소개
씰링 요소는 두 구성 요소 또는 보조 챔버 사이의 질량 전달을 방지하기 위해 기술 응용 분야에서 사용됩니다. 원하는 물성 프로파일은 주로 다양한 설계 옵션을 통해 달성할 수 있습니다. 폴리머와 필요한 첨가제 외에도 사용되는 필러는 압축 강도, 내열성 및 내화학성과 같은 씰링 요소의 특성을 설정하는 데 중요한 역할을 합니다.
씰링 요소는 작동 및 환경 조건에서 지속적인 변화를 겪습니다. 자연적, 열 산화 또는 기계적 노화 과정을 거치며 일정 시간이 지나면 교체해야 합니다. 비용 효율성을 위한 조건은 씰링 개스킷을 전체 서비스 수명 동안 사용해야 한다는 것입니다. 즉, 불필요한 구매 비용을 절감하기 위해 씰링 요소를 너무 일찍 교체해서는 안 되며, 누출 손상을 방지하기 위해 너무 늦게 교체해서는 안 됩니다.
씰링 요소의 손상 발생은 여러 제어 마이크로시스템의 통합을 통해 감지할 수 있습니다. 이들 대부분은 높은 비용과 관련이 있으며 전체 구조에서 높은 수준의 복잡성을 유발합니다.
물개는 자신의 마모를 모니터링합니다
보다 쉽게 실현할 수 있는 솔루션은 지능형 모니터링 시스템을 사용하는 것입니다. 모든 기술적 엘라스토머 복합재에 필요한 부분으로서 강화 필러도 전기 전도성을 가질 수 있습니다. 이러한 전기 전도성 필러를 고무 매트릭스에 혼합하면 전압이 가해지면 씰링 요소가 시스템별 침투 임계값 이상으로 전기 전도성이 됩니다. 현재 유전체 전도도의 변화는 필러 네트워크의 상태에 따라 달라지며, 따라서 씰링 요소의 손상도 달라집니다.
테스트 조건
씰링 재료의 기계적 및 유전체적 거동과 기계적 손상의 진행을 동시에 특성화할 수 있는 방법을 설명하기 위해 70phr 카본 블랙(N 234)으로 채워진 스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 준비했습니다. 고무 매트릭스는 절연체 역할을 합니다. N 234 카본 블랙은 표면적이 흑연 나노 결정 구조를 가지고 있기 때문에 전기 전도성이 있습니다. 여기서 중요한 점은 카본 블랙의 양이 70phr로 침투 임계값을 초과한다는 점이며, 이는 필요한 전도성 경로를 제공하는 폐쇄형 필러 네트워크를 구축하기 위한 절대적인 전제 조건입니다.
기계적 및 유전체 동시 측정은 특수 샘플 홀더와 유전체 컨트롤러(Novocontrol GmbH에서 공급하는 광대역 유전체 분광기(BDS)가 장착된)를 장착할 수 있는 동적 기계 분석기 DMA GABO Eplexor® ( NETZSCH, 그림 1)로 상온에서 압축 모드에서 수행되었습니다. 이 조합에서는 이 장치를 DIPLEXOR 이라고도 합니다. 압축 클램프는 전극 역할을 합니다. 압축 클램프는 SBR 시료의 유전체 특성만 측정할 수 있도록 기기의 나머지 부분과 전기적으로 분리되어 있습니다.
샘플은 직경 10mm의 2mm 두께 실린더였습니다. 샘플은 전극과의 접촉을 개선하고 표유 전계를 줄이기 위해 매우 얇은 은층으로 코팅되었습니다. 유전체 스펙트럼은 1Hz에서 105Hz 사이의 주파수 범위에서 기록되었습니다. 정적 힘은 20N에서 40N까지 5N 단계로 증가시켰습니다.
측정 결과
SBR 샘플이 정의된 정적 힘으로 압축되면 그에 따라 두께가 변합니다. 정적 하중 진폭을 높이면 샘플 두께가 더욱 감소합니다. 이 동작은 그림 2에 나와 있습니다. 기계적 하중으로 인한 최대 30%의 두께 변화는 실제 애플리케이션에서 씰의 설치 절차와 매우 밀접한 관련이 있습니다.
