Въведение
Уплътнителните елементи се използват в технически приложения за предотвратяване на масовия трансфер между два компонента или спомагателни камери. Желаният профил на свойствата се постига предимно чрез разнообразни възможности за проектиране. Освен полимерът и необходимите добавки, използваният пълнител също играе решаваща роля за определяне на характеристиките на уплътнителния елемент, като например якост на натиск, термична и химическа устойчивост.
Уплътнителните елементи са подложени на непрекъснати промени в условията на експлоатация и околната среда. Те са подложени на естествени, термоокислителни или механични процеси на стареене и трябва да бъдат подменени след определено време. Условието за икономическа ефективност е дадено уплътнение да се използва през целия си експлоатационен период. Това означава, че уплътнителният елемент не трябва да се сменя твърде рано, за да се спестят ненужни разходи за придобиване, и не твърде късно, за да се предотвратят щети от течове.
Развитието на повредите в уплътнителните елементи може да се открие чрез интегрирането на няколко микросистеми за контрол. Повечето от тях са свързани с високи разходи и пораждат висока степен на сложност на цялостната структура.
Тюленът следи за собственото си износване
Решение, което може да се реализира по-лесно, е използването на интелигентни системи за наблюдение. Като необходима част от всеки технически еластомерен композит, армиращият пълнител може да бъде и електропроводим. Когато тези електропроводими пълнители се смесят с каучуковата матрица, уплътнителният елемент става електропроводим над специфичен за системата праг на просмукване, когато се приложи електрическо напрежение. Текущите промени в диелектричната проводимост са в съответствие със състоянието на неговата мрежа от пълнители, а оттам и с повредите в уплътнителния елемент.
Условия за изпитване
За да се илюстрира едновременното механично и диелектрично поведение на един уплътнителен материал и как може да се характеризира едновременно прогресията на механичните повреди, беше приготвен стирен-бутадиен каучук (SBR), напълнен със 70 phr сажди (N 234). Каучуковата матрица се държи като изолатор. Въглеродните сажди N 234 са електропроводими, тъй като повърхността им има графитна нано-кристална структура. Тук е важно да се отбележи, че количеството сажди от 70 phr е над прага на перколация, което е абсолютна предпоставка за изграждане на затворена мрежа от пълнители, осигуряваща необходимите проводящи пътища.
Едновременните механични и диелектрични измервания бяха извършени с динамичния механичен анализатор DMA GABO Eplexor® от NETZSCH (фигура 1), който може да бъде оборудван със специални държачи за проби и диелектричен контролер - снабден с широколентов диелектричен спектрометър (BDS), доставен от Novocontrol GmbH - в режим на компресия при стайна температура. В тази комбинация устройството се нарича също DIPLEXOR. Компресионните скоби служат като електроди. Те са електрически изолирани от останалата част на уреда, за да се гарантира, че диелектричните свойства на пробата SBR са единственият аспект, който се измерва.
Пробите са цилиндри с дебелина 2 mm и диаметър 10 mm. Пробата беше покрита с много тънък сребърен слой, за да се подобри контактът с електродите и по този начин да се намали разсейваното поле. Диелектричните спектри бяха записани в честотния диапазон между 1 Hz и 105 Hz. Статичната сила е увеличена от 20 N до 40 N на стъпки от 5 N.
Резултати от измерването
Ако образецът SBR се компресира с определена статична сила, дебелината му се променя съответно. Увеличаването на амплитудата на статичното натоварване допълнително намалява дебелината на образеца. Това поведение е представено на фигура 2. Промяната до 30 % в дебелината, дължаща се на механично натоварване, корелира доста добре с процедурите за монтаж на уплътнения в реални приложения.
Увеличаването на механичното натоварване увеличава вътрешното триене в SBR образеца поради дифузионни процеси, както и изместване или ориентиране на частиците на пълнителя по посока на компресията. Мрежата от пълнители постепенно се разрушава и твърдостта на образеца намалява. Следователно прогресията на повредата е свързана с постепенно намаляване на плътността на проводящите пътища в образеца.
Допълнителното прилагане на променливо електрическо поле, E(ω), генерира електрически ток в пробата SBR, тъй като свободните носители на електрически заряд придобиват способността да се движат по повърхността на клъстерите от сажди, които образуват непрекъснати проводящи пътища от едната до другата страна. Гъстотата на електрическия ток, J(ω), е пропорционална на приложеното електрическо поле, както е посочено по-долу:
където σ* е комплексната диелектрична проводимост, а ω=2πf е ъгловата честота. Комплексната проводимост, σ*, представлява мярка за пренесения заряд за единица време.
Изменението на реалната част на комплексната диелектрична проводимост, σ*, в резултат на увеличаване на статичния товар е показано на фигура 3.
При честоти до 2000 Hz σ' не зависи от честотата и достига плато стойност, известна като проводимост при постоянен ток. При по-високи честоти σ' става честотно зависим. Тази област се нарича диелектрична дисперсия, тъй като промяната на електрическото поле не е свързана с мигновена промяна в поляризацията на образеца.
Очевидно е, че реалната част на комплексната диелектрична проводимост, σ ', намалява в целия честотен диапазон с увеличаването на статичната сила в резултат на постепенното разрушаване на мрежата от пълнители. Този факт е свързан с намаляването на плътността на проводящите пътища, което се случва в цялата проба SBR поради процесите на механично разрушаване, причинени от приложеното статично натоварване.
Следователно изменението на σ ' по време на експлоатационния живот на еластомерен уплътнителен материал може да се използва като интелигентен начин за наблюдение на действителното състояние на повреда. Това поведение става по-очевидно, когато се изследва изменението на реалната част на комплексната диелектрична проводимост, σ', което се дължи на променливото статично натоварване при дадена диелектрична честота,fel.
Фигура 4 илюстрира тази зависимост при диелектрична честота, fel, от 10 Hz.
Фигура 4 потвърждава връзката между нарастващото статично натоварване и намаляващата комплексна диелектрична проводимост. Това се дължи на намаляването на плътността на проводящите пътища в пробата SBR и позволява да се проследи действителното състояние на повреда на мрежата от пълнители.
Заключение
Динамичният механичен анализ (ДМА) е основната система за контрол на качеството на технически продукти, подложени на механично натоварване. Диелектричният анализ (DEA) допълнително подпомага процеса на разработване на технически продукти. Много large достъпният честотен диапазон (в сравнение с DMA) позволява задълбочено разбиране на вътрешната динамика на молекулите. Това ценно вникване в микроструктурата на материала позволява да се направят заключения - с минимални усилия - за действителното състояние на повреда на готовия технически продукт по време на активна работа, когато се използват електропроводими пълнители. Показано е, че текущите промени в диелектричната проводимост са в съответствие със състоянието на мрежата на пълнителя му, а оттам и с повредите в уплътнителния елемент.
DIPLEXOR 500 N предлага уникално предимство: той позволява охарактеризиране на диелектричните свойства на уплътнителните елементи при високо механично натоварване, за да се определят първо техните свойства, а след това и действителната им работа по време на експлоатация.