Introducere
Elementele de etanșare sunt utilizate în aplicații tehnice pentru a preveni transferul de masă între două componente sau camere auxiliare. Profilul de proprietăți dorit este obținut în principal printr-o varietate de opțiuni de proiectare. Pe lângă polimer și aditivii necesari, umplutura utilizată joacă, de asemenea, un rol crucial în stabilirea caracteristicilor unui element de etanșare, cum ar fi rezistența la compresiune, rezistența termică și chimică.
Elementele de etanșare sunt supuse unor modificări continue ale condițiilor de funcționare și de mediu. Ele sunt supuse proceselor de îmbătrânire naturală, termo-oxidantă sau mecanică și trebuie înlocuite după un anumit timp. Condiția pentru rentabilitate este ca o garnitură de etanșare să fie utilizată pe întreaga sa durată de viață. Aceasta înseamnă că elementul de etanșare nu trebuie înlocuit prea devreme, pentru a economisi costuri de achiziție inutile, și nici prea târziu, pentru a preveni deteriorarea prin scurgere.
Dezvoltarea deteriorării elementelor de etanșare poate fi detectată prin integrarea mai multor microsisteme de control. Cele mai multe dintre acestea sunt asociate cu costuri ridicate și generează un grad ridicat de complexitate în structura generală.
O focă își monitorizează propria uzură
O soluție care poate fi realizată mai ușor este utilizarea sistemelor inteligente de monitorizare. Ca parte necesară a oricărui compozit elastomer tehnic, umplutura de armare poate fi, de asemenea, conductoare de electricitate. Atunci când aceste umpluturi conductoare electric sunt amestecate în matricea de cauciuc, elementul de etanșare devine conductor electric peste un prag de percolație specific sistemului atunci când se aplică o tensiune electrică. Modificările actuale ale conductivității dielectrice sunt în concordanță cu starea rețelei sale de umpluturi și, prin urmare, cu deteriorarea elementului de etanșare.
Condiții de testare
Pentru a ilustra comportamentul simultan mecanic și dielectric al unui material de etanșare și modul în care progresia deteriorării mecanice poate fi caracterizată în același timp, a fost preparat un cauciuc stiren butadienic (SBR) umplut cu 70 phr de negru de fum (N 234). Matricea de cauciuc se comportă ca un izolator. Negrul de fum N 234 este conductor electric deoarece suprafața sa are o structură grafitică de nanocristalite. Aici, este important de remarcat faptul că cantitatea de negru de fum de 70 phr este mai mare decât pragul de percolare, care este o condiție prealabilă absolută pentru construirea unei rețele închise de umplutură care oferă căile conductoare necesare.
Măsurătorile mecanice și dielectrice simultane au fost efectuate cu analizorul mecanic dinamic DMA GABO Eplexor® de NETZSCH (figura 1), care poate fi echipat cu suporturi speciale pentru probe și un controler dielectric - echipat cu un spectrometru dielectric în bandă largă (BDS) furnizat de Novocontrol GmbH - în modul compresie la temperatura camerei. În această combinație, dispozitivul este denumit și DIPLEXOR. Clemele de compresie servesc drept electrozi. Acestea sunt izolate electric de restul instrumentului pentru a se asigura că proprietățile dielectrice ale probei SBR sunt singurul aspect măsurat.
Probele au fost cilindri cu grosimea de 2 mm și diametrul de 10 mm. Proba a fost acoperită cu un strat foarte subțire de argint pentru a îmbunătăți contactul cu electrozii și a reduce astfel câmpul de dispersie. Spectrele dielectrice au fost înregistrate într-o gamă de frecvențe între 1 Hz și 105 Hz. Forța statică a fost crescută de la 20 N la 40 N în pași de 5 N.
Rezultatele măsurătorilor
Dacă proba SBR este comprimată cu o forță statică definită, grosimea acesteia se modifică în consecință. Creșterea amplitudinii sarcinii statice reduce și mai mult grosimea probei. Acest comportament este descris în figura 2. O modificare de până la 30% a grosimii datorată sarcinii mecanice se corelează destul de bine cu procedurile de instalare a garniturilor în aplicații reale.
