مقدمة
تُستخدم عناصر منع التسرب في التطبيقات التقنية لمنع انتقال الكتلة بين مكونين أو غرف مساعدة. ويتم تحقيق الخصائص المرغوبة في المقام الأول من خلال مجموعة متنوعة من خيارات التصميم. وإلى جانب البوليمر والمواد المضافة اللازمة، تلعب الحشوة المستخدمة أيضًا دورًا حاسمًا في تحديد خصائص عنصر منع التسرب مثل قوة الضغط والمقاومة الحرارية والكيميائية.
تخضع عناصر منع التسرب لتغيرات مستمرة في ظروف التشغيل والظروف البيئية. فهي تخضع لعمليات تقادم طبيعية أو أكسدة حرارية أو ميكانيكية ويجب استبدالها بعد فترة زمنية معينة. إن شرط كفاءة التكلفة هو أن يتم استخدام حشية مانع التسرب طوال فترة خدمتها بالكامل. وهذا يعني أنه لا ينبغي استبدال عنصر مانع التسرب في وقت مبكر جدًا، من أجل توفير تكاليف الاقتناء غير الضرورية، وليس بعد فوات الأوان، من أجل منع تلف التسرب.
يمكن الكشف عن تطور التلف في عناصر منع التسرب من خلال دمج العديد من الأنظمة الدقيقة للتحكم. ترتبط معظمها بتكاليف عالية وتولد درجة عالية من التعقيد في الهيكل العام.
الفقمة تراقب ملابسها الخاصة بها
الحل الذي يمكن تحقيقه بسهولة أكبر هو استخدام أنظمة المراقبة الذكية. وكجزء ضروري من أي مركبات مطاطية مرنة تقنية، يمكن أن تكون مواد الحشو المعززة موصلة للكهرباء أيضاً. عندما يتم خلط تلك الحشوات الموصلة للكهرباء في مصفوفة المطاط، يصبح عنصر الختم موصلًا للكهرباء فوق عتبة الترشيح الخاصة بالنظام عند تطبيق جهد كهربائي. تتوافق التغيرات الحالية في الموصلية العازلة للكهرباء مع حالة شبكة الحشو الخاصة به، وبالتالي التلف في عنصر الختم.
شروط الاختبار
لتوضيح السلوك الميكانيكي والعازل الكهربائي المتزامن لمادة مانعة للتسرب وكيف يمكن تمييز تطور التلف الميكانيكي في نفس الوقت، تم تحضير مطاط الستايرين بوتادين (SBR) المملوء بمادة أسود الكربون (N 234) 70 phr. تعمل المصفوفة المطاطية كعازل. يعتبر أسود الكربون N 234 الكربوني موصل للكهرباء لأن مساحة سطحه تحتوي على بنية بلورية نانوية غرافيتية. وهنا تجدر الإشارة إلى أن كمية أسود الكربون البالغة 70 phr أعلى من عتبة الترشيح، وهو شرط أساسي مطلق لبناء شبكة حشو مغلقة توفر المسارات الموصلة اللازمة.
تم إجراء القياسات الميكانيكية والعزل الكهربائي المتزامنة باستخدام المحلل الميكانيكي الديناميكي DMA GABO Eplexor® من NETZSCH (الشكل 1) الذي يمكن تجهيزه بحوامل عينات خاصة وجهاز تحكم في العزل الكهربائي - مزود بمقياس طيف عازل عريض النطاق (BDS) مقدم من شركة Novocontrol GmbH - في وضع الضغط في درجة حرارة الغرفة. في هذه المجموعة يسمى الجهاز أيضًا DIPLEXOR. تعمل مشابك الضغط كأقطاب كهربائية. وهي معزولة كهربائيًا عن بقية الجهاز لضمان أن تكون الخواص العازلة لعينة SBR هي الجانب الوحيد الذي يتم قياسه.
كانت العينات عبارة عن أسطوانات بسمك 2 مم وقطرها 10 مم. تم طلاء العينة بطبقة رقيقة جدًا من الفضة من أجل تحسين التلامس مع الأقطاب الكهربائية وبالتالي تقليل المجال الشارد. تم تسجيل الأطياف العازلة في نطاق تردد يتراوح بين 1 هرتز و105 هرتز. تمت زيادة القوة الساكنة من 20 نيوتن إلى 40 نيوتن بخطوات 5 نيوتن.
نتائج القياس
إذا تم ضغط عينة SBR بقوة استاتيكية محددة، يتغير سمكها وفقًا لذلك. وتؤدي زيادة سعة الحمل الساكن إلى تقليل سُمك العينة. هذا السلوك موضح في الشكل 2. يرتبط التغير الذي يصل إلى 30% في السُمك بسبب التحميل الميكانيكي ارتباطًا جيدًا بإجراءات تركيب الأختام في التطبيقات الحقيقية.
