はじめに
シーリングエレメントは、2つのコンポーネントまたは補助チャンバー間の物質移動を防止するために、技術的なアプリケーションで使用されます。所望の特性プロファイルは、主に様々な設計オプションによって達成されます。ポリマーや必要な添加剤の他に、使用されるフィラーも、圧縮強度、熱抵抗、耐薬品性など、シーリングエレメントの特性を確立する上で重要な役割を果たします。
シーリング・エレメントは、使用条件や環境条件によって絶えず変化します。自然的、熱酸化的、機械的な経年変化を受けるため、一定期間が経過したら交換しなければなりません。コスト効率の条件として、シール・ガスケットは耐用年数全体にわたって使用する必要があります。つまり、シーリング・エレメントは、不必要な取得コストを節約するためには早すぎる時期に交換すべきではなく、漏れの損傷を防ぐためには遅すぎる時期に交換すべきではないということです。
シーリング・エレメントの損傷は、いくつかの制御マイクロシステムを統合することで検知することができる。これらのほとんどは、高いコストと全体構造の複雑さを伴う。
アザラシが自らの摩耗を監視する
より簡単に実現できる解決策は、インテリジェント・モニタリング・システムの使用である。技術的なエラストマー複合材料に必要な部分として、補強フィラーも導電性であることがある。これらの導電性フィラーがゴムマトリックスに混合されると、電気電圧が印加されたときに、シーリングエレメントはシステム固有のパーコレーションしきい値を超えて導電性になる。誘電導電率の電流変化はフィラーネットワークの状態、ひいてはシーリングエレメントの損傷に対応します。
テスト条件
シール材の機械的挙動と誘電的挙動を同時に説明し、機械的損傷の進行を同時に評価するために、70phrのカーボンブラック（N 234）を充填したスチレンブタジエンゴム（SBR）を作製した。ゴムマトリックスは絶縁体として挙動する。N234カーボンブラックは、その表面積がグラファイト状ナノ結晶構造を有するため、導電性を有する。ここで重要なことは、70phrのカーボンブラック量は、必要な導電経路を提供する閉じたフィラーネットワークを構築するための絶対条件であるパーコレーション閾値を上回っていることである。
動的粘弾性測定と誘電率測定の同時測定は，NETZSCH （図1）の動的粘弾性測定装置（DMA Gabo Eplexor® ）を用いて行った。この装置は，Novocontrol GmbHが供給する広帯域誘電スペクトロメーター（BDS）を備えた特殊な試料ホルダーと誘電コントローラーを装備することができ，室温で圧縮モードでの測定が可能である。この組み合わせでは、この装置はDiPLEXOR® とも呼ばれます。圧縮クランプは電極として機能します。SBR試料の誘電特性のみを確実に測定するため、装置の他の部分とは電気的に絶縁されている。
試料は、直径10mmの厚さ2mmの円柱である。試料は、電極との接触を改善し、迷走磁場を低減するために、非常に薄い銀層でコーティングした。誘電スペクトルは1Hzから105Hzの周波数範囲で記録した。静電気力は20Nから40Nまで5Nステップで増加させた。
測定結果
SBR試料を規定の静荷重で圧縮すると、それに応じて厚みが変化します。静荷重の振幅を大きくすると、試料の厚みはさらに減少します。この挙動を図2に示します。機械的負荷による最大30％の厚みの変化は、実際の用途におけるシールの取り付け手順とよく相関しています。
機械的荷重を増加させると、拡散プロセスやフィラー粒子の圧縮方向への変位や配向により、SBR試料内の内部摩擦が増加します。フィラーネットワークは徐々に破壊され、試料の剛性は低下します。したがって、損傷の進行は、試料内の伝導経路の密度が徐々に低下することと関連している。
さらに交流電界E(ω)を印加すると、自由電荷キャリアがカーボンブラッククラスターの表面に沿って移動する能力を獲得するため、SBR試料内に電流が発生し、片側から反対側へと連続した伝導経路が形成される。電流密度J(ω)は、以下のように、印加された電界に比例する：
ここで、σ*は複素誘電率、ω=2πfは角周波数である。複素伝導率σ*は、単位時間当たりに輸送される電荷の尺度を表す。
静荷重の増加による複素誘電率σ*の実部の変化を図3に示す。
2000Hzまでの周波数では、σ'は周波数に依存せず、DC導電率として知られるプラトー値に達します。それ以上の周波数では、σ'は周波数に依存するようになります。この領域は誘電分散と呼ばれますが、これは電界の変化が試料の分極の瞬間的な変化と関連していないためです。
明らかに，複素誘電率σ ' の実部は，フィラーネットワークが徐々に破壊される結果として，静的な力が増加するにつれて，全周波数範囲にわたって減少する。この事実は、静的荷重による機械的破壊プロセスによってSBR試料全体に生じる伝導経路密度の低下と相関している。
したがって、エラストマーシーリング材の使用期間中のσ ' の変化は、実際の損傷状態をモニターするスマートな方法として使用することができます。この挙動は、与えられた誘電周波数fel.において、静荷重の変化による複素誘電率σ'の実部の変化を調べると、より明らかになります。
図4は、誘電周波数felが10Hzのときのこの依存性を示している。
図4から、静的負荷の増大と複素誘電率の低下との関係が確認できる。これはSBR試料内の伝導経路の密度低下に起因しており、フィラーネットワークの実際の損傷状態をモニターすることができます。
結論
動的機械分析(DMA)は、機械的負荷のかかる技術製品の主な品質管理システムです。誘電分析（DEA）は、技術製品の開発プロセスをさらにサポートします。非常にlarge （DMAと比較して）利用可能な周波数範囲は、内部ダイナミクスの詳細な分子理解を可能にします。材料の微細構造に対するこの貴重な洞察により、導電性フィラーが使用されている場合、稼働中の完成した技術製品の実際の損傷状態について、最小限の労力で結論を導き出すことができます。誘電導電率の電流変化は、フィラーネットワークの状態、ひいてはシーリングエレメントの損傷と一致することが示されました。
DiPLEXOR® 500 Nにはユニークな利点があります。それは、高い機械的負荷がかかった状態でのシーリングエレメントの誘電特性の評価を可能にすることで、最初にその特性を決定し、後に動作中の実際の性能を決定することです。