In der Fertigungsindustrie sind die für die Abdichtung verantwortlichen Ingenieure in der Regel die anspruchsvollsten Mitglieder eines Projektteams.
Wenn die Maschine normal läuft, denkt niemand an Sie; Sobald jedoch am Standort des Kunden Lecks (Wasser, Öl oder Gas) an der Ausrüstung auftreten, ist zweifellos der Dichtungstechniker die erste Person, die zur Verantwortung gezogen wird.
Der Statiker prüft zunächst die Grabenabmessungen und stellt sicher, dass sie genau gemäß den Toleranzvorgaben gezeichnet wurden. Anschließend überprüft die IQC-Abteilung den Werksbericht und stellt sicher, dass die von großen Herstellern gelieferten Produkte alle erforderlichen Standards erfüllen. Letztendlich liegt die Verantwortung für die Fehleranalyse allein beim Dichtungsingenieur.
Sie haben den defekten O-Ring entfernt; seine Oberfläche war intakt, frei von Rissen oder Anzeichen chemischer Korrosion. Die einzige Änderung bestand darin, dass es abgeflacht war und nicht wieder in seine ursprüngliche Form gebracht werden konnte.
Wenn man sich in dieser Phase ausschließlich auf die Zugfestigkeits- und Shore-Härtewerte konzentriert, die in den Materialspezifikationen des Lieferanten aufgeführt sind, kann die tatsächliche Fehlerursache möglicherweise nicht ermittelt werden.
Im Bereich versiegelter Polymermaterialien wird die langfristige Dichtungsleistung häufig nicht durch die Materialhärte oder Zugfestigkeit bestimmt, sondern durch einen häufig unterschätzten Parameter: den Druckverformungsrest (CS).
Lassen Sie uns diesen Parameter aus drei Perspektiven genauer untersuchen.
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Versiegeln – was genau wird versiegelt?
Bevor wir über permanente Druckverformung sprechen, ist es wichtig, ein weit verbreitetes mechanisches Missverständnis zu korrigieren: Die Abdichtung beruht nicht auf „Blockieren“, sondern auf „Stützen“.
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Wenn Sie einen Silikon-O{0}}-Ring in die Metallnut einsetzen und den Flansch festziehen, wird das Silikon komprimiert (normalerweise in einem Verhältnis von 15–30 %).
Silikon ist ein hochelastisches Material. Beim Komprimieren werden seine Molekülketten gewaltsam verformt, wodurch eine starke Rückprallkraft (Kontaktspannung) entsteht, die danach strebt, in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren.
Diese Rückprallkraft wirkt der Metallwand fest entgegen; Theoretisch tritt das Medium überhaupt nicht aus, solange es den Druck der inneren Flüssigkeit überschreitet.
Daher liegt das Wesen der Versiegelung in der kontinuierlichen Bereitstellung elastischer Kraft durch Silikon-Molekülketten unter Druck, die es ihnen ermöglicht, fest an Metalloberflächen zu haften.
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Was verursacht Dichtungsversagen?
Da die Abdichtung auf der Rückstellkraft beruht, stellt sich die Frage, was passiert, wenn diese Kraft verschwindet?
Was ist eine bleibende Druckverformung?
Wir haben das Silikongel um 25 % abgeflacht, es 70 Stunden lang bei 120 Grad im Ofen gebacken, es dann herausgenommen und abkühlen lassen, bis es wieder seine ursprüngliche Form annahm.
Wenn es seine ursprüngliche Dicke vollständig wiederherstellen kann, beträgt CS=0 % (ein perfektes Elastomer, das in der Realität nicht existiert).
Wenn es sich vollständig abflacht und sich überhaupt nicht erholt, beträgt CS=100 % (was darauf hinweist, dass es zu starrem Kunststoff geworden ist).
Warum können Molekülketten nicht „in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren“? Das Problem liegt auf der mikroskopischen Ebene:
Körperliche Ebene – Stressentspannung und Reorganisation der Kettensegmentierung
Silikon entsteht durch das Ineinandergreifen langer Molekülketten. Bei längerer Kompression bei hohen Temperaturen
Es reduziert seinen inneren Stress durch allmähliches Gleiten und Reorganisieren.
Es ist, als würde man ein flauschiges Wollknäuel ein Jahr lang auf den Boden einer Schachtel drücken.-Wenn man es herausnimmt, hat es sich bereits an seine abgeflachte Form angepasst und kann seine ursprüngliche Flauschigkeit kaum wiedererlangen.
Dieser physikalische „Kompromiss“ führt zu einem allmählichen Rückgang der Rückprallkraft.
Chemische Ebene – Aufbrechen und Reorganisation von Vernetzungsbindungen
Dies ist der kritischste Aspekt. Die Elastizität von Silikon beruht auf vernetzenden Bindungen zwischen Molekülketten (z. B. Schwefel--Schwefelbindungen).
Bei hohen Temperaturen und längerer Kompression brechen die ursprünglichen Vernetzungsbindungen, was zum Verlust der elastischen Zugkraft führt.
Noch wichtiger ist, dass die durch den Bruch erzeugten freien Radikale unter komprimierten Bedingungen des Materials wieder neue vernetzte Bindungen bilden-und die Molekülketten effektiv in einem „flachen Zustand“ fixieren. Selbst nachdem die äußere Kraft entfernt wurde, verhindern diese neuen chemischen Bindungen, dass das Material in seine ursprüngliche Konfiguration zurückkehrt.