وتؤدي زيادة التحميل الميكانيكي إلى زيادة الاحتكاك الداخلي داخل عينة SBR بسبب عمليات الانتشار وكذلك إزاحة أو توجيه جزيئات الحشو في اتجاه الضغط. يتم تدمير شبكة الحشو تدريجيًا وتنخفض صلابة العينة. ولذلك، يرتبط تطور التلف بانخفاض تدريجي في كثافة مسارات التوصيل داخل العينة.
ويؤدي التطبيق الإضافي لمجال كهربائي متناوب، E(ω)، إلى توليد تيار كهربائي داخل عينة SBR لأن حاملات الشحنة الكهربائية الحرة تكتسب القدرة على التحرك على طول سطح مجموعات الكربون الأسود، والتي تشكل مسارات توصيل مستمرة من جانب إلى آخر. تتناسب كثافة التيار الكهربي، J(ω)، مع المجال الكهربائي المطبق، كما يلي:
حيث σ* هو التوصيلية العازلة المعقدة و ω=2πf هو التردد الزاوي. وتمثل التوصيلية المركبة، σ*، مقياسًا للشحنة المنقولة لكل وحدة من الزمن.
يوضِّح الشكل 3 التباين في الجزء الحقيقي من الموصلية العازلة المعقدة، σ*، بسبب زيادة الحمل الساكن.
عند الترددات التي تصل إلى 2000 هرتز، تكون σ' مستقلة عن التردد وتصل إلى قيمة هضبة تُعرف باسم توصيلية التيار المستمر. عند الترددات الأعلى، تصبح σ' مستقلة عن التردد. وتسمى هذه المنطقة بالتشتت العازل لأن التباين في المجال الكهربائي لا يرتبط بالتغير اللحظي في استقطاب العينة.
من الواضح أن الجزء الحقيقي من الموصلية العازلة المعقدة، σ' يتناقص على مدى التردد بأكمله مع زيادة القوة الساكنة، نتيجة للتدمير التدريجي لشبكة الحشو. وترتبط هذه الحقيقة بانخفاض كثافة مسار التوصيل الذي يحدث في جميع أنحاء عينة SBR بأكملها بسبب عمليات التدمير الميكانيكية الناجمة عن الحمل الساكن المطبق.
ولذلك، يمكن استخدام التباين في σ ' أثناء العمر التشغيلي لمادة الختم المرنة كطريقة ذكية لمراقبة حالة التلف الفعلية. ويصبح هذا السلوك أكثر وضوحًا عندما يتم فحص التباين في الجزء الحقيقي من الموصلية العازلة المعقدة، σ '، الناتج عن الحمل الساكن المتغير عند تردد عازل معين، fel.
ويوضح الشكل 4 هذا الاعتماد عند تردد عازل كهربائي، fel، يبلغ 10 هرتز.
ويؤكد الشكل 4 العلاقة بين زيادة التحميل الساكن المتزايد وتناقص التوصيلية العازلة المعقدة. ويُعزى ذلك إلى انخفاض الكثافة في مسارات التوصيل داخل عينة SBR ويسمح بمراقبة الحالة الفعلية لتلف شبكة الحشو.
الخاتمة
التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) هو نظام مراقبة الجودة الرئيسي للمنتجات التقنية تحت الحمل الميكانيكي. يدعم تحليل العزل الكهربائي (DMA) كذلك عملية تطوير المنتجات التقنية. يسمح نطاق التردد الكبير جدًا المتاح (مقارنةً بالتحليل الميكانيكي الديناميكي الديناميكي) بفهم جزيئي متعمق للديناميكيات الداخلية. وتسمح هذه الرؤية القيمة في البنية المجهرية للمادة باستخلاص استنتاجات - بأقل جهد ممكن - حول الحالة الفعلية لتلف المنتج التقني النهائي أثناء التشغيل النشط، عند استخدام حشوات موصلة للكهرباء. وقد تبين أن التغيرات الحالية في الموصلية العازلة للكهرباء تتوافق مع حالة شبكة الحشو الخاصة بها، وبالتالي التلف في عنصر الختم.
يوفر جهاز DIPLEXOR 500 N ميزة فريدة من نوعها: فهو يسمح بتوصيف الخصائص العازلة لعناصر الختم تحت الحمل الميكانيكي العالي، من أجل تحديد خصائصها أولاً ثم أدائها الفعلي أثناء التشغيل.