Giriş
Sızdırmazlık elemanları teknik uygulamalarda iki bileşen veya yardımcı odalar arasında kütle transferini önlemek için kullanılır. İstenen özellik profili öncelikle çeşitli tasarım seçenekleriyle elde edilir. Polimer ve gerekli katkı maddelerinin yanı sıra kullanılan dolgu maddesi de bir sızdırmazlık elemanının basınç dayanımı, termal ve kimyasal direnç gibi özelliklerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar.
Sızdırmazlık elemanları çalışma ve çevre koşullarında sürekli değişikliklere uğrar. Doğal, termo-oksidatif veya mekanik yaşlanma süreçlerine maruz kalırlar ve belirli bir süre sonra değiştirilmeleri gerekir. Maliyet verimliliği için koşul, bir sızdırmazlık contasının tüm hizmet ömrü boyunca kullanılmasıdır. Bu, gereksiz satın alma maliyetlerinden tasarruf etmek için sızdırmazlık elemanının çok erken değiştirilmemesi ve sızıntı hasarını önlemek için çok geç değiştirilmemesi gerektiği anlamına gelir.
Sızdırmazlık elemanlarındaki hasar gelişimi, çeşitli kontrol mikrosistemlerinin entegrasyonu ile tespit edilebilir. Bunların çoğu yüksek maliyetlerle ilişkilidir ve genel yapıda yüksek derecede karmaşıklığa neden olur.
Bir Fok Kendi Aşınmasını İzler
Daha kolay gerçekleştirilebilecek bir çözüm, akıllı izleme sistemlerinin kullanılmasıdır. Herhangi bir teknik elastomer kompozitin gerekli bir parçası olarak, takviye edici dolgu maddesi de elektriksel olarak iletken olabilir. Bu elektriksel olarak iletken dolgu maddeleri kauçuk matrisine karıştırıldığında, bir elektrik voltajı uygulandığında sızdırmazlık elemanı sisteme özgü bir süzülme eşiğinin üzerinde elektriksel olarak iletken hale gelir. Dielektrik iletkenlikteki mevcut değişiklikler, dolgu ağının durumuna ve dolayısıyla sızdırmazlık elemanındaki hasara uygundur.
Test Koşulları
Bir sızdırmazlık malzemesinin eşzamanlı mekanik ve dielektrik davranışını ve mekanik hasarın ilerlemesinin aynı anda nasıl karakterize edilebileceğini göstermek için, 70 phr karbon siyahı (N 234) ile doldurulmuş bir stiren bütadien kauçuk (SBR) hazırlanmıştır. Kauçuk matris bir yalıtkan gibi davranmaktadır. N 234 karbon siyahı elektriksel olarak iletkendir çünkü yüzey alanı grafitik nano-kristalit yapıya sahiptir. Burada, 70 phr karbon siyahı miktarının, gerekli iletken yolları sağlayan kapalı bir dolgu ağı oluşturmak için mutlak bir ön koşul olan perkolasyon eşiğinin üzerinde olduğuna dikkat etmek önemlidir.
Eşzamanlı mekanik ve dielektrik ölçümler, oda sıcaklığında sıkıştırma modunda özel numune tutucular ve Novocontrol GmbH tarafından sağlanan geniş bant dielektrik spektrometresi (BDS) ile donatılmış bir dielektrik kontrolör ile donatılabilen dinamik mekanik analizör DMA GABO Eplexor® by NETZSCH (Şekil 1) ile gerçekleştirilmiştir. Bu kombinasyonda cihaz DIPLEXOR olarak da adlandırılır. Sıkıştırma kelepçeleri elektrot görevi görür. SBR numunesinin dielektrik özelliklerinin ölçülen tek özellik olmasını sağlamak için cihazın geri kalanından elektriksel olarak izole edilmişlerdir.
Numuneler 10 mm çapında 2 mm kalınlığında silindirlerdir. Elektrotlarla teması iyileştirmek ve dolayısıyla kaçak alanı azaltmak için numune çok ince bir gümüş katmanla kaplanmıştır. Dielektrik spektrumlar 1 Hz ile 105 Hz arasındaki bir frekans aralığında kaydedilmiştir. Statik kuvvet 5 N'luk adımlarla 20 N'dan 40 N'a yükseltilmiştir.
Ölçüm Sonuçları
SBR numunesi tanımlanmış bir statik kuvvetle sıkıştırılırsa, kalınlığı buna göre değişir. Statik yük genliğinin artırılması numune kalınlığını daha da azaltır. Bu davranış Şekil 2'de gösterilmektedir. Mekanik yüklemeye bağlı olarak kalınlıkta %30'a varan bir değişiklik, gerçek uygulamalardaki contalar için kurulum prosedürleriyle oldukça iyi ilişkilidir.
