Introducción
Los elementos de estanquidad se utilizan en aplicaciones técnicas para evitar la transferencia de masa entre dos componentes o cámaras auxiliares. El perfil de propiedades deseado se consigue principalmente mediante diversas opciones de diseño. Además del polímero y los aditivos necesarios, el relleno utilizado también desempeña un papel crucial a la hora de establecer las características de un elemento de estanquidad, como la resistencia a la compresión y la resistencia térmica y química.
Los elementos de estanquidad sufren cambios continuos en las condiciones de funcionamiento y ambientales. Están sometidos a procesos de envejecimiento naturales, termooxidativos o mecánicos y deben sustituirse al cabo de cierto tiempo. La condición para la rentabilidad es que una junta de estanquidad se utilice durante toda su vida útil. Esto significa que el elemento de estanquidad no debe sustituirse demasiado pronto, para ahorrar costes de adquisición innecesarios, ni demasiado tarde, para evitar daños por fugas.
La aparición de daños en los elementos de estanquidad puede detectarse mediante la integración de varios microsistemas de control. La mayoría de ellos están asociados a costes elevados y engendran un alto grado de complejidad en la estructura general.
Una foca controla su propio desgaste
Una solución que puede realizarse más fácilmente es el uso de sistemas de control inteligentes. Como parte necesaria de cualquier compuesto técnico de elastómeros, el relleno de refuerzo también puede ser conductor de la electricidad. Cuando esas cargas conductoras de la electricidad se mezclan con la matriz de caucho, el elemento de sellado se vuelve conductor de la electricidad por encima de un umbral de percolación específico del sistema cuando se aplica una tensión eléctrica. Los cambios actuales en la conductividad dieléctrica están en consonancia con el estado de su red de relleno y, por tanto, con los daños en el elemento sellador.
Condiciones de la prueba
Para ilustrar el comportamiento mecánico y dieléctrico simultáneo de un material de sellado y cómo puede caracterizarse al mismo tiempo la progresión de los daños mecánicos, se preparó un caucho de estireno butadieno (SBR) relleno con 70 phr de Negro de humoTemperature and atmosphere (purge gas) affect the mass change results. By changing the atmosphere from, e.g., nitrogen to air during the TGA measurement, separation and quantification of additives, e.g., carbon black, and the bulk polymer can become possible.negro de humo (N 234). La matriz de caucho se comporta como un aislante. El Negro de humoTemperature and atmosphere (purge gas) affect the mass change results. By changing the atmosphere from, e.g., nitrogen to air during the TGA measurement, separation and quantification of additives, e.g., carbon black, and the bulk polymer can become possible.negro de humo N 234 es conductor de la electricidad porque su superficie tiene una estructura de nanocristalitos grafíticos. Aquí es importante señalar que la cantidad de negro de humo de 70 phr está por encima del umbral de percolación, que es un requisito previo absoluto para construir una red de relleno cerrada que proporcione las vías conductoras necesarias.
Las mediciones mecánicas y dieléctricas simultáneas se realizaron con el analizador mecánico dinámico DMA GABO Eplexor® de NETZSCH (Figura 1), que puede equiparse con soportes de muestra especiales y un controlador dieléctrico -equipado con un espectrómetro dieléctrico de banda ancha (BDS) suministrado por Novocontrol GmbH- en modo de compresión a temperatura ambiente. En esta combinación, el dispositivo también se denomina DIPLEXOR. Las pinzas de compresión sirven de electrodos. Están aisladas eléctricamente del resto del instrumento para garantizar que las propiedades dieléctricas de la muestra de SBR son el único aspecto que se mide.
Las muestras eran cilindros de 2 mm de espesor y 10 mm de diámetro. La muestra se recubrió con una capa muy fina de plata para mejorar el contacto con los electrodos y reducir así el campo de dispersión. Los espectros dieléctricos se registraron en un rango de frecuencias entre 1 Hz y 105 Hz. La fuerza estática se incrementó de 20 N a 40 N en pasos de 5 N.
