Razumijevanje granica materijala za brtvljenje koji nisu-elastomerni

Prava granica u tehnici brtvljenja zapravo je granica mehanizama za brtvljenje. Početna sila brtvljenja elastomernih brtvi uglavnom ovisi o elastičnom oporavku nakon kompresije, a srednji tlak dodatno će povećati kontaktno naprezanje. Ako stupanj kompresije postane prevelik i materijal izgubi svoju elastičnu memoriju, brtva neće uspjeti. Nasuprot tome, tehnički polimeri kao što su PTFE, UHMWPE i PEEK imaju fundamentalno nizak elastični oporavak, a PTFE posebno pokazuje značajno hladno tečenje ili puzanje. Dakle, ovi materijali ne djeluju tako što se "povlače kao guma", već na geometrijskom dizajnu, predopterećenju, aktivaciji pritiska, oprugama ili energiziranju O-prstena za brtvljenje. Ovo definira temeljnu granicu ne-elastomernih materijala za brtvljenje: ključno pitanje nije koliko je čvrst materijal, već kakvu ulogu ima u sustavu - pruža li elastičnu kompenzaciju ili pruža li funkcije kao što su nisko trenje, otpornost na habanje, otpornost na kemikalije, otpornost na ekstruziju ili-podnošenje opterećenja. Prvo je u elastomerima, a potonje je razlog zašto inženjerska plastika pronalazi svoj put u primjenama za brtvljenje.

1. PTFE PTFE se ne smije smatrati samo "vrhunskom-plastikom", već supstancom koja istovremeno pomiče tri važne granice: otpornost na kemikalije, otpornost na temperaturu i nisko trenje. AGC studije pokazuju da ima normalan radni temperaturni raspon od oko -180 stupnjeva do +260 stupnjeva i da je kemijski inertan na praktički sve medije. Koeficijent suhog kliznog trenja PTFE-a na čeliku je oko 0,10 prema Parkerovim podacima, što je mnogo niže od UHMWPE (~0,25) i neoštećenog PEEK-a (~0,35). To znači da PTFE učinkovito pomiče vrhunsku granicu performansi brtvi na bazi elastomera-u dinamičkim situacijama visoke temperature, jako korozivnim i niskim trenjem.

Ali njegovi su nedostaci jednako značajni. Parker kaže da neobrađeni PTFE ima puno puzanja na sobnoj temperaturi uz konstantno opterećenje i da u biti nema elastičnog oporavka. Trenje je vrlo nisko, ali je otpornost na trošenje prilično slaba. Stoga nije ispravno smatrati PTFE gumom za visoke temperature ili tvrdim ekvivalentom elastomernih O-prstenova. Tipična inženjerska pogreška je spajanje smanjenog trenja s kapacitetom da se osigura stabilno elastično brtvljenje. Stoga se PTFE rijetko koristi sam u stvarnim aplikacijama. Jedan od načina je promjena punila upotrebom materijala poput staklenih vlakana, karbonskih vlakana, grafita ili bronce kako bi se poboljšala otpornost na puzanje, otpornost na habanje, čvrstoća na pritisak i kapacitet protiv-ekstruzije. Drugačija metoda je uporaba brtvenih struktura pod naponom kao što su opružne-brtve pod naponom ili dizajni- pod naponom od elastomera, gdje opruge ili O-prstenovi kompenziraju niski{12}}tlačni kontakt i dugotrajnu-deformaciju.

S inženjerske točke gledišta, PTFE treba smatrati materijalom koji prelazi granice kompatibilnosti medija, temperature i trenja, a ne materijalom koji pruža geometrijsku ili elastičnu kompenzaciju. Najprikladniji je za situacije visoke temperature, izloženosti agresivnim kemikalijama ili dinamičnog kretanja s malim trenjem. Međutim, to nije najbolja opcija ako je glavni zahtjev velika popustljivost deformacije ili dugoročni elastični oporavak.

2. UHMW-PE
UHMWPE predstavlja potpuno jasnu granicu materijala u usporedbi s PTFE-om. Na primjer, Ensinger PE1000 ima vrlo visoku udarnu žilavost, dobru otpornost na habanje i abraziju, moćno klizno ponašanje i vrhunske performanse na niskim temperaturama. Tipični parametri su vlačni modul od približno 700 MPa, granica razvlačenja od otprilike 19 MPa i radna temperatura od oko -260 stupnjeva do +80 stupnjeva.

Po svojoj prirodi to nije plastika otporna na visoke temperature, već tehnički polimer otporan na habanje i udarce. Parker navodi da je "UHMWPE jedan od najčvršćih i najotpornijih materijala na habanje, ali ima ograničeniju temperaturnu i kemijsku otpornost od PTFE-a i prikladniji je za recipročne ili vrlo spore klizne primjene s višim koeficijentom trenja od PTFE-a. Trelleborgova glavna UHMWPE ponuda je kao materijal za vodeće prstenove i habajuće prstenove u hidrauličnim cilindrima, gdje apsorbira bočna opterećenja, vodi klipove ili šipke i eliminira kontakt-o-metal.

Drugim riječima, UHMWPE je dizajniran da bude otporan na habanje, vođenje, žilavost na niskim temperaturama i sporo klizno kretanje, a ne da se natječe s PTFE-om na visokim temperaturama ili kemijski oštrim postavkama. UHMWPE se često smatra jeftinom zamjenom za PTFE, ali njihove su uloge zapravo bitno različite. PTFE je dizajniran za ekstremnu otpornost na kemikalije, visoke temperature i ultra-nisko trenje, dok je UHMWPE dizajniran za otpornost na habanje, otpornost na udarce i otpornost na niske temperature.

