Εισαγωγή
Τα στοιχεία στεγανοποίησης χρησιμοποιούνται σε τεχνικές εφαρμογές για την αποτροπή της μεταφοράς μάζας μεταξύ δύο εξαρτημάτων ή βοηθητικών θαλάμων. Το επιθυμητό προφίλ ιδιοτήτων επιτυγχάνεται κυρίως μέσω μιας ποικιλίας επιλογών σχεδιασμού. Εκτός από το πολυμερές και τα απαραίτητα πρόσθετα, το χρησιμοποιούμενο πληρωτικό υλικό παίζει επίσης καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση των χαρακτηριστικών ενός στεγανοποιητικού στοιχείου, όπως η αντοχή σε θλίψη, η θερμική και η χημική αντοχή.
Τα στοιχεία στεγανοποίησης υφίστανται συνεχείς αλλαγές στις συνθήκες λειτουργίας και στο περιβάλλον. Υπόκεινται σε φυσικές, θερμοοξειδωτικές ή μηχανικές διαδικασίες γήρανσης και πρέπει να αντικαθίστανται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα. Ο όρος για την αποδοτικότητα του κόστους είναι ότι ένα στεγανοποιητικό παρέμβυσμα πρέπει να χρησιμοποιείται καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του. Αυτό σημαίνει ότι το στοιχείο στεγανοποίησης δεν πρέπει να αντικαθίσταται πολύ νωρίς, προκειμένου να εξοικονομηθούν περιττές δαπάνες απόκτησης, και όχι πολύ αργά, προκειμένου να αποτραπούν ζημιές διαρροής.
Η ανάπτυξη βλάβης στα στοιχεία στεγανοποίησης μπορεί να ανιχνευθεί με την ενσωμάτωση διαφόρων μικροσυστημάτων ελέγχου. Τα περισσότερα από αυτά συνδέονται με υψηλό κόστος και δημιουργούν υψηλό βαθμό πολυπλοκότητας στη συνολική δομή.
Μια φώκια παρακολουθεί τη δική της φθορά
Μια λύση που μπορεί να υλοποιηθεί ευκολότερα είναι η χρήση έξυπνων συστημάτων παρακολούθησης. Ως απαραίτητο μέρος οποιουδήποτε τεχνικού ελαστομερούς σύνθετου υλικού, το ενισχυτικό πληρωτικό υλικό μπορεί επίσης να είναι ηλεκτρικά αγώγιμο. Όταν αυτά τα ηλεκτρικά αγώγιμα πληρωτικά αναμιγνύονται στη μήτρα καουτσούκ, το στοιχείο σφράγισης γίνεται ηλεκτρικά αγώγιμο πάνω από ένα όριο διήθησης που καθορίζεται από το σύστημα, όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση. Οι τρέχουσες μεταβολές της διηλεκτρικής αγωγιμότητας είναι σύμφωνες με την κατάσταση του δικτύου πληρωτικών του και, ως εκ τούτου, με τη βλάβη στο στοιχείο σφράγισης.
Συνθήκες δοκιμής
Για να καταδειχθεί η ταυτόχρονη μηχανική και διηλεκτρική συμπεριφορά ενός υλικού σφράγισης και πώς μπορεί να χαρακτηριστεί ταυτόχρονα η εξέλιξη της μηχανικής βλάβης, παρασκευάστηκε ένα καουτσούκ στυρενίου βουταδιενίου (SBR) γεμάτο με 70 φράσεις αιθάλης (N 234). Η μήτρα καουτσούκ συμπεριφέρεται ως μονωτής. Η αιθάλη N 234 είναι ηλεκτρικά αγώγιμη επειδή η επιφάνειά της έχει γραφιτική δομή νανοκρυσταλλιτών. Εδώ, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ποσότητα αιθάλης 70 phr είναι πάνω από το κατώφλι διήθησης, το οποίο αποτελεί απόλυτη προϋπόθεση για τη δημιουργία ενός κλειστού δικτύου πληρωτικού υλικού που παρέχει τις απαραίτητες αγώγιμες διαδρομές.
