Johdanto
Tiivistyselementtejä käytetään teknisissä sovelluksissa estämään massan siirtyminen kahden komponentin tai apukammion välillä. Haluttu ominaisuusprofiili saavutetaan ensisijaisesti erilaisilla suunnitteluvaihtoehdoilla. Polymeerin ja tarvittavien lisäaineiden lisäksi myös käytetyllä täyteaineella on ratkaiseva merkitys tiivisteen ominaisuuksien, kuten puristuslujuuden, lämmönkestävyyden ja kemiallisen kestävyyden, määrityksessä.
Tiivistyselementit muuttuvat jatkuvasti käyttö- ja ympäristöolosuhteissa. Ne altistuvat luonnollisille, termo-oksidatiivisille tai mekaanisille vanhenemisprosesseille, ja ne on vaihdettava tietyn ajan kuluttua. Kustannustehokkuuden edellytyksenä on, että tiivistettä käytetään koko sen käyttöiän ajan. Tämä tarkoittaa sitä, että tiiviste ei saa vaihtaa liian aikaisin, jotta säästetään tarpeettomilta hankintakustannuksilta, eikä liian myöhään, jotta estetään vuotovahingot.
Tiivisteiden vaurioiden kehittyminen voidaan havaita integroimalla useita valvontamikrojärjestelmiä. Useimmat näistä järjestelmistä aiheuttavat suuria kustannuksia ja monimutkaistavat kokonaisrakennetta.
Hylje valvoo omaa kulumistaan
Helpommin toteutettavissa oleva ratkaisu on älykkäiden valvontajärjestelmien käyttö. Teknisten elastomeerikomposiittien välttämättömänä osana vahvistava täyteaine voi olla myös sähköä johtavaa. Kun nämä sähköä johtavat täyteaineet sekoitetaan kumimatriisiin, tiivisteestä tulee sähköä johtava järjestelmäkohtaisen perkolaatiokynnyksen yläpuolella, kun siihen kytketään sähköjännite. Sähkönjohtavuuden nykyiset muutokset ovat sen täyteaineverkoston tilan ja siten tiivisteen vaurion mukaisia.
Testiolosuhteet
Tiivistysmateriaalin samanaikaisen mekaanisen ja dielektrisen käyttäytymisen havainnollistamiseksi ja sen havainnollistamiseksi, miten mekaanisen vaurion etenemistä voidaan luonnehtia samanaikaisesti, valmistettiin styreenibutadieenikumi (SBR), joka oli täytetty 70 fraasin hiilimustalla (N 234). Kumimatriisi käyttäytyy eristeenä. N 234 -HiilimustaLämpötila ja ilmakehä (puhdistuskaasu) vaikuttavat massanmuutostuloksiin. Vaihtamalla ilmakehä esimerkiksi typestä ilmaan TGA-mittauksen aikana voidaan lisäaineet, esimerkiksi hiilimusta, ja polymeerin irtotavaran erottaa toisistaan ja määrittää määrällisesti.hiilimusta on sähköä johtavaa, koska sen pinta-alalla on grafiittinen nanokiteinen rakenne. Tässä yhteydessä on tärkeää huomata, että 70 phr:n hiilimustamäärä ylittää perkolaatiokynnyksen, joka on ehdoton edellytys suljetun täyteaineverkoston rakentamiselle, joka tarjoaa tarvittavat johtavat reitit.
Samanaikaiset mekaaniset ja dielektriset mittaukset suoritettiin dynaamisella mekaanisella analysaattorilla DMA Gabo Eplexor® ( NETZSCH ) (kuva 1), joka voidaan varustaa erityisillä näytteenpitimillä ja dielektrisellä ohjaimella - joka on varustettu Novocontrol GmbH:n toimittamalla laajakaistaisella dielektrisellä spektrometrillä (BDS) - puristustilassa huoneenlämmössä. Tässä yhdistelmässä laitetta kutsutaan myös nimellä DiPLEXOR®. Puristuspidikkeet toimivat elektrodeina. Ne on eristetty sähköisesti muusta laitteesta, jotta voidaan varmistaa, että ainoastaan SBR-näytteen dielektrisiä ominaisuuksia mitataan.
Näytteet olivat 2 mm paksuja lieriöitä, joiden halkaisija oli 10 mm. Näyte päällystettiin hyvin ohuella hopeakerroksella, jotta parannettiin kontaktia elektrodien kanssa ja vähennettiin siten hajakenttää. Dielektriset spektrit tallennettiin taajuusalueella 1 Hz - 105 Hz. Staattista voimaa lisättiin 20 N:stä 40 N:iin 5 N:n askelin.
