Johdanto
Tekniikassa termiä "tiiviste" käytetään kuvaamaan elementtejä tai rakenteita, joiden tehtävänä on estää tai rajoittaa ei-toivottujen aineiden siirtymistä paikasta toiseen. Jos esimerkiksi sulkuhana tippuu edelleen, sen tiiviste on viallinen [1]. Elastomeeritiivisteitä käytetään teknisissä sovelluksissa, ja ne suorittavat monenlaisia tiivistystehtäviä. Sovelluksesta riippuen olennaisen tärkeitä alueita ovat materiaalien valinta, niiden suunnittelu, vaadittu tiivisteen geometria tai tiivisteen muoto ja tietenkin fysikaaliset ja kemialliset reunaehdot, joissa räätälöityjä tiivisteitä on tarkoitus käyttää.
Tästä syystä tiivisteen onnistuneen suunnittelun edellytyksenä on yksityiskohtainen tietämys fysikaalisista ja kemiallisista olosuhteista, joille sovellus altistuu, kuten lämpötila- ja painealueet, kemiallinen kestävyys ja siten sopivien inerttien aineiden valinta.
Median vastarinta
Ei kuitenkaan riitä, että tarkastellaan vain lähtöaineiden (eduktien) mediankestävyyttä esimerkiksi teknisten kemikaalien tuotantoketjussa. Tiivisteen on oltava kemiallisesti kestävä myös valmistusprosessissa syntyville tuotteille. Vaadittuun väliaineen kestävyyteen vaikuttavat siis erotettavan tai tiivistettävän väliaineen kanssa kosketuksissa olevat väliaineet, käytön aikana syntyvät väliaineet, ympäröivä ilma, lisäaineet, kuten voiteluaineet, ja kulutusaineet, kuten puhdistusaineet.
Lämpötilan vakaus
Tiivistysmateriaalien käyttölämpötila-alue määritetään mahdollisen jatkuvan käyttölämpötilan perusteella riittävin varmuusvaroin. On myös otettava huomioon, että käytön aikana voi tapahtua hajoamisreaktioita, jotka aiheuttavat tiivistysmateriaalin kutistumista tai turpoamista. Lisäksi käynnistysolosuhteet voivat muuttua lämpötilan, paineen ja kulumisen vuoksi.
Soveltuvuustestien lisäksi tärkeä osa elastomeeritiivisteiden kehitysprosessia on perusteellinen materiaalitestaus. Virumasta palautumisen kokeet ovat tässä avainasemassa.
Mitä ovat virumisen palautumistestit?
Palautumiskokeessa elastomeerista valmistettua näytettä, yleensä sylinterimäistä näytettä, johon kohdistuu puristuskuormitus, deformoidaan vakiolämpötilassa ennalta määrätyn ajan. Tämän jälkeen seuraa vapautusvaihe (eli ei kuormitusta/voimaa), joka yleensä tapahtuu samassa lämpötilassa. Tässäkin tapauksessa "näytteen palautumiselle" asetetaan tietty aika. Helpotuksen jälkeen ihanteellinen tiiviste "suoristuu" välittömästi ilman aikaviivettä lähtökorkeudelle (esim. kimmoinen jousi).
Todelliset tiivisteet käyttäytyvät kuitenkin toisin. Materiaalista, sen sisäisestä rakenteesta, ympäristön lämpötilasta ja medium vaikutuksesta riippuen "kohoaminen" tai palautuminen voi tapahtua hyvin eri tavalla. Usein voi kestää useita tunteja tai jopa päiviä ennen kuin alkuperäinen korkeus saavutetaan uudelleen. On myös mahdollista, että materiaalit eivät enää saavuta alkuperäistä korkeuttaan ja jäävät pysyvästi ja peruuttamattomasti epämuodostuneiksi. Tiivisteen tärkeä laatukriteeri on sen palautusominaisuus:
Kuinka nopeasti ja millä tasolla "neitseelliseen" lähtötasoon verrattuna materiaali palautuu testissä?
Mittausolosuhteet
Materiaalien testauksessa tarvitaan yleensä niin sanottuja "bulkkiominaisuuksia", jotta voidaan tehdä merkittäviä ja luotettavia johtopäätöksiä. Tässä tarkoitetaan large-tilavuusnäytettä. Jos näytteiden mitat ovat liian small, näytteen pinta-alan ja tilavuuden suhde on epäedullinen. Tällöin määritettyjä koetuloksia ei voida enää käyttää suoraan materiaalin ominaisuuksien päättelyyn. Tästä syystä large-tilavuuden testikappaleet olisi altistettava sovelluksessa esiintyville muodonmuutoksille.