Οι ταυτόχρονες μηχανικές και διηλεκτρικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τον δυναμικό μηχανικό αναλυτή DMA GABO Eplexor® της NETZSCH (Σχήμα 1), ο οποίος μπορεί να εξοπλιστεί με ειδικές υποδοχές δειγμάτων και έναν διηλεκτρικό ελεγκτή - εξοπλισμένο με ένα διηλεκτρικό φασματόμετρο ευρείας ζώνης (BDS) που παρέχεται από τη Novocontrol GmbH - σε λειτουργία συμπίεσης σε θερμοκρασία δωματίου. Σε αυτόν τον συνδυασμό η συσκευή ονομάζεται επίσης DIPLEXOR. Οι σφιγκτήρες συμπίεσης χρησιμεύουν ως ηλεκτρόδια. Είναι ηλεκτρικά απομονωμένες από το υπόλοιπο όργανο, ώστε να διασφαλίζεται ότι οι διηλεκτρικές ιδιότητες του δείγματος SBR είναι η μόνη πτυχή που μετράται.
Τα δείγματα ήταν κύλινδροι πάχους 2 mm με διάμετρο 10 mm. Το δείγμα επικαλύφθηκε με ένα πολύ λεπτό στρώμα αργύρου προκειμένου να βελτιωθεί η επαφή με τα ηλεκτρόδια και συνεπώς να μειωθεί το αδέσποτο πεδίο. Τα διηλεκτρικά φάσματα καταγράφηκαν σε εύρος συχνοτήτων μεταξύ 1 Hz και 105 Hz. Η στατική δύναμη αυξήθηκε από 20 Ν έως 40 Ν σε βήματα των 5 Ν.
Αποτελέσματα μέτρησης
Εάν το δείγμα SBR συμπιεστεί με μια καθορισμένη στατική δύναμη, το πάχος του μεταβάλλεται ανάλογα. Η αύξηση του πλάτους του στατικού φορτίου μειώνει περαιτέρω το πάχος του δείγματος. Η συμπεριφορά αυτή απεικονίζεται στο σχήμα 2. Μια μεταβολή του πάχους έως και 30% λόγω μηχανικής φόρτισης συσχετίζεται αρκετά καλά με τις διαδικασίες εγκατάστασης των στεγανοποιήσεων σε πραγματικές εφαρμογές.
Η αύξηση της μηχανικής φόρτισης αυξάνει την εσωτερική τριβή εντός του δείγματος SBR λόγω διαδικασιών διάχυσης καθώς και μετατόπισης ή προσανατολισμού των σωματιδίων πληρωτικού υλικού προς τη διεύθυνση της συμπίεσης. Το δίκτυο πληρωτικού υλικού καταστρέφεται προοδευτικά και η ακαμψία του δείγματος μειώνεται. Ως εκ τούτου, η εξέλιξη της βλάβης συνδέεται με σταδιακή μείωση της πυκνότητας των διαδρομών αγωγιμότητας εντός του δείγματος.
Μια πρόσθετη εφαρμογή εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου, E(ω), δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα εντός του δείγματος SBR, επειδή οι ελεύθεροι φορείς ηλεκτρικού φορτίου αποκτούν την ικανότητα να κινούνται κατά μήκος της επιφάνειας των συσσωματωμάτων αιθάλης, τα οποία σχηματίζουν συνεχείς διαδρομές αγωγής από τη μία πλευρά στην άλλη. Η πυκνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος, J(ω), είναι ανάλογη του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, σύμφωνα με τα ακόλουθα:
όπου σ* είναι η μιγαδική διηλεκτρική αγωγιμότητα και ω=2πf είναι η γωνιακή συχνότητα. Η μιγαδική αγωγιμότητα, σ*, αντιπροσωπεύει ένα μέτρο του μεταφερόμενου φορτίου ανά μονάδα χρόνου.
Η μεταβολή του πραγματικού μέρους της μιγαδικής διηλεκτρικής αγωγιμότητας, σ*, λόγω αύξησης του στατικού φορτίου παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.
