Introduktion
Tætningselementer bruges i tekniske anvendelser til at forhindre masseoverførsel mellem to komponenter eller hjælpekamre. Den ønskede egenskabsprofil opnås primært gennem en række forskellige designmuligheder. Ud over polymeren og de nødvendige tilsætningsstoffer spiller det anvendte fyldstof også en afgørende rolle for et tætningselements egenskaber som f.eks. trykstyrke, termisk og kemisk modstandsdygtighed.
Tætningselementerne gennemgår løbende ændringer i drifts- og miljøforhold. De udsættes for naturlige, termo-oxidative eller mekaniske ældningsprocesser og skal udskiftes efter en vis tid. Betingelsen for omkostningseffektivitet er, at en tætningspakning skal bruges i hele dens levetid. Det betyder, at tætningselementet ikke bør udskiftes for tidligt for at spare på unødvendige anskaffelsesomkostninger og ikke for sent for at forhindre lækageskader.
Skadeudvikling i tætningselementer kan registreres ved at integrere flere kontrolmikrosystemer. De fleste af disse er forbundet med høje omkostninger og skaber en høj grad af kompleksitet i den overordnede struktur.
En sæl overvåger sit eget slid
En løsning, der lettere kan realiseres, er brugen af intelligente overvågningssystemer. Som en nødvendig del af alle tekniske elastomerkompositter kan forstærkende fyldstoffer også være elektrisk ledende. Når disse elektrisk ledende fyldstoffer blandes i gummimatrixen, bliver tætningselementet elektrisk ledende over en systemspecifik perkolationstærskel, når der tilføres en elektrisk spænding. De aktuelle ændringer i dielektrisk ledningsevne er i overensstemmelse med tilstanden i fyldstofnetværket og dermed skaden i tætningselementet.
Testbetingelser
For at illustrere den samtidige mekaniske og dielektriske opførsel af et tætningsmateriale, og hvordan udviklingen af mekaniske skader kan karakteriseres på samme tid, blev der fremstillet en styrenbutadiengummi (SBR) fyldt med 70 phr carbon black (N 234). Gummimatrixen opfører sig som en isolator. N 234 carbon black er elektrisk ledende, fordi dens overfladeareal har en grafitisk nanokrystallitstruktur. Her er det vigtigt at bemærke, at mængden af carbon black på 70 phr ligger over perkolationstærsklen, som er en absolut forudsætning for at opbygge et lukket fyldstofnetværk, der giver de nødvendige ledende baner.
De samtidige mekaniske og dielektriske målinger blev udført med den dynamiske mekaniske analysator DMA GABO Eplexor® fra NETZSCH (figur 1), som kan udstyres med særlige prøveholdere og en dielektrisk controller - udstyret med et bredbåndsdielektrisk spektrometer (BDS) leveret af Novocontrol GmbH - i kompressionstilstand ved stuetemperatur. I denne kombination kaldes enheden også DIPLEXOR. Kompressionsklemmerne fungerer som elektroder. De er elektrisk isoleret fra resten af instrumentet for at sikre, at SBR-prøvens dielektriske egenskaber er det eneste aspekt, der måles.
Prøverne var 2 mm tykke cylindre med en diameter på 10 mm. Prøven blev belagt med et meget tyndt sølvlag for at forbedre kontakten med elektroderne og dermed reducere det omstrejfende felt. Dielektriske spektre blev optaget i et frekvensområde mellem 1 Hz og 105 Hz. Den statiske kraft blev øget fra 20 N til 40 N i trin på 5 N.
Resultater af målinger
Hvis SBR-prøven komprimeres med en defineret statisk kraft, ændres dens tykkelse tilsvarende. Hvis den statiske belastningsamplitude øges, reduceres prøvens tykkelse yderligere. Denne adfærd er afbildet i figur 2. En ændring på op til 30 % i tykkelsen på grund af mekanisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning stemmer ganske godt overens med installationsprocedurer for tætninger i virkelige anvendelser.
