Bevezetés
A tömítőelemeket műszaki alkalmazásokban két alkatrész vagy segédkamra közötti tömegátadás megakadályozására használják. A kívánt tulajdonságprofil elsősorban a különböző kialakítási lehetőségek révén érhető el. A polimer és a szükséges adalékanyagok mellett a felhasznált töltőanyag is döntő szerepet játszik a tömítőelem tulajdonságainak, például a nyomószilárdságnak, a hő- és a vegyi ellenállásnak a meghatározásában.
A tömítőelemek az üzemeltetési és környezeti feltételek folyamatos változásának vannak kitéve. Természetes, termo-oxidatív vagy mechanikai öregedési folyamatoknak vannak kitéve, és egy bizonyos idő után ki kell őket cserélni. A költséghatékonyság feltétele, hogy a tömítőtömítést a teljes élettartama alatt használják. Ez azt jelenti, hogy a tömítőelemet nem szabad túl korán cserélni, hogy megtakarítsuk a felesleges beszerzési költségeket, és nem szabad túl későn cserélni, hogy megelőzzük a szivárgási károkat.
A tömítőelemek károsodásának kialakulása több ellenőrző mikrorendszer integrálásával detektálható. Ezek többsége magas költségekkel jár, és nagyfokú komplexitást eredményez a teljes szerkezetben.
Egy fóka figyeli saját kopását
A könnyebben megvalósítható megoldás az intelligens felügyeleti rendszerek használata. A műszaki elasztomer kompozitok szükséges részeként az erősítő töltőanyag elektromosan is vezetőképes lehet. Amikor ezeket az elektromosan vezető töltőanyagokat a gumimátrixba keverik, a tömítőelem elektromos feszültség alkalmazása esetén egy rendszerspecifikus perkolációs küszöbérték felett elektromosan vezetővé válik. A dielektromos vezetőképesség áramváltozása összhangban van a töltőanyag-hálózatának állapotával, és így a tömítőelemben bekövetkező károsodással.
Vizsgálati feltételek
Egy tömítőanyag egyidejű mechanikai és dielektromos viselkedésének illusztrálására, valamint annak bemutatására, hogy a mechanikai károsodás előrehaladása hogyan jellemezhető egyidejűleg, 70 phr szénfeketével (N 234) töltött sztirol-butadién gumi (SBR) készült. A gumimátrix szigetelőként viselkedik. Az N 234 SzénfeketeA hőmérséklet és a légkör (tisztítógáz) befolyásolja a tömegváltozási eredményeket. Ha a TGA-mérés során a légkört pl. nitrogénről levegőre változtatjuk, lehetővé válik az adalékanyagok, pl. a korom, és az ömlesztett polimer elválasztása és mennyiségi meghatározása. korom elektromosan vezető, mivel felülete grafitos nanokristályos szerkezetű. Itt fontos megjegyezni, hogy a 70 phr SzénfeketeA hőmérséklet és a légkör (tisztítógáz) befolyásolja a tömegváltozási eredményeket. Ha a TGA-mérés során a légkört pl. nitrogénről levegőre változtatjuk, lehetővé válik az adalékanyagok, pl. a korom, és az ömlesztett polimer elválasztása és mennyiségi meghatározása.szénfekete mennyisége meghaladja a perkolációs küszöbértéket, ami abszolút előfeltétele a szükséges vezető utakat biztosító zárt töltőanyag-hálózat kialakításának.
Az egyidejű mechanikai és dielektromos méréseket a NETZSCH (1. ábra) DMA GABO Eplexor® dinamikus mechanikai analizátorával végeztük, amely speciális mintatartókkal és dielektromos szabályozóval - a Novocontrol GmbH által szállított szélessávú dielektromos spektrométerrel (BDS) felszerelhető - kompressziós üzemmódban, szobahőmérsékleten. Ebben a kombinációban a készüléket DIPLEXOR néven is emlegetik. A kompressziós bilincsek elektródaként szolgálnak. Ezek elektromosan el vannak szigetelve a készülék többi részétől, hogy csak az SBR minta dielektromos tulajdonságait lehessen mérni.
A minták 2 mm vastagságú, 10 mm átmérőjű hengerek voltak. A mintát nagyon vékony ezüstréteggel vonták be, hogy javítsák az elektródákkal való érintkezést, és ezáltal csökkentsék a szórt mezőt. A dielektromos spektrumokat 1 Hz és 105 Hz közötti frekvenciatartományban vettük fel. A statikus erőt 20 N-ről 40 N-ra növeltük 5 N lépésekben.
