درک مرز مواد آب بندی غیر الاستومری{{0}

مرز واقعی در مهندسی آب بندی در واقع مرز مکانیزم های آب بندی است. نیروی آب بندی اولیه سیل های الاستومری بیشتر به بازیابی الاستیک پس از فشرده سازی بستگی دارد و فشار متوسط ​​باعث افزایش بیشتر تنش تماسی می شود. اگر مجموعه فشرده سازی بیش از حد بزرگ شود و ماده حافظه الاستیک خود را از دست بدهد، مهر و موم از کار می افتد. در مقابل، پلیمرهای فنی مانند PTFE، UHMWPE و PEEK بازیابی الاستیک پایینی دارند و PTFE به ویژه جریان سرد یا خزش قابل توجهی را نشان می دهد. بنابراین، این مواد با "برگشتن مانند لاستیک" کار نمی کنند، بلکه روی طراحی هندسی، پیش بارگذاری، فعال سازی فشار، فنرها یا انرژی حلقه O{4}}برای عملکرد آب بندی کار می کنند. این مرز هسته مواد آب‌بندی غیرالاستومری را مشخص می‌کند: سؤال کلیدی این نیست که ماده چقدر قوی است، بلکه این است که این ماده چه نقشی در سیستم دارد - آیا جبران الاستیک را ارائه می‌کند یا عملکردهایی مانند اصطکاک کم، مقاومت در برابر سایش، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر اکستروژن یا تحمل بار را ارائه می‌کند. اولی در الاستومرها است و دومی به همین دلیل است که پلاستیک های مهندسی به کاربردهای آب بندی راه پیدا می کنند.

1. PTFE PTFE نباید فقط به عنوان یک "پلاستیک-بالا" در نظر گرفته شود، بلکه به عنوان ماده ای که به طور همزمان سه مرز مهم را جابجا می کند: مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر دما و اصطکاک کم. مطالعات AGC نشان می‌دهد که دارای محدوده دمایی معمولی در حدود -180 درجه تا +260 درجه است و تقریباً برای همه رسانه‌ها از نظر شیمیایی بی‌اثر است. ضریب اصطکاک لغزشی خشک PTFE بر روی فولاد طبق داده های پارکر حدود 0.10 است که بسیار کمتر از UHMWPE (~0.25) و PEEK بکر (~0.35) است. این بدان معنی است که PTFE به طور موثر مرز عملکرد بالای آب بندی های مبتنی بر الاستومری{11}} را در شرایط دینامیکی با دمای بالا، به شدت خورنده و اصطکاک کم جابجا می کند.

اما کاستی های آن به همان اندازه قابل توجه است. پارکر می گوید PTFE بکر در دمای اتاق با بار ثابت خزش زیادی دارد و اساساً هیچ بازیابی الاستیکی ندارد. اصطکاک بسیار کم است اما مقاومت در برابر سایش نسبتا ضعیف است. از این رو این درست نیست که PTFE را به عنوان یک لاستیک با دمای بالا یا معادل سخت حلقه های O{3}}الاستومری در نظر بگیریم. یک اشتباه مهندسی معمولی این است که اصطکاک کاهش یافته را با ظرفیت ایجاد یک آب بندی الاستیک پایدار مخلوط می کنیم. بنابراین PTFE به ندرت به تنهایی در برنامه های کاربردی واقعی مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از راه‌ها این است که پرکننده را با استفاده از موادی مانند الیاف شیشه، فیبر کربن، گرافیت یا برنز تغییر دهید تا مقاومت در برابر خزش، مقاومت در برابر سایش، مقاومت فشاری و ظرفیت ضد اکستروژن را افزایش دهید. یک روش متفاوت، استفاده از سازه‌های آب‌بندی پرانرژی مانند آب‌بندی‌های فنری-انرژی‌دار یا طرح‌های الاستومری{10}}الاستومری است، که در آن فنرها یا حلقه‌های O{11}} تماس با فشار کم و تغییر شکل طولانی‌مدت را جبران می‌کنند.