Øget mekanisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning øger den interne friktion i SBR-prøven på grund af diffusionsprocesser samt forskydning eller orientering af fyldstofpartikler i kompressionsretningen. Fyldstofnetværket ødelægges gradvist, og prøvens stivhed falder. Derfor er skadesforløbet forbundet med et gradvist fald i tætheden af ledningsvejene i prøven.
En yderligere påføring af et vekslende elektrisk felt, E(ω), genererer en elektrisk strøm i SBR-prøven, fordi de frie elektriske ladningsbærere får mulighed for at bevæge sig langs overfladen af carbon black-klynger, som danner kontinuerlige ledningsveje fra den ene side til den anden. Den elektriske strømtæthed, J(ω), er proportional med det anvendte elektriske felt, som det fremgår af det følgende:
hvor σ* er den komplekse dielektriske ledningsevne, og ω=2πf er vinkelfrekvensen. Den komplekse ledningsevne, σ*, repræsenterer et mål for den transporterede ladning pr. tidsenhed.
Variationen i den reelle del af den komplekse dielektriske ledningsevne, σ*, som følge af en stigning i en statisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning er vist i figur 3.
Ved frekvenser op til 2000 Hz er σ' frekvensuafhængig og når en plateauværdi, der er kendt som DC-ledningsevne. Ved højere frekvenser bliver σ' frekvensafhængig. Dette område kaldes dielektrisk dispersion, fordi variationen i det elektriske felt ikke er forbundet med en øjeblikkelig ændring i prøvens polarisation.
Det er klart, at den reelle del af den komplekse dielektriske ledningsevne, σ', falder over hele frekvensområdet, når den statiske kraft øges, som en konsekvens af den gradvise ødelæggelse af fyldstofnetværket. Denne kendsgerning hænger sammen med en reduktion i ledningsbanetætheden, som forekommer i hele SBR-prøven på grund af mekaniske ødelæggelsesprocesser forårsaget af den påførte statiske StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning.
Derfor kan variationen i σ ' i løbet af et elastomerisk tætningsmateriales levetid bruges som en smart måde at overvåge den faktiske skadetilstand på. Denne adfærd bliver mere tydelig, når variationen i den reelle del af den komplekse dielektriske ledningsevne, σ', der skyldes varierende statisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning, undersøges ved en given dielektrisk frekvens,fel.
Figur 4 illustrerer denne afhængighed ved en dielektrisk frekvens, fel, på 10 Hz.
Figur 4 bekræfter forholdet mellem den stigende statiske belastning og den faldende komplekse dielektriske ledningsevne. Dette tilskrives tæthedsfaldet i ledningsvejene i SBR-prøven og gør det muligt at overvåge den faktiske tilstand af skader på fyldstofnetværket.
Konklusion
Dynamisk mekanisk analyse (DMA) er det vigtigste kvalitetskontrolsystem for tekniske produkter under mekanisk belastning. Dielektrisk analyse (DEA) understøtter yderligere udviklingsprocessen for tekniske produkter. Det meget large tilgængelige frekvensområde (sammenlignet med DMA) giver mulighed for en dybtgående molekylær forståelse af den indre dynamik. Denne værdifulde indsigt i et materiales mikrostruktur gør det muligt at drage konklusioner - med minimal indsats - om den faktiske tilstand af skader på et færdigt teknisk produkt under aktiv drift, når der anvendes elektrisk ledende fyldstoffer. Det blev vist, at de aktuelle ændringer i dielektrisk ledningsevne er i overensstemmelse med tilstanden i fyldstofnetværket og dermed skaden i tætningselementet.
DIPLEXOR 500 N har en unik fordel: Den gør det muligt at karakterisere de dielektriske egenskaber af tætningselementer under høj mekanisk belastning for først at bestemme deres egenskaber og senere deres faktiske ydeevne under drift.