Úvod
Těsnicí prvky se používají v technických aplikacích k zabránění přenosu hmoty mezi dvěma součástmi nebo pomocnými komorami. Požadovaného profilu vlastností se dosahuje především prostřednictvím různých konstrukčních možností. Kromě polymeru a nezbytných přísad hraje při stanovení vlastností těsnicího prvku, jako je pevnost v tlaku, tepelná a chemická odolnost, zásadní roli také použité plnivo.
Těsnicí prvky podléhají neustálým změnám provozních podmínek a podmínek prostředí. Podléhají přirozeným, termooxidačním nebo mechanickým procesům stárnutí a po určité době musí být vyměněny. Podmínkou hospodárnosti je, aby těsnění bylo používáno po celou dobu své životnosti. To znamená, že těsnicí prvek by neměl být vyměněn příliš brzy, aby se ušetřily zbytečné pořizovací náklady, a ani příliš pozdě, aby se předešlo škodám způsobeným únikem.
Vývoj poškození těsnicích prvků lze zjistit integrací několika kontrolních mikrosystémů. Většina z nich je spojena s vysokými náklady a vyvolává vysokou míru složitosti celé konstrukce.
Tuleň sleduje vlastní opotřebení
Řešením, které lze snáze realizovat, je použití inteligentních monitorovacích systémů. Jako nezbytná součást všech technických elastomerových kompozitů může být elektricky vodivé i výztužné plnivo. Když se tato elektricky vodivá plniva přimíchají do pryžové matrice, stane se těsnicí prvek při přiložení elektrického napětí elektricky vodivým nad systémově specifickým prahem průniku. Proudové změny dielektrické vodivosti jsou v souladu se stavem jeho sítě plniv, a tedy i poškozením v těsnicím prvku.
Testovací podmínky
Pro ilustraci současného mechanického a dielektrického chování těsnicího materiálu a současného popisu průběhu mechanického poškození byl připraven styren-butadienový kaučuk (SBR) plněný 70 phr sazí (N 234). Pryžová matrice se chová jako izolant. Saze N 234 jsou elektricky vodivé, protože jejich povrch má strukturu grafitických nanokrystalů. Zde je důležité poznamenat, že množství sazí 70 phr je nad prahem perkolace, který je absolutním předpokladem pro vybudování uzavřené sítě plniva poskytující potřebné vodivé cesty.
Současná mechanická a dielektrická měření byla prováděna pomocí dynamického mechanického analyzátoru DMA Gabo Eplexor® firmy NETZSCH (obr. 1), který lze vybavit speciálními držáky vzorků a dielektrickým regulátorem - vybaveným širokopásmovým dielektrickým spektrometrem (BDS) dodávaným firmou Novocontrol GmbH - v kompresním režimu při pokojové teplotě. V této kombinaci se zařízení nazývá také DiPLEXOR®. Kompresní držáky slouží jako elektrody. Jsou elektricky izolovány od zbytku přístroje, aby bylo zajištěno, že jediným měřeným aspektem jsou dielektrické vlastnosti vzorku SBR.
Vzorky byly válce o tloušťce 2 mm a průměru 10 mm. Vzorek byl potažen velmi tenkou vrstvou stříbra, aby se zlepšil kontakt s elektrodami, a tím se snížilo rozptylové pole. Dielektrická spektra byla zaznamenána ve frekvenčním rozsahu od 1 Hz do 105 Hz. Statická síla byla zvyšována od 20 N do 40 N v krocích po 5 N.
Výsledky měření
Pokud se vzorek SBR stlačí definovanou statickou silou, změní se odpovídajícím způsobem jeho tloušťka. Zvyšováním amplitudy statického zatížení se tloušťka vzorku dále zmenšuje. Toto chování je znázorněno na obrázku 2. Změna tloušťky až o 30 % v důsledku mechanického zatížení poměrně dobře koreluje s postupy instalace těsnění v reálných aplikacích.
Zvyšování mechanického zatížení zvyšuje vnitřní tření ve vzorku SBR v důsledku difuzních procesů a také posunu nebo orientace částic plniva ve směru stlačování. Síť plniva se postupně ničí a tuhost vzorku klesá. Postup poškození je proto spojen s postupným snižováním hustoty vodivých cest uvnitř vzorku.
Dodatečné působení střídavého elektrického pole E(ω) vytváří ve vzorku SBR elektrický proud, protože volné nosiče elektrického náboje získávají schopnost pohybovat se po povrchu shluků sazí, které tvoří souvislé vodivé cesty z jedné strany na druhou. HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota elektrického proudu, J(ω), je úměrná přiloženému elektrickému poli, jak je uvedeno níže:
kde σ* je komplexní dielektrická vodivost a ω=2πf je úhlová frekvence. Komplexní vodivost σ* představuje míru přeneseného náboje za jednotku času.
Změna reálné části komplexní dielektrické vodivosti, σ*, v důsledku zvýšení statického zatížení je znázorněna na obrázku 3.
Při frekvencích do 2 000 Hz je σ' frekvenčně nezávislá a dosahuje plošné hodnoty známé jako stejnosměrná vodivost. Při vyšších frekvencích se σ' stává frekvenčně závislou. Tato oblast se nazývá dielektrická disperze, protože změna elektrického pole není spojena s okamžitou změnou polarizace vzorku.
Je zřejmé, že reálná část komplexní dielektrické vodivosti, σ ', klesá v celém frekvenčním rozsahu se zvyšující se statickou silou v důsledku postupné destrukce výplňové sítě. Tato skutečnost souvisí se snížením hustoty vodivostních drah, ke kterému dochází v celém vzorku SBR v důsledku procesů mechanické destrukce způsobené působením statického zatížení.
Změnu σ ' během provozní životnosti elastomerního těsnicího materiálu lze proto využít jako inteligentní způsob sledování aktuálního stavu poškození. Toto chování se stane zřejmějším, když se zkoumá změna reálné části komplexní dielektrické vodivosti, σ', která je způsobena měnícím se statickým zatížením při dané dielektrické frekvenci,fel.
Obrázek 4 znázorňuje tuto závislost při dielektrické frekvenci fel 10 Hz.
Obrázek 4 potvrzuje vztah mezi rostoucím statickým zatížením a klesající komplexní dielektrickou vodivostí. To se přičítá poklesu hustoty vodivých cest uvnitř vzorku SBR a umožňuje sledovat aktuální stav poškození sítě plniva.
Závěr
Dynamická mechanická analýza (DMA) je hlavním systémem kontroly kvality technických výrobků při mechanickém zatížení. Dielektrická analýza (DEA) dále podporuje proces vývoje technických výrobků. Velmi large dostupný frekvenční rozsah (ve srovnání s DMA) umožňuje hloubkové pochopení vnitřní dynamiky molekul. Tento cenný vhled do mikrostruktury materiálu umožňuje vyvodit závěry - s minimálním úsilím - o skutečném stavu poškození hotového technického výrobku během aktivního provozu, pokud jsou použita elektricky vodivá plniva. Bylo prokázáno, že aktuální změny dielektrické vodivosti jsou v souladu se stavem jeho plnivové sítě, a tedy i poškozením v těsnicím prvku.
Přístroj DiPLEXOR® 500 N nabízí jedinečnou výhodu: umožňuje charakterizovat dielektrické vlastnosti těsnicích prvků při vysokém mechanickém zatížení, aby bylo možné určit nejprve jejich vlastnosti a později jejich skutečnou výkonnost během provozu.