از نقطه نظر مهندسی، PTFE باید به عنوان ماده ای در نظر گرفته شود که محدودیت های سازگاری رسانه، دما و اصطکاک را نقض می کند، نه به عنوان ماده ای که جبران هندسی یا الاستیک را ارائه می دهد. بهترین حالت برای شرایط دمای بالا، قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی تهاجمی یا حرکت دینامیکی با اصطکاک کم است. با این حال، اگر نیاز اصلی انطباق با تغییر شکل بزرگ یا بازیابی الاستیک طولانی مدت باشد، بهترین گزینه نیست.

2. UHMW-PE
UHMWPE یک مرز ماده کاملاً متمایز را در مقایسه با PTFE نشان می دهد. به عنوان مثال، Ensinger PE1000 دارای چقرمگی ضربه بسیار بالا، مقاومت در برابر سایش و سایش خوب، رفتار سایش لغزشی قدرتمند و عملکرد عالی در دمای پایین است. پارامترهای معمولی مدول کششی تقریباً 700 مگاپاسکال، استحکام تسلیم تقریباً 19 مگاپاسکال و دمای سرویس حدود -260 درجه تا +80 درجه است.

این یک پلاستیک مقاوم در برابر دمای بالا در ماهیت مادی نیست، بلکه یک پلیمر فنی مقاوم در برابر سایش و ضربه است. پارکر بیان می‌کند که "UHMWPE یکی از سخت‌ترین و مقاوم‌ترین مواد در برابر سایش است، اما از مقاومت شیمیایی و دما محدودتری نسبت به PTFE برخوردار است و برای کاربردهای رفت و برگشتی یا لغزش بسیار آهسته با ضریب اصطکاک بالاتر از PTFE مناسب‌تر است. UHMWPE اصلی Trelleborg به عنوان یک ماده راهنما و راهنمای سایش آن است. بارهای جانبی را جذب می کند، پیستون ها یا میله ها را هدایت می کند و تماس فلزی-به-فلزی را از بین می برد.

به عبارت دیگر، UHMWPE برای مقاومت در برابر سایش، هدایت، چقرمگی دمای پایین و حرکت آهسته لغزش طراحی شده است، نه برای رقابت با PTFE در دمای بالا یا شرایط سخت شیمیایی. UHMWPE اغلب به عنوان یک جایگزین ارزان برای PTFE در نظر گرفته می شود، اما نقش آنها در واقع اساساً متفاوت است. PTFE برای مقاومت شیمیایی شدید، دمای بالا و اصطکاک فوق-کم طراحی شده است، در حالی که UHMWPE برای مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر ضربه و چقرمگی دمای پایین طراحی شده است.

3. PEEK PEEK یک ماده ساختاری تر در سیستم های آب بندی است. داده های Victrex می گوید که PEEK دارای ظرفیت دمایی بالا، مقاومت شیمیایی گسترده، استحکام مکانیکی بالا، پایداری ابعادی برجسته، مقاومت در برابر هیدرولیز و مقاومت در برابر سایش است. به عنوان مثال، گرید معمولی 450G دارای مدول کششی تقریباً 4.0 گیگا پاسکال، استحکام کششی حدود 98 مگاپاسکال و دمای سرویس مداوم تا 260 درجه است.

PEEK قطعاً یک ماده آب بندی نرم-در تماس نیست، بلکه یک پلیمر ساختاری با مدول بالا است. بیشتر در برنامه های آب بندی به عنوان حلقه های پشتیبان، دستگاه های ضد اکستروژن، عناصر هدایت کننده و اجزای ساختاری باربر استفاده می شود. برای کاربردهای راهنمایی و سایش، Trelleborg PEEK را به عنوان یک پلاستیک مهندسی با مدول بالا طبقه بندی می کند. حلقه‌های PEEK back-به‌ویژه برای جلوگیری از اکستروژن حلقه‌های O- یا حلقه‌های X- تحت فشار بالا ساخته شده‌اند.

مزیت PEEK این است که محدودیت های مقاومت فشار، کنترل شکاف، ظرفیت حمل بار و پایداری ابعاد را افزایش می دهد. اما PEEK یک ماده آب بندی جهانی نیست. این برای کاربردهای سازگار با تغییر شکل بزرگ یا جذب تحمل ایده آل نیست و ضریب اصطکاک بیشتری نسبت به PTFE دارد. بنابراین توصیه می شود که PEEK را به عنوان یک ماده ساختاری و ضد اکستروژن در نظر بگیرید، اما نه به عنوان یک عنصر کلیدی آب بندی.