Physikalischer Schlupf + chemische Rekombination=permanente Druckverformung.
Ein höherer CS-Wert führt zu einem flacheren Silikongel und einer schwächeren Kontaktspannung. Wenn die Rückprallkraft im Vergleich zum Flüssigkeitsdruck unzureichend wird, kommt es schließlich zu Undichtigkeiten.
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Wie sollte dies aus technischer Sicht angegangen werden?
Nachdem wir nun die zugrunde liegenden Mechanismen verstanden haben, wie können wir dieses Risiko bei der Entwicklung von Dichtungen und der Materialauswahl vermeiden?
1. Klären Sie bei der Interpretation von CS-Daten immer die Testbedingungen.
In der vom Lieferanten bereitgestellten Tabelle der physikalischen Eigenschaften wird häufig angegeben: „Dauerhafte Verformung unter Druck: 25 %.“Doch bei welcher Temperatur, bei welchem Verdichtungsverhältnis und wie lange wurden diese Messungen durchgeführt?
Wenn der CS-Wert bei 100 Grad bei 25 % gemessen wird, kann er unter tatsächlichen Betriebsbedingungen von 150 Grad aufgrund der beschleunigten thermischen und oxidativen Alterung auf über 50 % ansteigen.
Die wichtigste Anforderung besteht darin, dass bei der Ermittlung des CS-Werts die Prüftemperatur nicht niedriger sein darf als die maximale Betriebstemperatur des Produkts und die Prüfdauer mindestens 70 Stunden bzw. 168 Stunden betragen muss. Nur solche Daten können als gültige Referenz für die Auswahl dienen.
2. Konzentrieren Sie sich auf das Vernetzungssystem, anstatt blindlings die Härte zu erhöhen
Wenn der CS-Wert nicht den Anforderungen entspricht, versuchen Sie nicht, dies durch eine Erhöhung der Silikongelhärte zu kompensieren. -Die Härte kann eine bleibende Verformung nicht rückgängig machen. Stattdessen sollte der Eingriff auf das chemische Vernetzungssystem des Materials gerichtet werden.
Am Beispiel von NBR oder EPDM: Herkömmliche Schwefelvulkanisationssysteme bilden Schwefel-Schwefelbindungen mit niedriger Bindungsenergie, die bei hohen Temperaturen zum Bruch und zur Neubildung neigen, was zu schlechten CS-Werten führt.
Durch den Einsatz eines Peroxid-Vulkanisationssystems werden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen gebildet, die eine hohe Bindungsenergie aufweisen und unter Hochtemperaturkompression resistent gegen Spaltung und Rekombination sind, wodurch die bleibende Kompressionsverformung deutlich reduziert wird.
Der Nachteil ist eine Verringerung der Reißfestigkeit von Peroxid--vulkanisierten Materialien. Dies stellt ein typisches Gleichgewicht zwischen dem Erreichen einer „nicht-Zerreißbarkeit“ und der Beibehaltung von „Rückpralleigenschaften“ dar.
3. Kompensation der materiellen CS-Dämpfung durch strukturelles Design
Wenn der CS-Wert des Materials bis zu seiner physikalischen Grenze (z. B. 30 %) optimiert wurde, wie können wir dann eine kontinuierliche Dichtungsleistung über einen langen -Zeitgebrauch sicherstellen?
Da wir wissen, dass es etwas an Elastizität verlieren wird, sollten wir diesen Verlust in die Kompressionszugabe einbeziehen, wenn wir die Nutabmessungen entwerfen.
Das Kompressionsverhältnis kann jedoch nicht unbegrenzt erhöht werden. Wenn die Kompressionsrate übermäßig hoch ist (mehr als 40 %), steigt die innere Spannung innerhalb des Polymers exponentiell an, was zu einem vorzeitigen mechanischen Bruch der Molekülketten und damit zu einer beschleunigten CS-Verschlechterung führt.
Der effizienteste Ansatz besteht darin, dass Bauingenieure und Materialingenieure gemeinsam eine Nuttoleranz auf der Grundlage der Spannungsrelaxationskurve-ableiten, die weder die Integrität des Silikons beeinträchtigt noch nach zehn Jahren kein ausreichendes Dichtungsdruckverhältnis aufrechterhält.
Ein Siegel zu schaffen bedeutet im Wesentlichen, sowohl ein Freund als auch ein Feind der Zeit zu werden.
Ein echter Dichtungsingenieur konzentriert sich nicht nur auf die Gewährleistung einer wasserdichten Abdichtung zum Zeitpunkt der Fertigstellung der Montage.
Ihre Sorge besteht darin, ob die Molekülkette nach drei, fünf oder sogar zehn Jahren -bei wiederholter Einwirkung hoher Temperaturen und starkem Druck{1}} immer noch fest mit der Metalloberfläche verbunden bleibt.
Wenn Ihre Dichtung immer wieder undicht ist, Sie aber die Ursache nicht ermitteln können oder die Eigenschaftstabellen des Lieferanten verwirrend sind-, können Sie sich gerne mit Ihren Zeichnungen und fehlerhaften Mustern an unseren Vertriebsingenieur wenden.