Úvod
V technice se pojem "těsnění" používá k označení prvků nebo konstrukcí, které mají za úkol zabránit nebo omezit nežádoucí přenos materiálu z jednoho místa na druhé. Pokud například uzavírací kohoutek stále kape, je jeho těsnění vadné [1]. Elastomerová těsnění se používají v technických aplikacích a plní nejrůznější těsnicí úkoly. V závislosti na aplikaci patří k zásadním oblastem výběr materiálů, jejich konstrukce, požadovaná geometrie těsnění nebo tvar těsnění a samozřejmě fyzikální a chemické okrajové podmínky, za kterých mají být těsnění vyrobená na míru použita.
Z tohoto důvodu jsou předpokladem úspěšného návrhu těsnění podrobné znalosti fyzikálních a chemických podmínek, kterým je aplikace vystavena - například teplotní a tlakové rozsahy, chemická odolnost, a tedy i výběr vhodných inertních látek.
Odpor médií
Nestačí však brát v úvahu pouze odolnost médií vůči zdrojovým materiálům (edukátům), například v rámci technického chemického výrobního řetězce. Těsnění musí být chemicky odolné i vůči produktům vznikajícím ve výrobním procesu. Požadovanou odolnost vůči médiím proto ovlivňují média, která přicházejí do styku s médii, jež mají být oddělena nebo utěsněna, média vznikající během provozu, okolní vzduch, přísady, jako jsou maziva, a spotřební materiály, jako jsou čisticí prostředky.
Teplotní stabilita
Rozsah provozních teplot pro těsnicí materiály je stanoven na základě možné trvalé provozní teploty s dostatečnou bezpečnostní rezervou. Je třeba mít rovněž na paměti, že během provozu mohou probíhat Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozkladné reakce, které způsobují smršťování nebo bobtnání těsnicího materiálu. Kromě toho se výchozí podmínky mohou měnit v důsledku teploty, tlaku a opotřebení.
Kromě zkoušek vhodnosti je důležitou součástí procesu vývoje elastomerových těsnění důkladné testování materiálu. Klíčovou roli přitom hrají experimenty s obnovou tečení.
Co jsou to testy zotavení z tečení?
Při zkoušce regenerace se elastomerní vzorek, obvykle válcový vzorek, který je vystaven tlakovému zatížení, deformuje při konstantní teplotě po předem stanovenou dobu. Poté následuje fáze odlehčení (tj. bez zatížení/síly), která obvykle probíhá při stejné teplotě. I zde je stanovena definovaná doba pro "zotavení vzorku". Po odlehčení by se ideální těsnění okamžitě "narovnalo" bez časové prodlevy do výchozí výšky (např. pružná pružina).
Skutečné těsnění se však chová jinak. V závislosti na materiálu, jeho vnitřní struktuře, okolní teplotě a vlivu medium, mohou procesy "zvedání" nebo obnovy probíhat velmi odlišně. Často může trvat několik hodin nebo i dní, než se opět dosáhne původní výšky. Existuje také možnost, že materiál již nedosáhne své původní výšky a zůstane trvale, nevratně deformován. Důležitým kritériem kvality těsnění je jeho restaurátorská vlastnost:
Jak rychle a na jakou úroveň ve srovnání s "panenskou" počáteční úrovní se materiál při zkoušce obnoví?
Podmínky měření
Při zkoušení materiálů se zpravidla vyžadují tzv. "objemové" vlastnosti, aby bylo možné vyvodit významné a spolehlivé závěry. Zde je myšlen large-objemový vzorek. Pokud jsou rozměry vzorků příliš small, stává se poměr povrchu vzorku k jeho objemu nepříznivým. Zjištěné výsledky zkoušek pak již nelze přímo použít k odvození vlastností materiálu. Z tohoto důvodu by měly být large-objemové zkušební vzorky vystaveny deformacím, které se vyskytují při aplikaci.
V tomto příkladu jsou provedeny zkoušky obnovení tečení na válcovém vzorku naplněném sazemi (výška: 25 mm, průměr: 20 mm) elastomerního těsnicího materiálu při pokojové teplotě ve vysokém zatížení DMA Gabo Eplexor® 2000 N.
Pro tento účel bylo použito statické stlačení o 40 % na základě počáteční výšky vzorku. Tato deformace byla regulována po dobu jedné hodiny a udržována na konstantní úrovni.
Poté byla statická síla, která byla nutná ke stlačení o 40 %, "náhle" odstraněna, byla aplikována kontaktní síla 2 N a výsledný proces zotavení byl zaznamenáván po dobu jedné hodiny. Tato složka nízké síly nemá žádný vliv na proces "rovnání", ale je nutná k tomu, aby vzorek pevně držel.
Výsledky měření
Na obrázku 1 je znázorněn časový průběh deformace a napětí během zkoušky obnovy tečením.
Vzorek je stlačen o 40 %. Zpočátku se mechanické napětí prudce zvyšuje. Požadovaná počáteční síla je přibližně 2 400 N (7,5 MPa x 314 mm2 ~ 2 400 N). Pokud se deformovaný stav udržuje po dobu jedné hodiny, naměří se pokles působícího napětí. V závislosti na použitých materiálech, jejich vnitřní struktuře a složení může být látkově specifická vnitřní molekulární pohyblivost často velmi rozdílná. Prostřednictvím tzv. relaxačních procesů dochází u materiálů k poklesu aplikovaného napětí různou rychlostí. Úroveň napětí, které bylo dosaženo, a doba, která uplynula před dosažením tohoto "kvazistacionárního" stavu, poskytují informace o dlouhodobém chování a umožňují posoudit profil vlastností v reálných aplikacích. V tomto případě dosahuje napětí téměř konstantní hodnoty 5,5 MPa.
Ve druhém kroku se náhle odstraní statická síla a na vzorek se působí kontaktní silou 2 N, která jej pevně drží. Toto snížení napětí je doprovázeno samovolnou zpětnou deformací, která v tomto případě trvá relativně krátkou dobu. Vzorek se plazí nebo rozpíná a již po jedné hodině dosáhne stavu plného zotavení, což je pouze 94 % (100 % - 6 % = 94 %) jeho původní délky. Trvalé stlačení 6 % vychází z nelineárního, viskoelastického chování zde testovaného materiálu a naznačuje nevratný stav.
Závěr
Zkoušky obnovení tečení zaznamenávají změnu délky elastomerových těsnění v závislosti na zatížení, době držení a teplotě. Jsou nepostradatelným prostředkem kontroly a ověřování požadavků na elastomerová těsnění.
Zkoumaný vzorek vykazoval po fázi zatížení a odlehčení trvalé stlačení o 6 % a nemohl se vrátit do původního tvaru.
Mezi rozhodující faktory úspěšného měření patří maximální dostupná síla přístroje, rozsah deformace specifický pro daný stroj a samozřejmě stabilní kontrola teploty, která by měla pokrývat co největší rozsah teplot. První volbou je vysokozátěžové DMA typu GABO Eplexor® 2000 N nebo ještě lépe vysokozátěžové DMA typu GABO Eplexor® 4000 N.