Mittaustulokset
Jos SBR-näytettä puristetaan tietyllä staattisella voimalla, sen paksuus muuttuu vastaavasti. Staattisen kuormituksen amplitudin kasvattaminen pienentää näytteen paksuutta entisestään. Tämä käyttäytyminen on esitetty kuvassa 2. Mekaanisesta kuormituksesta johtuva jopa 30 prosentin muutos paksuudessa korreloi melko hyvin todellisissa sovelluksissa käytettävien tiivisteiden asennusmenettelyjen kanssa.
Mekaanisen kuormituksen lisääminen lisää sisäistä kitkaa SBR-näytteessä, mikä johtuu diffuusioprosesseista sekä täyteainehiukkasten siirtymisestä tai suuntautumisesta puristussuunnassa. Täyteaineverkosto tuhoutuu vähitellen ja näytteen jäykkyys vähenee. Vaurion etenemiseen liittyy siis johtoratojen tiheyden asteittainen väheneminen näytteessä.
Jos SBR-näytteeseen lisätään vaihtelevaa sähkökenttää E(ω), syntyy sähkövirta, koska vapaat sähkövarauksen kantajat saavat kyvyn liikkua hiilimustaklusterien pintaa pitkin, jolloin ne muodostavat jatkuvia johtoratoja puolelta toiselle. Sähkövirran TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys, J(ω), on verrannollinen sovellettuun sähkökenttään seuraavasti:
jossa σ* on kompleksinen dielektrinen johtavuus ja ω=2πf on kulmataajuus. Kompleksinen johtavuus σ* edustaa aikayksikköä kohti kulkeutuvan varauksen määrää.
Kompleksisen dielektrisen johtavuuden reaaliosan σ* vaihtelu staattisen kuorman kasvun seurauksena on esitetty kuvassa 3.
Enintään 2000 Hz:n taajuuksilla σ' on taajuudesta riippumaton ja saavuttaa tasotason arvon, jota kutsutaan DC-johtokyvyksi. Suuremmilla taajuuksilla σ' muuttuu taajuusriippuvaiseksi. Tätä aluetta kutsutaan dielektriseksi dispersioksi, koska sähkökentän vaihteluun ei liity hetkellistä muutosta näytteen polarisaatiossa.
On selvää, että kompleksisen dielektrisen johtavuuden reaaliosa σ ' pienenee koko taajuusalueella staattisen voiman kasvaessa, mikä on seurausta täyteaineverkoston asteittaisesta tuhoutumisesta. Tämä tosiasia korreloi johtoreittien tiheyden vähenemiseen, joka tapahtuu koko SBR-näytteessä staattisen kuormituksen aiheuttamien mekaanisten tuhoutumisprosessien vuoksi.
Siksi σ ':n vaihtelua elastomeerisen tiivistysmateriaalin käyttöiän aikana voidaan käyttää älykkäänä tapana seurata todellista vauriotilaa. Tämä käyttäytyminen käy selvemmin ilmi, kun tutkitaan kompleksisen dielektrisen johtavuuden reaaliosan σ' vaihtelua, joka johtuu vaihtelevasta staattisesta kuormituksesta, tietyllä dielektrisellä taajuudellafel.
Kuvassa 4 esitetään tämä riippuvuus 10 Hz:n dielektrisellä taajuudella fel.
Kuva 4 vahvistaa kasvavan staattisen kuormituksen ja pienenevän kompleksisen dielektrisen johtavuuden välisen suhteen. Tämä johtuu SBR-näytteen sisällä olevien johtoratojen tiheyden vähenemisestä, ja sen avulla voidaan seurata täyteaineverkoston todellista vaurioitumistilaa.
Päätelmä
Dynaaminen mekaaninen analyysi (DMA) on tärkein laadunvalvontajärjestelmä mekaanisesti kuormitetuille teknisille tuotteille. Dielektrinen analyysi (DEA) tukee lisäksi teknisten tuotteiden kehitysprosessia. Erittäin large käytettävissä oleva taajuusalue (verrattuna DMA:han) mahdollistaa sisäisen dynamiikan syvällisen molekyylitason ymmärtämisen. Tämä arvokas näkemys materiaalin mikrorakenteesta mahdollistaa - pienellä vaivalla - johtopäätösten tekemisen valmiin teknisen tuotteen todellisesta vauriotilanteesta aktiivisen käytön aikana, kun käytetään sähköä johtavia täyteaineita. Osoitettiin, että dielektrisen johtavuuden nykyiset muutokset ovat sopusoinnussa sen täyteaineverkoston tilan ja siten tiivisteen vaurioitumisen kanssa.
DiPLEXOR® 500 N tarjoaa ainutlaatuisen edun: sen avulla voidaan karakterisoida tiivisteiden dielektriset ominaisuudet suuressa mekaanisessa kuormituksessa, jotta voidaan määrittää ensin niiden ominaisuudet ja myöhemmin niiden todellinen suorituskyky käytön aikana.