Creșterea încărcării mecanice mărește frecarea internă în cadrul probei SBR datorită proceselor de difuzie, precum și deplasării sau orientării particulelor de umplutură în direcția compresiei. Rețeaua de umplutură este distrusă progresiv, iar rigiditatea probei scade. Prin urmare, progresia deteriorării este asociată cu o scădere treptată a densității căilor de conducție în interiorul probei.
O aplicare suplimentară a unui câmp electric alternativ, E(ω), generează un curent electric în interiorul probei SBR, deoarece purtătorii liberi de sarcină electrică dobândesc capacitatea de a se deplasa de-a lungul suprafeței aglomerărilor de negru de fum, care formează căi de conducție continue de pe o parte pe alta. Densitatea curentului electric, J(ω), este proporțională cu câmpul electric aplicat, după cum urmează:
unde σ* este conductivitatea dielectrică complexă și ω=2πf este frecvența unghiulară. Conductivitatea complexă, σ*, reprezintă o măsură a sarcinii transportate pe unitate de timp.
Variația părții reale a conductivității dielectrice complexe, σ*, ca urmare a creșterii unei sarcini statice este prezentată în figura 3.
La frecvențe de până la 2000 Hz, σ' este independentă de frecvență și atinge o valoare de platou cunoscută sub numele de conductivitate DC. La frecvențe mai mari, σ' devine dependentă de frecvență. Această zonă este denumită dispersie dielectrică deoarece variația câmpului electric nu este asociată cu o schimbare instantanee a polarizării probei.
Evident, partea reală a conductivității dielectrice complexe, σ ', scade pe întreaga gamă de frecvențe odată cu creșterea forței statice, ca urmare a distrugerii progresive a rețelei de umplutură. Acest fapt este corelat cu o reducere a densității căilor de conducție care are loc în întreaga probă SBR datorită proceselor de distrugere mecanică cauzate de sarcina statică aplicată.
Prin urmare, variația lui σ ' în timpul duratei de viață operațională a unui material elastomeric de etanșare poate fi utilizată ca o modalitate inteligentă de monitorizare a stării reale de deteriorare. Acest comportament devine mai evident atunci când variația părții reale a conductivității dielectrice complexe, σ', care se datorează variației sarcinii statice este examinată la o anumită frecvență dielectrică,fel.
Figura 4 ilustrează această dependență la o frecvență dielectrică, fel, de 10 Hz.
Figura 4 confirmă relația dintre creșterea sarcinii statice și scăderea conductivității dielectrice complexe. Acest lucru este atribuit scăderii densității căilor de conducție din eșantionul SBR și permite monitorizarea stării reale de deteriorare a rețelei de umplutură.
Concluzie
Analiza mecanică dinamică (DMA) este principalul sistem de control al calității pentru produsele tehnice aflate sub sarcină mecanică. Analiza dielectrică (DEA) sprijină în continuare procesul de dezvoltare a produselor tehnice. Gama de frecvențe foarte large disponibilă (în comparație cu DMA) permite o înțelegere moleculară aprofundată a dinamicii interne. Această perspectivă valoroasă asupra microstructurii unui material permite să se tragă concluzii - cu un efort minim - cu privire la starea reală de deteriorare a unui produs tehnic finit în timpul funcționării active, atunci când sunt utilizate umpluturi conductoare de electricitate. S-a demonstrat că modificările actuale ale conductivității dielectrice sunt în concordanță cu starea rețelei sale de umpluturi și, prin urmare, cu deteriorarea elementului de etanșare.
DIPLEXOR 500 N oferă un avantaj unic: permite caracterizarea proprietăților dielectrice ale elementelor de etanșare sub sarcină mecanică ridicată, pentru a determina mai întâi proprietățile acestora și, ulterior, performanța lor reală în timpul funcționării.