기계적 하중이 증가하면 확산 과정과 압축 방향으로의 필러 입자의 변위 또는 방향으로 인해 SBR 샘플 내부의 마찰이 증가합니다. 필러 네트워크가 점진적으로 파괴되고 샘플 강성이 감소합니다. 따라서 손상 진행은 시료 내 전도 경로의 밀도가 점진적으로 감소하는 것과 관련이 있습니다.
교류 전기장 E(ω)를 추가로 적용하면 자유 전하 캐리어가 카본 블랙 클러스터의 표면을 따라 이동하여 한쪽에서 다른 쪽까지 연속 전도 경로를 형성하기 때문에 SBR 샘플 내에서 전류가 생성됩니다. 전류 밀도 J(ω)는 다음과 같이 가해진 전기장에 비례합니다:
여기서 σ*는 복소 유전체 전도도이고 ω=2πf는 각 주파수입니다. 복소 전도도인 σ*는 단위 시간당 운반되는 전하의 척도를 나타냅니다.
정적 부하 증가에 따른 복소 유전체 전도도 σ*의 실수 부분의 변화는 그림 3에 나와 있습니다.
최대 2000Hz의 주파수에서 σ'는 주파수와 무관하며 DC 전도도라고 하는 정체 값에 도달합니다. 더 높은 주파수에서는 σ'가 주파수에 따라 달라집니다. 이 영역을 유전체 분산이라고 하는데, 전기장의 변화가 시료 편광의 순간적인 변화와 관련이 없기 때문입니다.
분명히 복소 유전체 전도도의 실제 부분인 σ ' 는 필러 네트워크의 점진적인 파괴의 결과로 정적 힘이 증가함에 따라 전체 주파수 범위에 걸쳐 감소합니다. 이 사실은 적용된 정적 하중으로 인한 기계적 파괴 과정으로 인해 전체 SBR 샘플에서 발생하는 전도 경로 밀도의 감소와 관련이 있습니다.
따라서 엘라스토머 씰링 재료의 작동 수명 동안 σ ' 의 변화는 실제 손상 상태를 모니터링하는 현명한 방법으로 사용될 수 있습니다. 이러한 거동은 주어진 유전체 주파수 fel에서 다양한 정적 하중으로 인한 복소 유전체 전도도 σ'의 실제 부분의 변화를 조사할 때 더욱 분명해집니다.
그림 4는 10Hz의 유전체 주파수(fel)에서 이러한 의존성을 보여줍니다.
그림 4는 증가하는 정적 부하와 감소하는 복합 유전체 전도도 사이의 관계를 확인시켜 줍니다. 이는 SBR 샘플 내 전도 경로의 밀도 감소에 기인하며 필러 네트워크의 실제 손상 상태를 모니터링할 수 있습니다.
결론
동적 기계 분석(DMA)은 기계적 부하를 받는 기술 제품을 위한 주요 품질 관리 시스템입니다. 유전체 분석(DEA)은 기술 제품의 개발 프로세스를 더욱 지원합니다. 매우 large 사용 가능한 주파수 범위(DMA에 비해)는 내부 역학에 대한 심층적인 분자적 이해를 가능하게 합니다. 재료의 미세 구조에 대한 이 귀중한 통찰력을 통해 전기 전도성 필러를 사용할 때 활성 작동 중 완제품의 실제 손상 상태에 대한 결론을 최소한의 노력으로 도출할 수 있습니다. 현재 유전체 전도도의 변화는 필러 네트워크의 상태와 그에 따른 씰링 요소의 손상에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다.
DIPLEXOR 500 N은 높은 기계적 부하에서 씰링 요소의 유전체 특성을 특성화하여 먼저 그 특성을 파악하고 나중에 작동 중 실제 성능을 파악할 수 있는 고유한 이점을 제공합니다.