Pendahuluan
Elemen penyegelan digunakan dalam aplikasi teknis untuk mencegah perpindahan massa antara dua komponen atau ruang tambahan. Profil properti yang diinginkan dicapai terutama melalui berbagai pilihan desain. Selain polimer dan aditif yang diperlukan, pengisi yang digunakan juga memainkan peran penting dalam menetapkan karakteristik elemen penyegelan seperti kekuatan tekan, ketahanan termal dan kimia.
Elemen penyegelan mengalami perubahan terus menerus dalam kondisi operasi dan lingkungan. Mereka tunduk pada proses penuaan alami, termo-oksidatif atau mekanis dan harus diganti setelah waktu tertentu. Syarat untuk efisiensi biaya adalah bahwa paking penyegelan harus digunakan selama masa pakai. Ini berarti bahwa elemen penyegelan tidak boleh diganti terlalu dini, untuk menghemat biaya akuisisi yang tidak perlu, dan tidak terlambat, untuk mencegah kerusakan kebocoran.
Perkembangan kerusakan pada elemen penyegelan dapat dideteksi dengan integrasi beberapa sistem mikro kontrol. Sebagian besar terkait dengan biaya tinggi dan menimbulkan tingkat kerumitan yang tinggi dalam keseluruhan struktur.
Segel Memantau Keausannya Sendiri
Solusi yang dapat direalisasikan dengan lebih mudah adalah penggunaan sistem pemantauan cerdas. Sebagai bagian penting dari komposit elastomer teknis, pengisi penguat juga dapat bersifat konduktif secara elektrik. Ketika pengisi konduktif listrik tersebut dicampur ke dalam matriks karet, elemen penyegelan menjadi konduktif secara listrik di atas ambang batas perkolasi khusus sistem ketika tegangan listrik diterapkan. Perubahan konduktivitas dielektrik saat ini sesuai dengan keadaan jaringan pengisi, dan karenanya kerusakan pada elemen penyegelan.
Kondisi Pengujian
Untuk mengilustrasikan perilaku mekanis dan dielektrik secara simultan dari bahan penyegel dan bagaimana perkembangan kerusakan mekanis dapat dikarakterisasi pada saat yang sama, karet stirena butadiena (SBR) yang diisi dengan Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam 70 phr (N 234) disiapkan. Matriks karet berperilaku sebagai isolator. Karbon hitam N 234 bersifat konduktif secara elektrik karena area permukaannya memiliki struktur nano-kristalit grafit. Di sini, penting untuk dicatat bahwa jumlah Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam 70 phr berada di atas ambang batas perkolasi, yang merupakan prasyarat mutlak untuk membangun jaringan pengisi tertutup yang menyediakan jalur konduktif yang diperlukan.
Pengukuran mekanik dan dielektrik secara simultan dilakukan dengan penganalisis mekanik dinamis DMA GABO Eplexor® oleh NETZSCH (Gambar 1) yang dapat dilengkapi dengan tempat sampel khusus dan pengontrol dielektrik - dilengkapi dengan spektrometer dielektrik pita lebar (BDS) yang dipasok oleh Novocontrol GmbH - dalam mode kompresi pada suhu kamar. Dalam kombinasi ini, perangkat ini juga disebut DIPLEXOR. Klem kompresi berfungsi sebagai elektroda. Mereka diisolasi secara elektrik dari instrumen lainnya untuk memastikan bahwa sifat dielektrik sampel SBR adalah satu-satunya aspek yang diukur.
Sampel berupa silinder setebal 2 mm dengan diameter 10 mm. Sampel dilapisi dengan lapisan perak yang sangat tipis untuk meningkatkan kontak dengan elektroda dan karenanya mengurangi medan liar. Spektrum dielektrik direkam dalam rentang frekuensi antara 1 Hz dan 105 Hz. Gaya statis ditingkatkan dari 20 N menjadi 40 N dalam langkah 5-N.
Hasil Pengukuran
Jika sampel SBR dikompresi dengan gaya statis yang ditentukan, ketebalannya akan berubah. Meningkatkan amplitudo beban statis semakin mengurangi ketebalan sampel. Perilaku ini digambarkan pada Gambar 2. Perubahan ketebalan hingga 30% karena pembebanan mekanis berkorelasi cukup baik dengan prosedur pemasangan segel dalam aplikasi nyata.
