Inledning
Tätningselement används i tekniska applikationer för att förhindra massöverföring mellan två komponenter eller hjälpkammare. Den önskade egenskapsprofilen uppnås främst genom en mängd olika designalternativ. Förutom polymeren och nödvändiga tillsatser spelar även det fyllmedel som används en avgörande roll för tätningselementets egenskaper, t.ex. tryckhållfasthet, termisk och kemisk beständighet.
Tätningselementen genomgår kontinuerliga förändringar i drifts- och miljöförhållanden. De utsätts för naturliga, termo-oxidativa eller mekaniska åldringsprocesser och måste bytas ut efter en viss tid. Förutsättningen för kostnadseffektivitet är att en tätningspackning används under hela sin livslängd. Detta innebär att tätningselementet inte bör bytas ut för tidigt, för att spara in på onödiga anskaffningskostnader, och inte för sent, för att förhindra läckageskador.
Skadeutveckling i tätningselement kan upptäckas genom integrering av flera styrmikrosystem. De flesta av dessa är förknippade med höga kostnader och ger upphov till en hög grad av komplexitet i den övergripande strukturen.
En säl övervakar sin egen förslitning
En lösning som kan förverkligas enklare är användningen av intelligenta övervakningssystem. Som en nödvändig del av alla tekniska elastomerkompositer kan förstärkande fyllmedel också vara elektriskt ledande. När dessa elektriskt ledande fyllmedel blandas in i gummimatrisen blir tätningselementet elektriskt ledande över en systemspecifik perkolationströskel när en elektrisk spänning appliceras. De aktuella förändringarna i dielektrisk konduktivitet överensstämmer med tillståndet i dess fyllnadsnätverk och därmed skadan i tätningselementet.
Testförhållanden
För att illustrera det samtidiga mekaniska och dielektriska beteendet hos ett tätningsmaterial och hur utvecklingen av mekaniska skador kan karakteriseras samtidigt, framställdes ett styrenbutadiengummi (SBR) fyllt med 70 phr kimrök (N 234). Gummimatrisen fungerar som en isolator. N 234-KolsvartTemperatur och atmosfär (reningsgas) påverkar resultaten av massförändringen. Genom att ändra atmosfären från t.ex. kväve till luft under TGA-mätningen kan separation och kvantifiering av tillsatser, t.ex. kimrök, och bulkpolymeren bli möjlig.kolsvart är elektriskt ledande eftersom dess yta har en grafitisk nanokristallitstruktur. Här är det viktigt att notera att mängden kimrök på 70 phr ligger över perkolationströskeln, vilket är en absolut förutsättning för att bygga upp ett slutet fyllnadsnätverk som ger de nödvändiga ledande banorna.
De samtidiga mekaniska och dielektriska mätningarna utfördes med den dynamiska mekaniska analysatorn DMA Gabo Eplexor® från NETZSCH (figur 1) som kan utrustas med speciella provhållare och en dielektrisk styrenhet - utrustad med en bredbandig dielektrisk spektrometer (BDS) från Novocontrol GmbH - i kompressionsläge vid rumstemperatur. I denna kombination kallas enheten även DiPLEXOR®. Kompressionsklämmorna fungerar som elektroder. De är elektriskt isolerade från resten av instrumentet för att säkerställa att de dielektriska egenskaperna hos SBR-provet är den enda aspekt som mäts.
Proverna var 2 mm tjocka cylindrar med en diameter på 10 mm. Provet var belagt med ett mycket tunt silverskikt för att förbättra kontakten med elektroderna och därmed minska strövfältet. Dielektriska spektra registrerades i ett frekvensområde mellan 1 Hz och 105 Hz. Den statiska kraften ökades från 20 N till 40 N i steg om 5 N.
Resultat av mätning
Om SBR-provet komprimeras med en definierad statisk kraft ändras dess tjocklek i motsvarande grad. Om amplituden för den statiska belastningen ökas minskar provets tjocklek ytterligare. Detta beteende visas i figur 2. En förändring på upp till 30% i tjocklek på grund av mekanisk belastning korrelerar ganska väl med installationsförfaranden för tätningar i verkliga tillämpningar.