Σε συχνότητες έως 2000 Hz, το σ' είναι ανεξάρτητο από τη συχνότητα και φθάνει σε μια τιμή οροφής γνωστή ως DC-αγωγιμότητα. Σε υψηλότερες συχνότητες, το σ' εξαρτάται από τη συχνότητα. Η περιοχή αυτή ονομάζεται διηλεκτρική διασπορά επειδή η μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου δεν συνδέεται με στιγμιαία μεταβολή της πόλωσης του δείγματος.
Προφανώς, το πραγματικό μέρος της μιγαδικής διηλεκτρικής αγωγιμότητας, σ ', μειώνεται σε ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων καθώς αυξάνεται η στατική δύναμη, ως συνέπεια της προοδευτικής καταστροφής του δικτύου πλήρωσης. Το γεγονός αυτό συσχετίζεται με τη μείωση της πυκνότητας των μονοπατιών αγωγιμότητας που συμβαίνει σε ολόκληρο το δείγμα SBR λόγω των διαδικασιών μηχανικής καταστροφής που προκαλούνται από το εφαρμοζόμενο στατικό φορτίο.
Επομένως, η μεταβολή του σ ' κατά τη διάρκεια της λειτουργικής ζωής ενός ελαστομερούς υλικού στεγανοποίησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας έξυπνος τρόπος παρακολούθησης της πραγματικής κατάστασης βλάβης. Η συμπεριφορά αυτή γίνεται πιο εμφανής όταν εξετάζεται η μεταβολή του πραγματικού μέρους της μιγαδικής διηλεκτρικής αγωγιμότητας, σ', που οφείλεται σε μεταβαλλόμενο στατικό φορτίο σε δεδομένη διηλεκτρική συχνότητα,fel.
Το Σχήμα 4 απεικονίζει αυτή την εξάρτηση σε μια διηλεκτρική συχνότητα, fel, 10 Hz.
Το σχήμα 4 επιβεβαιώνει τη σχέση μεταξύ της αυξανόμενης στατικής φόρτισης και της μειούμενης σύνθετης διηλεκτρικής αγωγιμότητας. Αυτό αποδίδεται στη μείωση της πυκνότητας στα μονοπάτια αγωγιμότητας εντός του δείγματος SBR και επιτρέπει την παρακολούθηση της πραγματικής κατάστασης βλάβης του δικτύου πληρωτικού υλικού.
Συμπέρασμα
Η δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA) είναι το κύριο σύστημα ελέγχου ποιότητας για τεχνικά προϊόντα υπό μηχανική φόρτιση. Η διηλεκτρική ανάλυση (DEA) υποστηρίζει περαιτέρω τη διαδικασία ανάπτυξης τεχνικών προϊόντων. Το πολύ large διαθέσιμο εύρος συχνοτήτων (σε σύγκριση με τη DMA) επιτρέπει μια σε βάθος μοριακή κατανόηση της εσωτερικής δυναμικής. Αυτή η πολύτιμη εικόνα της μικροδομής ενός υλικού επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων - με ελάχιστη προσπάθεια - σχετικά με την πραγματική κατάσταση βλάβης ενός τελικού τεχνικού προϊόντος κατά την ενεργό λειτουργία, όταν χρησιμοποιούνται ηλεκτρικά αγώγιμα πληρωτικά υλικά. Αποδείχθηκε ότι οι τρέχουσες μεταβολές της διηλεκτρικής αγωγιμότητας είναι σύμφωνες με την κατάσταση του δικτύου πληρωτικών του, και συνεπώς με τη βλάβη στο στοιχείο στεγανοποίησης.
Το DIPLEXOR 500 N προσφέρει ένα μοναδικό πλεονέκτημα: Επιτρέπει τον χαρακτηρισμό των διηλεκτρικών ιδιοτήτων των στοιχείων σφράγισης υπό υψηλό μηχανικό φορτίο, προκειμένου να προσδιοριστούν πρώτα οι ιδιότητές τους και αργότερα η πραγματική τους απόδοση κατά τη λειτουργία.