Въведение
В технологията терминът "уплътнение" се използва за описване на елементи или структури, които имат за задача да предотвратяват или ограничават нежеланото преместване на материали от едно място на друго. Ако например един спирателен кран продължава да капе, неговото уплътнение е дефектно [1]. Еластомерните уплътнения се използват в технически приложения и изпълняват голямо разнообразие от задачи за уплътняване. В зависимост от приложението областите с основно значение включват избора на материали, тяхната конструкция, необходимата геометрия или форма на уплътнението и, разбира се, физичните и химичните гранични условия, при които ще се използват специално създадените уплътнения.
Поради тази причина подробното познаване на физичните и химичните условия, на които е изложено приложението - като температурни диапазони и налягания, химическа устойчивост и съответно избор на подходящи инертни вещества - са предпоставки за успешното проектиране на уплътнение.
Съпротивата на медиите
Въпреки това не е достатъчно да се разглежда само устойчивостта на средите на изходните материали (едукти), например в рамките на верига за производство на технически химикали. Уплътнението трябва да бъде химически устойчиво и на продуктите, произведени в производствения процес. Следователно изискваната устойчивост на средите се влияе от средите, които са в контакт със средите, които трябва да бъдат отделени или уплътнени, от средите, които се създават по време на работа, от околния въздух, от добавките, като например смазочни материали, и от консумативите, като например почистващи препарати.
Температурна стабилност
Работният температурен диапазон за уплътнителните материали се определя въз основа на възможната продължителна работна температура с достатъчни резерви за безопасност. Трябва също така да се има предвид, че по време на работа могат да протичат реакции на разлагане, които да доведат до свиване или набъбване на уплътнителния материал. Освен това началните условия могат да се променят поради температурата, налягането и износването.
В допълнение към тестовете за пригодност, важна част от процеса на разработване на еластомерни уплътнения е задълбоченото изпитване на материала. Експериментите за възстановяване при пълзене играят ключова роля в това отношение.
Какво представляват тестовете за възстановяване при пълзене?
По време на изпитването за възстановяване еластомерен образец, обикновено цилиндричен образец, подложен на натисково натоварване, се деформира при постоянна температура за предварително определен период от време. Това е последвано от фаза на облекчаване (т.е. без натоварване/сила), която обикновено се извършва при същата температура. И тук се определя определен период от време за "възстановяване на пробата". При облекчаване идеалното уплътнение веднага се "изправя" без никакво забавяне до началната височина (напр. еластична пружина).
Реалните уплътнения обаче се държат различно от това. В зависимост от материала, вътрешната му структура, температурата на околната среда и влиянието на medium, процесите на "повдигане" или възстановяване могат да протичат по много различен начин. Често може да отнеме няколко часа или дори дни, преди отново да се достигне първоначалната височина. Съществува и възможността материалите да не достигнат повече първоначалната си височина и да останат трайно, необратимо деформирани. Важен критерий за качество на уплътнението е неговата възстановителна способност:
Колко бързо и на какво ниво в сравнение с "девственото" първоначално ниво се възстановява материалът при теста?
Условия за измерване
По правило при изпитването на материали се изискват така наречените "обемни" свойства, за да се направят значими и надеждни заключения. Тук се има предвид large-обемни образци. Ако размерите на образците са твърде small, съотношението между повърхността и обема на образеца става неблагоприятно. Тогава определените резултати от изпитването вече не могат да се използват директно за извеждане на свойствата на материала. Поради тази причина образците за изпитване с large обем трябва да бъдат изложени на деформациите, които възникват при приложението.
В този пример са проведени изпитвания за възстановяване от пълзене върху цилиндричен образец, напълнен с въглеродни сажди (височина: 25 mm, диаметър: 20 mm), от еластомерен уплътнителен материал при стайна температура в DMA GABO Eplexor® 2000 N с високо натоварване.
За тази цел е приложено статично компресиране от 40 % на базата на първоначалната височина на образеца. Тази деформация се регулира за период от един час и се поддържа постоянна.
След това статичната сила, която е била необходима за компресиране с 40%, е била "рязко" премахната, приложена е контактна сила от 2 N и полученият процес на възстановяване е бил регистриран в продължение на един час. Този компонент с ниска сила не оказва никакво влияние върху процеса на "изправяне", но е необходим, за да задържи образеца здраво.
Резултати от измерването
На фигура 1 е показан времевият ход на деформацията и напрежението по време на изпитването за възстановяване от пълзене.
Образецът е компресиран с 40 %. Първоначално механичното напрежение се увеличава рязко. Необходимата първоначална сила е приблизително 2400 N (7,5 MPa x 314 mm2 ~ 2400 N). Ако деформираното състояние се поддържа за период от един час, се измерва спад на приложеното напрежение. В зависимост от използваните материали, тяхната вътрешна структура и състав, специфичната за веществото вътрешна молекулна подвижност често може да бъде много различна. Чрез така наречените процеси на релаксация материалите претърпяват намаляване на приложеното напрежение с различна скорост. Нивото на напрежението, което е било достигнато, и периодът от време, който е изминал, преди да се стигне до това "квазистационарно" състояние, предоставят информация за дългосрочното поведение и позволяват оценка на профила на свойствата в реални приложения. В този случай напрежението достига почти постоянна стойност от 5,5 MPa.
На втората стъпка статичната сила се премахва рязко и се прилага контактна сила от 2 N, за да се задържи образецът здраво. Това намаляване на напрежението е придружено от спонтанна обратна деформация, която в този случай продължава сравнително кратко време. Образецът пълзи или се разширява и само след един час достига пълното си състояние на възстановяване, което е само 94 % (100 % - 6 % = 94 %) от първоначалната му дължина. Постоянната компресия от 6% се основава на нелинейното, вискоеластично поведение на изпитвания тук материал и показва необратимо състояние.
Заключение
Тестовете за възстановяване при пълзене регистрират промяната в дължината на еластомерните уплътнения като функция от натоварването, времето на задържане и температурата. Те са незаменимо средство за проверка и потвърждаване на изискванията към еластомерните уплътнения.
Изследваният образец показва постоянно свиване от 6 % след фаза на натоварване и разтоварване и не може да се върне към първоначалната си форма.
Решаващите фактори за успешното измерване включват максималната налична сила на инструмента, специфичния за машината диапазон на деформация и, разбира се, стабилния температурен контрол, който трябва да покрива възможно най-големия температурен диапазон. Първият избор е високонатоварен ДМА от типа GABO Eplexor® 2000 N или, още по-добре, високонатоварен ДМА от типа GABO Eplexor® 4000 N.