4. TPU (PU)
پلی اورتان اغلب در کاربردهای آب بندی به عنوان TPU شناخته می شود و یک ماده استاندارد در آب بندی دینامیک هیدرولیک است. پارکر TPU برای مدت طولانی معیاری در سیستم های قدرت سیال بوده است که مقاومت در برابر سایش، پایداری حرارتی، مقاومت در برابر هیدرولیز، عملکرد مجموعه فشرده سازی و بازیابی الاستیک را ارائه می دهد. Covestro همچنین به مقاومت در برابر سایش، دامنه انعطاف پذیری گسترده، کشش بالا و مقاومت خوب در برابر روغن ها و حلال های خاص اشاره می کند.

این امر TPU را در موقعیت متوسط ​​بین الاستومرها و پلاستیک های مهندسی قرار می دهد. خاصیت ارتجاعی عالی دارد و عمر سایش و دوام مکانیکی را به‌ویژه برای کاربردهای هیدرولیک دینامیکی فشار بالا بسیار بهبود می‌بخشد. اما قدرت واقعی آن به طور خاص در آب بندی هیدرولیک دینامیکی است، نه در مقاومت شیمیایی جهانی یا شرایط آب بندی استاتیک.

یکی از رایج‌ترین تصورات غلط این است که TPU را یک ماده همگن بدانیم، زیرا مقاومت شیمیایی آن به شدت به فرمولاسیون، سختی، دما، غلظت و دوره قرار گرفتن در معرض آن بستگی دارد. اسیدها و قلیاهای قوی به TPU حمله می کنند، هیدروکربن های معطر باعث تورم آن می شوند، کتون ها و استرها باعث تورم قابل توجهی می شوند و DMF، DMSO، NMP و THF حلال های TPU هستند. این فرمول همچنین در مقاومت دما نقش دارد. سیستم های مبتنی بر MDI معمولاً در 100 درجه هستند در حالی که سیستم های مبتنی بر PPDI در حدود 135 درجه هستند. بنابراین، PU توسط یک مرز ثابت تعیین نمی‌شود، بلکه توسط مرزهای فرمول‌بندی وابسته به سیستم تعیین می‌شود.

5. حد مهندسی بین الاستومرها و پلاستیک های مهندسی
مانع اساسی بین پلاستیک های مهندسی و الاستومرها را می توان به چند روش درک کرد. الاستومرها عمدتاً مسئول نیروی آب بندی از طریق بازیابی الاستیک هستند، در حالی که پلاستیک های مهندسی مانند PTFE، UHMWPE و PEEK بر تغییر شکل الاستیک متکی نیستند، اما محدودیت های عملکرد را با اصطکاک کم، مقاومت در برابر سایش، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر اکستروژن و پایداری ابعادی افزایش می دهند.

نقش های عملکردی آنها به خوبی متمایز است. PTFE عمدتاً با محدودیت های شیمیایی، دما و اصطکاک سروکار دارد. UHMWPE به مقاومت در برابر سایش، هدایت، عملکرد دمای پایین و لغزش آهسته مربوط می شود. PEEK برای تحمل بار، ضد اکستروژن و پایداری ساختاری فشار بالا استفاده می شود. PU برای عمر سایش تحت شرایط هیدرولیک دینامیکی بهینه شده است. در عمل بهترین راه حل های آب بندی اغلب نه جایگزین، بلکه سیستم های هیبریدی هستند. به عنوان مثال، یک حلقه O-پیش بارگذاری و نیروی تماس اولیه را فراهم می‌کند، یک غلاف PTFE اصطکاک را کاهش می‌دهد و مقاومت شیمیایی را بهبود می‌بخشد، و یک حلقه PEEK یا پر شده از PTFE، اکستروژن تحت فشار را مهار می‌کند.

رایج ترین اشتباه مهندسی، مقایسه مواد برای روش های مختلف آب بندی است. PTFE یک لاستیک-بالا نیست، PEEK یک پلاستیک جهانی نیست، UHMWPE یک PTFE ارزان نیست، PU فقط یک NBR سخت تر نیست. هنگامی که حالت شکست غالب شناسایی شد، مرز ماده آشکار می شود.