Resultados de las mediciones
Si la muestra de SBR se comprime con una fuerza estática definida, su grosor cambia en consecuencia. El aumento de la amplitud de la carga estática reduce aún más el espesor de la muestra. Este comportamiento se representa en la figura 2. Un cambio de hasta el 30% en el espesor debido a la carga mecánica se correlaciona bastante bien con los procedimientos de instalación de juntas en aplicaciones reales.
El aumento de la carga mecánica incrementa la fricción interna dentro de la muestra de SBR debido a los procesos de difusión, así como al desplazamiento u orientación de las partículas de relleno en la dirección de compresión. La red de relleno se destruye progresivamente y la rigidez de la muestra disminuye. Por lo tanto, la progresión del daño está asociada a una disminución gradual de la DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad de las vías de conducción dentro de la muestra.
Una aplicación adicional de un campo eléctrico alterno, E(ω), genera una corriente eléctrica dentro de la muestra de SBR porque los portadores de carga eléctrica libres adquieren la capacidad de moverse a lo largo de la superficie de los grupos de negro de humo, que forman caminos de conducción continuos de un lado a otro. La DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad de corriente eléctrica, J(ω), es proporcional al campo eléctrico aplicado, según se indica a continuación:
donde σ* es la conductividad dieléctrica compleja y ω=2πf es la frecuencia angular. La conductividad compleja, σ*, representa una medida de la carga transportada por unidad de tiempo.
En la figura 3 se muestra la variación de la parte real de la conductividad dieléctrica compleja, σ*, debida al aumento de una carga estática.
A frecuencias de hasta 2000 Hz, σ' es independiente de la frecuencia y alcanza un valor de meseta conocido como conductividad CC. A frecuencias más altas, σ' pasa a depender de la frecuencia. Esta zona se denomina dispersión dieléctrica porque la variación del campo eléctrico no está asociada a un cambio instantáneo de la polarización de la muestra.
Obviamente, la parte real de la conductividad dieléctrica compleja, σ ', disminuye en todo el rango de frecuencias a medida que aumenta la fuerza estática, como consecuencia de la destrucción progresiva de la red de relleno. Este hecho está correlacionado con una reducción de la densidad del camino de conducción que se produce en toda la muestra de SBR debido a los procesos de destrucción mecánica provocados por la carga estática aplicada.
Por lo tanto, la variación de σ ' durante la vida operativa de un material de sellado elastomérico puede utilizarse como una forma inteligente de monitorizar el estado de daño real. Este comportamiento se hace más evidente cuando se examina la variación de la parte real de la conductividad dieléctrica compleja, σ', debida a la variación de la carga estática a una frecuencia dieléctrica dada,fel.
La figura 4 ilustra esta dependencia a una frecuencia dieléctrica, fel, de 10 Hz.
La figura 4 confirma la relación entre el aumento de la carga estática y la disminución de la conductividad dieléctrica compleja. Esto se atribuye a la disminución de la densidad en las vías de conducción dentro de la muestra de SBR y permite el seguimiento del estado real de daño de la red de relleno.
Conclusión
El análisis mecánico dinámico (AMD) es el principal sistema de control de calidad de los productos técnicos sometidos a carga mecánica. El análisis dieléctrico (DEA) contribuye aún más al proceso de desarrollo de productos técnicos. La gama de frecuencias disponible, muy large (en comparación con el DMA), permite una comprensión molecular en profundidad de la dinámica interna. Este valioso conocimiento de la microestructura de un material permite extraer conclusiones -con un esfuerzo mínimo- sobre el estado real de deterioro de un producto técnico acabado durante su funcionamiento activo, cuando se utilizan rellenos conductores de la electricidad. Se ha demostrado que los cambios actuales en la conductividad dieléctrica están en consonancia con el estado de su red de relleno y, por tanto, con el daño en el elemento de estanqueidad.
El DIPLEXOR 500 N ofrece una ventaja única: permite caracterizar las propiedades dieléctricas de los elementos de estanquidad sometidos a una elevada carga mecánica, con el fin de determinar primero sus propiedades y después su rendimiento real durante el funcionamiento.