Introdução
Os elementos de vedação são usados em aplicações técnicas para evitar a transferência de massa entre dois componentes ou câmaras auxiliares. O perfil de propriedade desejado é obtido principalmente por meio de uma variedade de opções de design. Além do polímero e dos aditivos necessários, a carga utilizada também desempenha um papel fundamental no estabelecimento das características de um elemento de vedação, como resistência à compressão e resistência térmica e química.
Os elementos de vedação passam por mudanças contínuas nas condições operacionais e ambientais. Eles estão sujeitos a processos de envelhecimento naturais, termo-oxidativos ou mecânicos e precisam ser substituídos depois de um certo tempo. A condição para a eficiência de custo é que uma gaxeta de vedação seja usada durante toda a sua vida útil. Isso significa que o elemento de vedação não deve ser substituído muito cedo, para economizar em custos de aquisição desnecessários, e nem muito tarde, para evitar danos por vazamento.
O desenvolvimento de danos nos elementos de vedação pode ser detectado pela integração de vários microssistemas de controle. A maioria deles está associada a altos custos e gera um alto grau de complexidade na estrutura geral.
Uma foca monitora seu próprio desgaste
Uma solução que pode ser realizada mais facilmente é o uso de sistemas de monitoramento inteligentes. Como parte necessária de qualquer composto de elastômero técnico, a carga de reforço também pode ser eletricamente condutora. Quando essas cargas condutoras de eletricidade são misturadas à matriz de borracha, o elemento de vedação torna-se condutor de eletricidade acima de um limite de percolação específico do sistema quando uma EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão elétrica é aplicada. As mudanças atuais na condutividade dielétrica estão de acordo com o estado de sua rede de preenchimento e, portanto, com o dano no elemento de vedação.
Condições de teste
Para ilustrar o comportamento mecânico e dielétrico simultâneo de um material de vedação e como a progressão do dano mecânico pode ser caracterizada ao mesmo tempo, foi preparada uma borracha de estireno butadieno (SBR) preenchida com 70 phr de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo (N 234). A matriz de borracha se comporta como um isolante. O Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo N 234 é eletricamente condutor porque sua área de superfície tem uma estrutura de nanocristalitos grafíticos. Aqui, é importante observar que a quantidade de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo de 70 phr está acima do limiar de percolação, que é um pré-requisito absoluto para a formação de uma rede de preenchimento fechada que forneça os caminhos condutores necessários.
As medições mecânicas e dielétricas simultâneas foram realizadas com o analisador mecânico dinâmico DMA GABO Eplexor® da NETZSCH (Figura 1), que pode ser equipado com suportes de amostra especiais e um controlador dielétrico - equipado com um espectrômetro dielétrico de banda larga (BDS) fornecido pela Novocontrol GmbH - no modo de compressão à temperatura ambiente. Nessa combinação, o dispositivo também é chamado de DIPLEXOR. Os grampos de compressão funcionam como eletrodos. Eles são eletricamente isolados do restante do instrumento para garantir que as propriedades dielétricas da amostra de SBR sejam o único aspecto a ser medido.
As amostras eram cilindros de 2 mm de espessura com diâmetro de 10 mm. A amostra foi revestida com uma camada muito fina de prata para melhorar o contato com os eletrodos e, assim, reduzir o campo parasita. Os espectros dielétricos foram registrados em uma faixa de frequência entre 1 Hz e 105 Hz. A força estática foi aumentada de 20 N para 40 N em etapas de 5 N.
Resultados da medição
Se a amostra de SBR for comprimida com uma força estática definida, sua espessura mudará de acordo. O aumento da amplitude da carga estática reduz ainda mais a espessura da amostra. Esse comportamento é mostrado na Figura 2. Uma alteração de até 30% na espessura devido à carga mecânica se correlaciona muito bem com os procedimentos de instalação de vedações em aplicações reais.
O aumento da carga mecânica aumenta o atrito interno na amostra de SBR devido aos processos de difusão, bem como ao deslocamento ou à orientação das partículas de enchimento na direção da compressão. A rede de enchimento é progressivamente destruída e a rigidez da amostra diminui. Portanto, a progressão do dano está associada a uma diminuição gradual da DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade dos caminhos de condução dentro da amostra.
Uma aplicação adicional de um campo elétrico alternado, E(ω), gera uma corrente elétrica dentro da amostra de SBR porque os portadores de carga elétrica livre ganham a capacidade de se mover ao longo da superfície dos aglomerados de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo, que formam caminhos de condução contínuos de um lado para o outro. A DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de corrente elétrica, J(ω), é proporcional ao campo elétrico aplicado, conforme descrito a seguir:
em que σ* é a condutividade dielétrica complexa e ω=2πf é a frequência angular. A condutividade complexa, σ*, representa uma medida da carga transportada por unidade de tempo.
A variação na parte real da condutividade dielétrica complexa, σ*, devido a um aumento em uma carga estática é mostrada na Figura 3.
Em frequências de até 2000 Hz, σ' é independente da frequência e atinge um valor de platô conhecido como condutividade CC. Em frequências mais altas, σ' se torna dependente da frequência. Essa área é chamada de dispersão dielétrica porque a variação no campo elétrico não está associada a uma mudança instantânea na polarização da amostra.
Obviamente, a parte real da condutividade dielétrica complexa, σ ', diminui em toda a faixa de frequência à medida que a força estática é aumentada, como consequência da destruição progressiva da rede de preenchimento. Esse fato está correlacionado a uma redução na DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade do caminho de condução que ocorre em toda a amostra de SBR devido aos processos de destruição mecânica causados pela carga estática aplicada.
Portanto, a variação de σ ' durante a vida operacional de um material elastomérico de vedação pode ser usada como uma forma inteligente de monitorar o estado real do dano. Esse comportamento fica mais evidente quando a variação na parte real da condutividade dielétrica complexa, σ', que se deve à variação da carga estática, é examinada em uma determinada frequência dielétrica,fel.
A Figura 4 ilustra essa dependência em uma frequência dielétrica, fel, de 10 Hz.
A Figura 4 confirma a relação entre o aumento da carga estática e a diminuição da condutividade dielétrica complexa. Isso é atribuído à diminuição da DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade nos caminhos de condução dentro da amostra de SBR e permite o monitoramento do estado real de dano da rede de preenchimento.
Conclusão
A análise mecânica dinâmica (DMA) é o principal sistema de controle de qualidade para produtos técnicos sob carga mecânica. A análise dielétrica (DEA) dá suporte adicional ao processo de desenvolvimento de produtos técnicos. A faixa de frequência muito large disponível (em comparação com a DMA) permite uma compreensão molecular profunda da dinâmica interna. Esse valioso insight sobre a microestrutura de um material permite que sejam tiradas conclusões - com o mínimo de esforço - sobre o estado real de danos de um produto técnico acabado durante a operação ativa, quando são usados enchimentos condutores de eletricidade. Foi demonstrado que as mudanças atuais na condutividade dielétrica estão de acordo com o estado de sua rede de preenchimento e, portanto, com o dano no elemento de vedação.
O DIPLEXOR 500 N oferece uma vantagem exclusiva: ele permite a caracterização das propriedades dielétricas dos elementos de vedação sob alta carga mecânica, a fim de determinar primeiramente suas propriedades e, posteriormente, seu desempenho real durante a operação.