Inleiding
In de technologie wordt de term "afdichting" gebruikt om elementen of structuren te beschrijven die de taak hebben om ongewenste materiaaloverdracht van de ene plaats naar de andere te voorkomen of te beperken. Als bijvoorbeeld een afsluitkraan blijft druppelen, is de afdichting defect [1]. Afdichtingen van elastomeer worden gebruikt in technische toepassingen en voeren een grote verscheidenheid aan afdichtingstaken uit. Afhankelijk van de toepassing zijn de selectie van de materialen, het ontwerp, de vereiste geometrie of vorm van de afdichting en natuurlijk de fysische en chemische randvoorwaarden waaronder de op maat gemaakte afdichtingen moeten worden gebruikt, van fundamenteel belang.
Daarom zijn gedetailleerde kennis van de fysische en chemische omstandigheden waaraan de toepassing wordt blootgesteld - zoals temperatuur- en drukbereiken, chemische weerstand en dus de selectie van geschikte inerte stoffen - voorwaarden voor een succesvol ontwerp van een afdichting.
Media Weerstand
Het is echter niet voldoende om alleen te kijken naar de mediabestendigheid van de bronmaterialen (educten), bijvoorbeeld binnen een technische chemische productieketen. De afdichting moet ook chemisch resistent zijn tegen de producten die in het productieproces worden geproduceerd. De vereiste mediabestendigheid wordt daarom beïnvloed door de media die in contact komen met de af te scheiden of af te dichten media, de media die tijdens het gebruik ontstaan, de omgevingslucht, additieven zoals smeermiddelen en verbruiksgoederen zoals reinigingsmiddelen.
Temperatuurstabiliteit
Het bedrijfstemperatuurbereik voor afdichtingsmaterialen wordt bepaald op basis van een mogelijke continue bedrijfstemperatuur met voldoende veiligheidsreserves. Er moet ook rekening mee worden gehouden dat er tijdens bedrijf ontledingsreacties kunnen plaatsvinden waardoor het afdichtingsmateriaal krimpt of opzwelt. Bovendien kunnen de startcondities veranderen door temperatuur, druk en slijtage.
Naast de geschiktheidstests vormen grondige materiaaltests een belangrijk onderdeel van het ontwikkelingsproces voor elastomeerafdichtingen. Kruipherstelproeven spelen hierbij een belangrijke rol.
Wat zijn kruiphersteltests?
Tijdens een hersteltest wordt een elastomeer specimen, meestal een cilindrisch specimen dat wordt onderworpen aan een drukbelasting, vervormd bij een constante temperatuur gedurende een vooraf bepaalde tijd. Dit wordt gevolgd door een ontlastingsfase (d.w.z. geen belasting/kracht), die meestal bij dezelfde temperatuur plaatsvindt. Ook hier wordt een bepaalde tijd ingesteld voor het "herstel van het monster". Bij ontlasting zou een ideale afdichting onmiddellijk "rechtop" komen te staan zonder enige vertraging tot de beginhoogte (bijv. elastische veer).
Echte afdichtingen gedragen zich echter anders. Afhankelijk van het materiaal, de interne structuur, de omgevingstemperatuur en de invloed van de medium kunnen de "oprichtings-" of herstelprocessen heel verschillend verlopen. Het kan vaak enkele uren of zelfs dagen duren voordat de beginhoogte weer is bereikt. Het is ook mogelijk dat materialen hun oorspronkelijke hoogte niet meer bereiken en permanent, onomkeerbaar vervormd blijven. Een belangrijk kwaliteitscriterium voor een afdichting is het herstellend vermogen:
Hoe snel en op welk niveau ten opzichte van het "maagdelijke" beginniveau herstelt het materiaal zichzelf in de test?