Mekanik yüklemenin artırılması, difüzyon süreçlerinin yanı sıra dolgu partiküllerinin sıkıştırma yönünde yer değiştirmesi veya yönlendirilmesi nedeniyle SBR numunesi içindeki iç sürtünmeyi artırır. Dolgu ağı aşamalı olarak tahrip olur ve numune sertliği azalır. Bu nedenle, hasar ilerlemesi numune içindeki iletim yollarının yoğunluğunda kademeli bir azalma ile ilişkilidir.
Alternatif bir elektrik alanının, E(ω), ek bir uygulaması SBR numunesi içinde bir elektrik akımı oluşturur çünkü serbest elektrik yükü taşıyıcıları, bir taraftan diğerine sürekli iletim yolları oluşturan karbon siyahı kümelerinin yüzeyi boyunca hareket etme kabiliyeti kazanır. Elektrik akımı yoğunluğu, J(ω), aşağıdaki gibi uygulanan elektrik alanı ile orantılıdır:
burada σ* karmaşık dielektrik iletkenlik ve ω=2πf açısal frekanstır. Karmaşık iletkenlik, σ*, zaman birimi başına taşınan yükün bir ölçüsünü temsil eder.
Statik yükteki artışa bağlı olarak karmaşık dielektrik iletkenliğin gerçek kısmındaki değişim, σ*, Şekil 3'te gösterilmektedir.
2000Hz'e kadar olan frekanslarda, σ' frekanstan bağımsızdır ve DC-iletkenliği olarak bilinen bir plato değerine ulaşır. Daha yüksek frekanslarda, σ' frekansa bağımlı hale gelir. Bu alan dielektrik dağılım olarak adlandırılır çünkü elektrik alanındaki değişim örnek polarizasyonundaki anlık bir değişimle ilişkili değildir.
Açıkçası, kompleks dielektrik iletkenliğin gerçek kısmı, σ ', dolgu ağının aşamalı olarak tahrip olmasının bir sonucu olarak statik kuvvet arttıkça tüm frekans aralığı boyunca azalır. Bu gerçek, uygulanan statik yükün neden olduğu mekanik yıkım süreçleri nedeniyle tüm SBR numunesi boyunca meydana gelen iletim yolu yoğunluğundaki azalma ile ilişkilidir.
Bu nedenle, bir elastomerik sızdırmazlık malzemesinin çalışma ömrü boyunca σ 'daki değişim, gerçek hasar durumunu izlemenin akıllı bir yolu olarak kullanılabilir. Bu davranış, belirli bir dielektrik frekansta değişen statik yüke bağlı olarak karmaşık dielektrik iletkenliğin gerçek kısmındaki σ' değişimi incelendiğinde daha belirgin hale gelir,fel.
Şekil 4 bu bağımlılığı 10 Hz'lik bir dielektrik frekansında (fel) göstermektedir.
Şekil 4, artan statik yükleme ile azalan kompleks dielektrik iletkenlik arasındaki ilişkiyi doğrulamaktadır. Bu, SBR numunesi içindeki iletim yollarındaki YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk azalmasına bağlanır ve dolgu ağının gerçek hasar durumunun izlenmesine olanak tanır.
Sonuç
Dinamik mekanik analiz (DMA), mekanik yük altındaki teknik ürünler için ana kalite kontrol sistemidir. Dielektrik analiz (DEA), teknik ürünler için geliştirme sürecini daha da destekler. Çok large mevcut frekans aralığı (DMA ile karşılaştırıldığında), iç dinamiklerin derinlemesine moleküler olarak anlaşılmasına izin verir. Bir malzemenin mikro yapısına ilişkin bu değerli içgörü, elektriksel olarak iletken dolgu maddeleri kullanıldığında, aktif çalışma sırasında bitmiş bir teknik ürünün gerçek hasar durumu hakkında - minimum çabayla - sonuçlar çıkarılmasına olanak tanır. Dielektrik iletkenlikteki mevcut değişikliklerin dolgu ağının durumuna ve dolayısıyla sızdırmazlık elemanının hasarına uygun olduğu gösterilmiştir.
DIPLEXOR 500 N benzersiz bir avantaj sunmaktadır: Yüksek mekanik yük altında sızdırmazlık elemanlarının dielektrik özelliklerinin karakterize edilmesine izin vererek, önce özelliklerini ve daha sonra çalışma sırasındaki gerçek performanslarını belirler.