Ökad mekanisk belastning ökar den inre friktionen i SBR-provet på grund av diffusionsprocesser samt förskjutning eller orientering av fillerpartiklar i kompressionsriktningen. Fyllnadsnätverket förstörs successivt och provets styvhet minskar. Skadeförloppet är därför förknippat med en gradvis minskning av tätheten hos ledningsbanorna i provet.
En ytterligare applicering av ett elektriskt växelfält, E(ω), genererar en elektrisk ström i SBR-provet eftersom de fria elektriska laddningsbärarna får möjlighet att röra sig längs ytan på kimrökklustren, som bildar kontinuerliga ledningsbanor från den ena sidan till den andra. Den elektriska strömtätheten, J(ω), är proportionell mot det elektriska fält som appliceras, enligt följande:
där σ* är den komplexa dielektriska konduktiviteten och ω=2πf är vinkelfrekvensen. Den komplexa konduktiviteten, σ*, representerar ett mått på den transporterade laddningen per tidsenhet.
Variationen i realdelen av den komplexa dielektriska konduktiviteten, σ*, på grund av en ökning av en statisk belastning visas i figur 3.
Vid frekvenser upp till 2000 Hz är σ' frekvensoberoende och når ett platåvärde som kallas DC-konduktivitet. Vid högre frekvenser blir σ' frekvensberoende. Detta område kallas dielektrisk dispersion eftersom variationen i det elektriska fältet inte är förknippad med en omedelbar förändring i provets polarisation.
Det är uppenbart att realdelen av den komplexa dielektriska ledningsförmågan, σ ', minskar över hela frekvensområdet när den statiska kraften ökas, som en följd av att fyllnadsnätverket gradvis förstörs. Detta faktum är korrelerat till en minskning av ledningsbanans TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet som sker genom hela SBR-provet på grund av mekaniska förstörelseprocesser som orsakas av den statiska belastningen.
Variationen i σ ' under ett elastomeriskt tätningsmaterials livslängd kan därför användas som ett smart sätt att övervaka det faktiska skadetillståndet. Detta beteende blir tydligare när variationen i den verkliga delen av den komplexa dielektriska konduktiviteten, σ', som beror på varierande statisk belastning, undersöks vid en given dielektrisk frekvens,fel.
Figur 4 illustrerar detta beroende vid en dielektrisk frekvens, fel, på 10 Hz.
Figur 4 bekräftar förhållandet mellan ökande statisk belastning och minskande komplex dielektrisk konduktivitet. Detta tillskrivs den minskade densiteten i ledningsbanorna i SBR-provet och gör det möjligt att övervaka det faktiska skadeläget i fyllnadsnätverket.
Slutsats
Dynamisk mekanisk analys (DMA) är det viktigaste kvalitetskontrollsystemet för tekniska produkter som utsätts för mekanisk belastning. Dielektrisk analys (DEA) är ett ytterligare stöd i utvecklingsprocessen för tekniska produkter. Det mycket large tillgängliga frekvensområdet (jämfört med DMA) möjliggör en djupgående molekylär förståelse av den inre dynamiken. Denna värdefulla inblick i ett materials mikrostruktur gör det möjligt att - med minimal ansträngning - dra slutsatser om det faktiska skadeläget för en färdig teknisk produkt under aktiv drift, när elektriskt ledande fyllmedel används. Det visade sig att de aktuella förändringarna i dielektrisk ledningsförmåga överensstämmer med tillståndet i dess fyllnadsnätverk, och därmed skadan i tätningselementet.
DiPLEXOR® 500 N erbjuder en unik fördel: Den möjliggör karakterisering av tätningselementens dielektriska egenskaper under hög mekanisk belastning, för att först fastställa deras egenskaper och senare deras faktiska prestanda under drift.