserung der Füllstoffverteilung in einer NBR-Membran-Zusammensetzung zu einer messbaren Verringerung der Stickstoffpermeabilität sowie zu einer Erhöhung der Anzahl an Biegezyklen, die das Material aushalten konnte, bevor es riss. Diese Bewertung erfolgte mittels standardisierter Prüfverfahren für Biegerisse (De-Mattia-Typ) und Gaspermeation. Umgebungsbedingungen verschärfen all dies zusätzlich: Erhöhte Temperatur, Luftfeuchtigkeit und atmosphärisches Ozon beschleunigen nachweislich die Rissbildung und -ausbreitung in Elastomeren, indem sie die Dehnbarkeit verringern und die Oberfläche des Materials angreifen. Dies ist ein weiterer Grund, warum eine konstant gehaltene Öltemperatur für die Lebensdauer der Membran entscheidend ist – unabhängig von deren Einfluss auf die Alterungschemie.

Die praktische Konsequenz ist, dass zwei Membranen aus dem „gleichen Material“ auf dem Papier nicht zwangsläufig dieselbe Ermüdungslebensdauer aufweisen; die konkrete Zusammensetzung der Mischung sowie die Art und Weise, wie sie getestet wurde, können genauso entscheidend sein wie der Name des Grundpolymers. Die Werkstoffauswahl legt die obere Grenze der Ermüdungsleistung fest; die Formulierung der Mischung, die Qualität des Spritzgusses sowie die korrekte Einstellung der Stickstoff-Vorladung im Akkumulator – denn eine falsche Vorladung verändert die Wegstrecke, die die Membran bei jedem Zyklus zurücklegen muss – bestimmen, ob das Bauteil diese Grenze tatsächlich erreicht.

Wie beeinflusst die Betriebsumgebung, welches Material am besten abschneidet?

Kein einziges Material ist unter allen Bedingungen die beste Wahl; daher sind Membranen für Bohrhammer nach wie vor häufig für dasselbe Modell in mehr als einer Mischung erhältlich. Einige allgemeine Muster sollten dabei stets berücksichtigt werden:

• In kalten Klimazonen oder bei Geräten, die über Nacht im Freien stehen und danach kalt gestartet werden, ist ein Material mit guter Flexibilität bei niedrigen Temperaturen – wie Standard-NBR oder HNBR – in der Regel eine sicherere Wahl als eine PU-Verbindung, die bei tiefen Temperaturen stärker versteift.
• In heißen Klimazonen oder bei Maschinen mit hohem Einsatzgrad, bei denen die Temperatur des Hydrauliköls deutlich über der Umgebungstemperatur liegt, bietet HNBR dank seiner höheren Dauergebrauchstemperatur mehr Spielraum als Standard-NBR.
• An Standorten, an denen eine konstant saubere Hydraulikflüssigkeit schwer zu gewährleisten ist – etwa bei vielen unterirdischen oder staubintensiven Oberflächenbetrieben – kann die Abriebfestigkeit von PU ihre eingeschränktere Temperaturspanne wettmachen.
• Wenn die Hydraulikflüssigkeit ungewöhnlich ist – beispielsweise bestimmte feuerhemmende oder synthetische Flüssigkeiten – muss die chemische Verträglichkeit mit dieser spezifischen Flüssigkeit vorab bestätigt werden; es darf nicht einfach vorausgesetzt werden, dass eine Standard-NBR- oder HNBR-Verbindung wie erwartet funktioniert.

Da diese Faktoren in unterschiedliche Richtungen wirken können, ist die Auswahl des richtigen Materials eine Bewertung, die auf den spezifischen Bedingungen des jeweiligen Einsatzortes beruht und keine feste Regel darstellt, die für jeden Bohrhammer weltweit gilt.

Wie lässt sich das Material einer vorhandenen Membran identifizieren?

Wenn eine Membran ausgetauscht werden muss, ist es hilfreich, ihr Material zu bestätigen, anstatt es lediglich aufgrund ihres Aussehens zu vermuten, da Farbe und Oberflächenstruktur zwischen Herstellern nicht standardisiert sind und daher keine zuverlässige Methode zur Identifizierung eines Werkstoffes darstellen. Die verlässlichste Quelle ist der Ersatzteilkatalog oder die Service-Dokumentation des Originalherstellers für dieses Bohrhammermodell, in dem das vorgeschriebene Material üblicherweise zusammen mit der Teilenummer angegeben ist.

Falls diese Dokumentation nicht verfügbar ist, kann ein Lieferant, der mit der jeweiligen Bohrhammermarke und -modell vertraut ist, das Material häufig anhand der OEM-Teilenummer identifizieren – und in einigen Fällen sogar anhand einer physikalischen Probe der defekten Membran. Die schriftliche Bestätigung der Werkstoffgüte anzufordern, statt sich auf eine mündliche Beschreibung zu verlassen, ist eine angemessene Vorsichtsmaßnahme, bevor man sich für einen Austausch entscheidet – insbesondere dann, wenn die Betriebsbedingungen an Ihrem Standort außerhalb der üblichen Bereiche liegen.

Foto 5: Techniker prüft die Membran-Werkstoffspezifikation anhand der Teiledokumentation

Ausgewählte technische Referenzen, die für diesen Artikel konsultiert wurden:

1. Gao Y., Xiao P., Luo Z. et al. „Forschungsfortschritte zum thermisch-oxidativen Altern von Kautschukwerkstoffen.“ China Rubber Industry, 2026, 73(7): 548–556.
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5. Cao J., Ma L., Shi Q. et al. „Untersuchung zur Dichtleistung von NBR-O-Ringen unter Hochdruckbedingungen bei Raumtemperatur.“ China Rubber Industry, 2026, 73(7): 483–490.
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7. Zhang X., Jin X., Jia D. et al. „Korrosionsverhalten und Leistungsoptimierung von hydriertem Nitril-Butadien-Kautschuk als Dichtmaterial in sauren Hochtemperaturumgebungen.“ Lubrication Engineering, online vor Druckveröffentlichung, 2026.