Meningkatkan pembebanan mekanis meningkatkan gesekan internal dalam sampel SBR karena proses difusi serta perpindahan atau orientasi partikel pengisi ke arah kompresi. Jaringan pengisi semakin hancur dan kekakuan sampel menurun. Oleh karena itu, perkembangan kerusakan dikaitkan dengan penurunan KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan jalur konduksi secara bertahap di dalam sampel.
Aplikasi tambahan medan listrik bolak-balik, E (ω), menghasilkan arus listrik di dalam sampel SBR karena pembawa muatan listrik bebas mendapatkan kemampuan untuk bergerak di sepanjang permukaan gugus Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam, yang membentuk jalur konduksi kontinu dari satu sisi ke sisi lainnya. Kerapatan arus listrik, J (ω), sebanding dengan medan listrik yang diterapkan, seperti berikut ini:
di mana σ* adalah konduktivitas dielektrik kompleks dan ω = 2πf adalah frekuensi sudut. Konduktivitas kompleks, σ*, merupakan ukuran muatan yang diangkut per unit waktu.
Variasi pada bagian nyata dari konduktivitas dielektrik kompleks, σ*, karena peningkatan beban statis ditunjukkan pada Gambar 3.
Pada frekuensi hingga 2000 Hz, σ' tidak bergantung pada frekuensi dan mencapai nilai dataran tinggi yang dikenal sebagai konduktivitas DC. Pada frekuensi yang lebih tinggi, σ' menjadi bergantung pada frekuensi. Area ini disebut dispersi dielektrik karena variasi medan listrik tidak terkait dengan perubahan seketika dalam polarisasi sampel.
Jelas, bagian nyata dari konduktivitas dielektrik yang kompleks, σ', menurun pada seluruh rentang frekuensi saat gaya statis meningkat, sebagai konsekuensi dari penghancuran progresif jaringan pengisi. Fakta ini berkorelasi dengan penurunan kerapatan jalur konduksi yang terjadi di seluruh sampel SBR karena proses penghancuran mekanis yang disebabkan oleh beban statis yang diterapkan.
Oleh karena itu, variasi σ' selama masa operasional bahan penyegel elastomer dapat digunakan sebagai cara cerdas untuk memantau kondisi kerusakan yang sebenarnya. Perilaku ini menjadi lebih jelas ketika variasi bagian nyata dari konduktivitas dielektrik kompleks, σ', yang disebabkan oleh berbagai beban statis diperiksa pada frekuensi dielektrik yang diberikan,fel.
Gambar 4 mengilustrasikan ketergantungan ini pada frekuensi dielektrik, fel, 10 Hz.
Gambar 4 menegaskan hubungan antara peningkatan pembebanan statis dan penurunan konduktivitas dielektrik kompleks. Hal ini disebabkan oleh penurunan kerapatan pada jalur konduksi di dalam sampel SBR dan memungkinkan pemantauan kondisi aktual kerusakan jaringan pengisi.
Kesimpulan
Analisis mekanis dinamis (DMA) adalah sistem kontrol kualitas utama untuk produk teknis di bawah beban mekanis. Analisis dielektrik (DEA) lebih lanjut mendukung proses pengembangan produk teknis. Rentang frekuensi yang sangat large tersedia (dibandingkan dengan DMA) memungkinkan pemahaman molekuler yang mendalam tentang dinamika bagian dalam. Wawasan yang berharga tentang struktur mikro material ini memungkinkan kesimpulan yang dapat diambil - dengan sedikit usaha - tentang kondisi aktual kerusakan produk teknis yang sudah jadi selama operasi aktif, ketika pengisi konduktif listrik digunakan. Terlihat bahwa perubahan konduktivitas dielektrik saat ini sesuai dengan kondisi jaringan pengisi, dan karenanya kerusakan pada elemen penyegelan.
DIPLEXOR 500 N menawarkan keuntungan unik: Ini memungkinkan karakterisasi sifat dielektrik elemen penyegelan di bawah beban mekanis yang tinggi, untuk menentukan sifat-sifatnya terlebih dahulu dan kemudian kinerja aktualnya selama operasi.