3. PEEK PEEK je više strukturni materijal u sustavima za brtvljenje. Victrex podaci govore da PEEK ima visoku temperaturnu sposobnost, veliku kemijsku otpornost, visoku mehaničku čvrstoću, izvanrednu dimenzionalnu stabilnost, otpornost na hidrolizu i otpornost na trošenje. Tipična klasa 450G, na primjer, ima vlačni modul od otprilike 4,0 GPa, vlačnu čvrstoću od oko 98 MPa i kontinuiranu radnu temperaturu do 260 stupnjeva.

PEEK definitivno nije meki-materijal za brtvljenje kontakta, već visokomodulni strukturni polimer. Uglavnom se koristi u aplikacijama za brtvljenje kao potporni-prstenovi, uređaji protiv-istiskivanja, elementi za navođenje i nosive konstrukcijske komponente. Za primjenu u smjernicama i trošenju, Trelleborg klasificira PEEK kao inženjersku plastiku visokog modula. Potporni-prstenovi od PEEK-a posebno su razvijeni kako bi se izbjeglo istiskivanje O-prstenova ili X-prstenova pod visokim pritiskom.

Prednost PEEK-a je u tome što proširuje granice otpornosti na pritisak, kontrole zazora, nosivosti i stabilnosti dimenzija. Ali PEEK nije univerzalno primjenjiv brtveni materijal. Nije idealan za primjenu velike deformacije ili apsorpcije tolerancije i ima veći koeficijent trenja od PTFE-a. Stoga se preporuča razmatranje PEEK-a kao strukturnog i anti{3}}ekstruzionog materijala, ali ne i kao ključnog elementa za brtvljenje.

4. TPU (PU)
Poliuretan se često naziva TPU u primjenama brtvljenja i standardni je materijal u hidrauličkom dinamičkom brtvljenju. Parker TPU je već dugo mjerilo u fluidnim sustavima napajanja, nudeći izuzetnu otpornost na habanje, toplinsku stabilnost, otpornost na hidrolizu, performanse kompresije i elastični oporavak. Covestro također ističe njegovu veliku otpornost na abraziju, širok raspon fleksibilnosti, visoku elastičnost i dobru otpornost na ulja i određena otapala.

Ovo stavlja TPU u srednji položaj između elastomera i inženjerske plastike. Ima izvrsnu elastičnost i znatno poboljšava vijek trajanja i mehaničku izdržljivost, posebno za visokotlačne dinamičke hidraulične primjene. Ali njegova prava snaga je upravo u dinamičkom hidrauličkom brtvljenju, a ne u univerzalnoj kemijskoj otpornosti ili statičkim uvjetima brtvljenja.

Jedna od najčešćih zabluda je razmišljanje o TPU-u kao jednom homogenom materijalu, budući da njegova kemijska otpornost uvelike ovisi o formulaciji, tvrdoći, temperaturi, koncentraciji i vremenu izlaganja. Jake kiseline i lužine će napasti TPU, aromatski ugljikovodici će uzrokovati njegovo bubrenje, ketoni i esteri će uzrokovati znatno bubrenje, a DMF, DMSO, NMP i THF su otapala za TPU. Formulacija također ima ulogu u otpornosti na temperaturu. MDI sustavi su obično na 100 stupnjeva, dok su PPDI sustavi na oko 135 stupnjeva. Stoga PU nije određen jednom konstantnom granicom, već granicama formulacije-ovisnim o sustavu.

5. Inženjerska granica između elastomera i inženjerske plastike
Temeljna barijera između inženjerske plastike i elastomera može se razumjeti na nekoliko načina. Elastomeri su uglavnom odgovorni za silu brtvljenja putem elastične obnove, dok se inženjerske plastike kao što su PTFE, UHMWPE i PEEK ne oslanjaju na elastičnu deformaciju, već pomiču granice performansi s niskim trenjem, otpornošću na habanje, kemijskom otpornošću, otpornošću na ekstruziju i dimenzionalnom stabilnošću.

Njihove funkcionalne uloge su dobro diferencirane. PTFE se uglavnom bavi kemijskim, temperaturnim i trenjem granicama. UHMWPE se bavi otpornošću na habanje, vođenjem, performansama na niskim temperaturama i sporim klizanjem. PEEK se koristi za nosivost, anti-ekstruziju i strukturnu stabilnost pod visokim pritiskom. PU je optimiziran za vijek trajanja u dinamičkim hidrauličkim uvjetima. U praksi najbolja rješenja za brtvljenje često nisu zamjenski nego hibridni sustavi. Na primjer, O-prsten osigurava predopterećenje i početnu kontaktnu silu, PTFE rukavac pruža smanjeno trenje i poboljšanu kemijsku otpornost, a PEEK ili punjeni PTFE potporni-prsten sprječava ekstruziju pod pritiskom.

Najčešća inženjerska pogreška je usporedba materijala za različite metode brtvljenja. PTFE nije vrhunska-guma, PEEK nije univerzalna plastika, UHMWPE nije jeftini PTFE, PU nije samo tvrđi NBR. Nakon što se prepozna dominantni način kvara, granica materijala je očita.