Mérési eredmények
Ha az SBR-mintát egy meghatározott statikus erővel összenyomjuk, a vastagsága ennek megfelelően változik. A statikus terhelés amplitúdójának növelése tovább csökkenti a minta vastagságát. Ezt a viselkedést a 2. ábra mutatja be. A mechanikai terhelés hatására bekövetkező, akár 30%-os vastagságváltozás meglehetősen jól korrelál a valós alkalmazásokban alkalmazott tömítések beépítési eljárásaival.
A mechanikai terhelés növelése növeli a belső súrlódást az SBR-mintán belül a diffúziós folyamatok, valamint a töltőanyag-részecskéknek a tömörítés irányába történő elmozdulása vagy orientációja miatt. A töltőanyag-hálózat fokozatosan tönkremegy, és a minta merevsége csökken. Ezért a károsodás előrehaladása a mintán belüli vezetési utak SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségének fokozatos csökkenésével jár.
A váltakozó elektromos tér (E(ω)) további alkalmazása elektromos áramot hoz létre az SBR-mintán belül, mivel a szabad elektromos töltéshordozók képessé válnak arra, hogy a SzénfeketeA hőmérséklet és a légkör (tisztítógáz) befolyásolja a tömegváltozási eredményeket. Ha a TGA-mérés során a légkört pl. nitrogénről levegőre változtatjuk, lehetővé válik az adalékanyagok, pl. a korom, és az ömlesztett polimer elválasztása és mennyiségi meghatározása.szénfekete klaszterek felülete mentén mozogjanak, amelyek folyamatos vezetési utakat képeznek egyik oldalról a másikra. Az elektromos áramsűrűség, J(ω), a következők szerint arányos az alkalmazott elektromos térrel:
ahol σ* a komplex dielektromos vezetőképesség és ω=2πf a szögfrekvencia. A komplex vezetőképesség σ* az időegységenként szállított töltés mértékét jelenti.
A komplex dielektromos vezetőképesség valós részének, σ*, változása a statikus terhelés növekedése miatt a 3. ábrán látható.
2000 Hz-ig a σ' frekvencia független a frekvenciától, és elér egy egyenáramú vezetőképességként ismert plató értéket. Magasabb frekvenciákon σ' frekvenciafüggővé válik. Ezt a területet dielektromos diszperziónak nevezzük, mivel az elektromos tér változása nem jár együtt a minta polarizációjának pillanatnyi változásával.
Nyilvánvaló, hogy a komplex dielektromos vezetőképesség valós része, σ ', a teljes frekvenciatartományban csökken a statikus erő növelésével, a töltőanyag-hálózat fokozatos pusztulásának következményeként. Ez a tény összefügg a vezetési útsűrűség csökkenésével, amely az egész SBR-mintában bekövetkezik az alkalmazott statikus terhelés okozta mechanikai roncsolódási folyamatok miatt.
Ezért a σ ' változása egy elasztomer tömítőanyag működési élettartama alatt intelligens módon használható a tényleges károsodási állapot nyomon követésére. Ez a viselkedés még nyilvánvalóbbá válik, ha a komplex dielektromos vezetőképesség valós részének, σ', a változó statikus terhelés hatására bekövetkező változást vizsgáljuk egy adott dielektromos frekvencián,fel.
A 4. ábra ezt a függést 10 Hz-es dielektromos frekvencián, fel, szemlélteti.
A 4. ábra megerősíti a növekvő statikus terhelés és a csökkenő komplex dielektromos vezetőképesség közötti összefüggést. Ez az SBR-mintán belüli vezetési utak SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségének csökkenésének tulajdonítható, és lehetővé teszi a töltőanyag-hálózat tényleges károsodási állapotának nyomon követését.
Következtetés
A dinamikus mechanikai elemzés (DMA) a mechanikai terhelésnek kitett műszaki termékek fő minőségellenőrzési rendszere. A dielektromos elemzés (DEA) tovább támogatja a műszaki termékek fejlesztési folyamatát. A nagyon large elérhető frekvenciatartomány (a DMA-hoz képest) lehetővé teszi a belső dinamika mélyreható molekuláris megértését. Ez az értékes betekintés az anyag mikroszerkezetébe lehetővé teszi, hogy - minimális erőfeszítéssel - következtetéseket lehessen levonni a kész műszaki termék tényleges károsodási állapotáról az aktív működés során, amikor elektromosan vezető töltőanyagokat használnak. Kimutatták, hogy a dielektromos vezetőképesség aktuális változásai összhangban vannak a töltőanyag-hálózatának állapotával, és így a tömítőelem károsodásával.
A DIPLEXOR 500 N egyedülálló előnyt kínál: lehetővé teszi a tömítőelemek dielektromos tulajdonságainak jellemzését nagy mechanikai terhelés alatt, hogy először a tulajdonságaik, majd később a működés során a tényleges teljesítményük meghatározható legyen.