Введение
В технике термин "уплотнение" используется для описания элементов или конструкций, задачей которых является предотвращение или ограничение нежелательного переноса материала из одного места в другое. Если, например, из запорного крана продолжает капать вода, значит, его уплотнение неисправно [1]. Уплотнения из эластомеров используются в технических приложениях и выполняют широкий спектр задач по герметизации. В зависимости от области применения принципиально важными являются selectматериалов, их конструкция, требуемая геометрия или форма уплотнения и, конечно, физические и химические граничные условия, в которых будут использоваться изготовленные на заказ уплотнения.
Поэтому подробное знание физических и химических условий, которым подвергается применение, таких как диапазон температур и давлений, химическая стойкость и, следовательно, selectион подходящих инертных веществ, является необходимым условием для успешного проектирования уплотнения.
Сопротивление СМИ
Однако недостаточно учитывать только стойкость исходных материалов (эдуктов) к воздействию среды, например, в цепочке производства технической химии. Уплотнение также должно быть химически стойким к продуктам, образующимся в процессе производства. Таким образом, на требуемую стойкость к воздействию среды влияют среды, контактирующие с разделяемой или герметизируемой средой, среды, образующиеся в процессе работы, окружающий воздух, добавки, такие как смазочные материалы, и расходные материалы, такие как чистящие средства.
Стабильность температуры
Диапазон рабочих температур для уплотнительных материалов определяется исходя из возможной продолжительной рабочей температуры с достаточным запасом прочности. Следует также учитывать, что в процессе эксплуатации могут происходить реакции разложения, которые приводят к сжатию или разбуханию уплотнительного материала. Кроме того, условия запуска могут меняться под воздействием температуры, давления и износа.
Помимо испытаний на пригодность, важной частью процесса разработки уплотнений из эластомеров является тщательное тестирование материала. Ключевую роль в этом играют эксперименты по восстановлению ползучести.
Что такое испытания на восстановление ползучести?
Во время испытания на восстановление эластомерный образец, обычно цилиндрический, подвергающийся сжимающей нагрузке, деформируется при постоянной температуре в течение заранее определенного периода времени. Затем следует фаза разгрузки (т.е. отсутствие нагрузки/усилия), которая обычно проходит при той же температуре. Здесь также устанавливается определенный период времени для "восстановления образца". При снятии нагрузки идеальное уплотнение сразу же "выпрямляется" без какой-либо временной задержки до исходной высоты (например, упругая пружина).
Однако реальные уплотнения ведут себя иначе. В зависимости от материала, его внутренней структуры, температуры окружающей среды и влияния сайта medium, процессы "поднятия" или восстановления могут протекать по-разному. Часто может пройти несколько часов или даже дней, прежде чем будет достигнута первоначальная высота. Существует также вероятность того, что материал не достигнет своей первоначальной высоты и останется деформированным надолго и необратимо. Важным критерием качества уплотнения является его восстанавливающая способность:
Как быстро и на каком уровне по сравнению с "девственным" исходным уровнем материал восстанавливает себя в ходе испытания?
Условия измерения
Как правило, для получения значимых и надежных выводов при испытаниях материалов требуются так называемые "объемные" свойства. Здесь имеется в виду large- объемный образец. Если размеры образцов слишком small, то отношение поверхности образца к его объему становится неблагоприятным. В этом случае полученные результаты испытаний уже не могут быть непосредственно использованы для вывода о свойствах материала. По этой причине образцы для испытаний large должны подвергаться деформациям, возникающим в процессе эксплуатации.
В данном примере испытания на восстановление ползучести проводятся на цилиндрическом образце (высота: 25 мм, диаметр: 20 мм) эластомерного уплотнительного материала с наполнителем из сажи при комнатной температуре в установке DMA GABO Eplexor® с высокой нагрузкой 2000 Н.
Для этого было применено статическое сжатие на 40% от начальной высоты образца. Эта деформация регулировалась в течение одного часа и поддерживалась постоянной.
Затем статическая сила, необходимая для сжатия на 40 %, была "резко" снята, приложена контактная сила в 2 Н, и в течение часа регистрировался процесс восстановления. Этот компонент малой силы не оказывает никакого влияния на процесс "выпрямления", но необходим для фиксации образца.
Результаты измерений
На рис. 1 показан временной ход деформации и напряжения во время испытания на восстановление ползучести.
Образец сжимается на 40 %. Первоначально механическое напряжение резко возрастает. Необходимое начальное усилие составляет около 2 400 Н (7,5 МПа x 314 мм2 ~ 2 400 Н). Если деформированное состояние сохраняется в течение часа, измеряется падение приложенного напряжения. В зависимости от используемых материалов, их внутренней структуры и состава, собственная молекулярная подвижность может быть очень разной. Благодаря так называемым релаксационным процессам материалы снижают приложенное напряжение с разной скоростью. Достигнутый уровень напряжения и период времени, прошедший до достижения этого "квазистационарного" состояния, дает информацию о долгосрочном поведении и позволяет оценить профиль свойств в реальных условиях применения. В данном случае напряжение достигает почти постоянного значения 5,5 МПа.
На втором этапе статическое усилие резко снимается и прикладывается контактное усилие 2 Н для фиксации образца. Снижение напряжения сопровождается спонтанной обратной деформацией, которая в данном случае длится относительно недолго. Образец ползет или расширяется и уже через час достигает состояния полного восстановления, которое составляет всего 94 % (100 % - 6 % = 94 %) от его первоначальной длины. Постоянное сжатие на 6 % основано на нелинейном, вязкоупругом поведении испытуемого материала и указывает на необратимое состояние.
Заключение
Испытания на восстановление при ползучести регистрируют изменение длины эластомерных уплотнений в зависимости от нагрузки, времени выдержки и температуры. Они являются незаменимым средством проверки и подтверждения требований, предъявляемых к эластомерным уплотнениям.
Исследуемый образец показал постоянное сжатие на 6% после фазы нагружения и разгрузки и не смог вернуться к своей первоначальной форме.
Решающими факторами для успешного измерения являются максимальное усилие, прилагаемое прибором, диапазон деформации, характерный для конкретного оборудования, и, конечно, стабильный температурный контроль, который должен охватывать largeмаксимально возможный диапазон температур. В первую очередь следует выбрать высоконагруженный DMA типа GABO Eplexor® 2000 Н или, что еще лучше, высоконагруженный DMA типа GABO Eplexor® 4000 Н.