Meetomstandigheden
In de regel zijn zogenaamde "bulk" eigenschappen nodig bij het testen van materialen om significante, betrouwbare conclusies te kunnen trekken. Wat hier bedoeld wordt is een large-volume proefstuk. Als de afmetingen van de proefstukken te small zijn, wordt de verhouding tussen proefstukoppervlak en proefstukvolume ongunstig. De bepaalde testresultaten kunnen dan niet meer direct gebruikt worden om de materiaaleigenschappen af te leiden. Om deze reden moeten large-volume proefstukken worden blootgesteld aan de vervormingen die optreden in de toepassing.
In dit voorbeeld worden kruiphersteltests uitgevoerd op een cilindrisch, met koolstofzwart gevuld monster (hoogte: 25 mm, diameter: 20 mm) van een elastomeer afdichtingsmateriaal bij kamertemperatuur in een hoge belasting DMA Gabo Eplexor® 2000 N.
Hiervoor werd een statische compressie van 40% op basis van de initiële hoogte van het monster toegepast. Deze vervorming werd gedurende een uur geregeld en constant gehouden.
Daarna werd de statische kracht die nodig was om 40% samen te drukken "abrupt" verwijderd, werd een contactkracht van 2 N toegepast en werd het resulterende herstelproces gedurende een uur geregistreerd. Deze lage krachtcomponent heeft geen enkele invloed op het "rechttrekken", maar is nodig om het monster strak te houden.
Meetresultaten
Figuur 1 toont het tijdsverloop van de vervorming en spanning tijdens de kruiphersteltest.
Het monster wordt 40% samengedrukt. Aanvankelijk neemt de mechanische spanning sterk toe. De benodigde initiële kracht is ongeveer 2400 N (7,5 MPa x 314 mm2 ~ 2400 N). Als de vervormde toestand een uur wordt aangehouden, wordt een afname van de toegepaste spanning gemeten. Afhankelijk van de gebruikte materialen, hun interne structuur en samenstelling, kan de stofspecifieke intrinsieke moleculaire mobiliteit vaak zeer verschillend zijn. Door zogenaamde relaxatieprocessen ondergaan de materialen een vermindering van de toegepaste spanning met verschillende snelheden. Het bereikte spanningsniveau en de tijd die is verstreken voordat deze "quasi-stationaire" toestand werd bereikt, geeft informatie over het gedrag op lange termijn en maakt een beoordeling van het eigenschappenprofiel in echte toepassingen mogelijk. In dit geval bereikt de spanning een bijna constante waarde van 5,5 MPa.
In een tweede stap wordt de statische kracht abrupt verwijderd en wordt een contactkracht van 2 N toegepast om het proefstuk strak te houden. Deze spanningsvermindering gaat gepaard met een spontane omgekeerde vervorming, die in dit geval relatief kort duurt. Het proefstuk kruipt of zet uit en na slechts een uur bereikt het zijn volledige hersteltoestand, die slechts 94% (100% - 6% = 94%) van zijn oorspronkelijke lengte is. De permanente compressie van 6% is gebaseerd op het niet-lineaire, visco-elastische gedrag van het hier geteste materiaal en duidt op een onomkeerbare toestand.
Conclusie
Kruiphersteltests registreren de lengteverandering van elastomeerafdichtingen als functie van belasting, wachttijd en temperatuur. Ze zijn een onmisbaar middel om de eisen voor elastomeerafdichtingen te controleren en te verifiëren.
Het onderzochte monster vertoonde een permanente compressie van 6% na een belastings- en ontlaadfase en kon niet terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm.
Beslissende factoren voor een succesvolle meting zijn de maximaal beschikbare kracht van een instrument, het machinespecifieke vervormingsbereik en natuurlijk een stabiele temperatuurregeling, die het grootst mogelijke temperatuurbereik moet bestrijken. Een DMA met hoge belasting van het type GABO Eplexor® 2000 N of, nog beter, een DMA met hoge belasting van het type GABO Eplexor® 4000 N is de eerste keuze.