Tässä esimerkissä tehdään virumisen palautumiskokeet elastomeerisen tiivistysmateriaalin sylinterimäiselle hiilimustalla täytetylle näytteelle (korkeus: 25 mm, halkaisija: 20 mm) huoneenlämmössä korkeassa kuormituksessa DMA Gabo Eplexor® 2000 N.
Tätä tarkoitusta varten käytettiin näytteen alkuperäiseen korkeuteen perustuvaa 40 prosentin staattista puristusta. Tätä muodonmuutosta säädettiin yhden tunnin ajan ja pidettiin vakiona.
Tämän jälkeen 40 prosentin puristamiseen tarvittava staattinen voima poistettiin "äkillisesti", käytettiin 2 N:n kosketusvoimaa ja kirjattiin palautumisprosessi yhden tunnin ajan. Tällä pienellä voimakomponentilla ei ole minkäänlaista vaikutusta "oikaisuprosessiin", mutta sitä tarvitaan näytteen pitämiseksi tiukasti kiinni.
Mittaustulokset
Kuvassa 1 esitetään muodonmuutoksen ja jännityksen aikakäyrä virumattoman palautumiskokeen aikana.
Näyte on puristettu 40 prosenttia. Aluksi mekaaninen jännitys kasvaa voimakkaasti. Tarvittava alkuvoima on noin 2 400 N (7,5 MPa x 314 mm2 ~2 400 N). Jos muodonmuutostilaa ylläpidetään tunnin ajan, mitataan sovelletun jännityksen lasku. Käytetyistä materiaaleista, niiden sisäisestä rakenteesta ja koostumuksesta riippuen ainekohtainen molekyylien sisäinen liikkuvuus voi usein olla hyvin erilainen. Niin sanottujen relaksaatioprosessien avulla materiaalit kokevat sovelletun jännityksen vähenemisen eri nopeuksilla. Saavutettu jännitystaso ja aika, joka on kulunut ennen tämän "kvasistationaarisen" tilan saavuttamista, antavat tietoa pitkäaikaiskäyttäytymisestä ja mahdollistavat ominaisuusprofiilin arvioinnin todellisissa sovelluksissa. Tässä tapauksessa jännitys saavuttaa lähes vakioarvon 5,5 MPa.
Toisessa vaiheessa staattinen voima poistetaan äkillisesti, ja näytteen pitämiseksi tiukasti kiinni käytetään 2 N:n kosketusvoimaa. Tähän jännityksen alenemiseen liittyy spontaani käänteinen muodonmuutos, joka kestää tässä tapauksessa suhteellisen lyhyen aikaa. Näyte ryömii tai laajenee, ja jo tunnin kuluttua se saavuttaa täyden palautumistilan, joka on vain 94 % (100 % - 6 % = 94 %) sen alkuperäisestä pituudesta. Pysyvä 6 %:n kokoonpuristuma perustuu tässä testatun materiaalin epälineaariseen, viskoelastiseen käyttäytymiseen, ja se viittaa palautumattomaan tilaan.
Päätelmä
Virumakokeet rekisteröivät elastomeeritiivisteiden pituuden muutoksen kuormituksen, pitoajan ja lämpötilan funktiona. Ne ovat välttämätön keino elastomeeritiivisteille asetettujen vaatimusten tarkistamiseksi ja todentamiseksi.
Tutkittu näyte puristui pysyvästi 6 prosenttia kuormitus- ja purkuvaiheen jälkeen, eikä se pystynyt palaamaan alkuperäiseen muotoonsa.
Mittauksen onnistumisen kannalta ratkaisevia tekijöitä ovat laitteen käytettävissä oleva enimmäisvoima, konekohtainen muodonmuutosalue ja tietenkin vakaa lämpötilan säätö, jonka tulisi kattaa mahdollisimman suuri lämpötila-alue. Ensimmäinen valinta on GABO Eplexor® 2000 N:n suurkuormitus-DMA tai vielä parempi GABO Eplexor® 4000 N:n suurkuormitus-DMA.