Forstå grænsen for ikke-elastomerforseglingsmaterialer

Den egentlige grænse inden for tætningsteknik er faktisk grænsen for tætningsmekanismer. Den indledende tætningskraft af elastomere tætninger er for det meste afhængig af den elastiske genopretning efter kompression, og mellemtrykket vil øge kontaktspændingen yderligere. Hvis kompressionssættet bliver for stort, og materialet mister sin elastiske hukommelse, vil tætningen svigte. I modsætning hertil har tekniske polymerer som PTFE, UHMWPE og PEEK fundamentalt lav elastisk genvinding, og især PTFE udviser betydelig koldstrømning eller krybning. Så disse materialer fungerer ikke ved at "snakke tilbage som gummi", men på geometrisk design, forspænding, trykaktivering, fjedre eller O--ringenergi til tætningsydelse. Dette definerer kernegrænsen for ikke-elastomerforseglingsmaterialer: Nøglespørgsmålet er ikke, hvor stærkt materialet er, men hvilken rolle det spiller i systemet -, om det giver elastisk kompensation, eller om det giver funktioner såsom lav friktion, slidstyrke, kemisk resistens, ekstruderingsmodstand eller belastningsbærende-. Førstnævnte er i elastomerer, og sidstnævnte er grunden til, at ingeniørplast finder vej til tætningsapplikationer.

1. PTFE PTFE bør ikke opfattes som blot en "high--end plastik", men som et stof, der samtidig skubber tre vigtige grænser: kemisk resistens, temperaturbestandighed og lav friktion. AGC-undersøgelser viser, at den har et normalt driftstemperaturområde på omkring -180 grader til +260 grader og er kemisk inert over for stort set alle medier. Den tørre glidefriktionskoefficient for PTFE på stål er omkring 0,10 ifølge Parker-data, hvilket er meget lavere end UHMWPE (~0,25) og virgin PEEK (~0,35). Dette betyder, at PTFE effektivt flytter grænsen for den bedste ydeevne for elastomer-baserede tætninger i høje temperaturer, alvorligt ætsende og dynamiske situationer med lav friktion.

Men dens mangler er lige så væsentlige. Parker siger, at virgin PTFE har meget kryb ved stuetemperatur med en konstant belastning og har stort set ingen elastisk genopretning. Friktionen er meget lav, men slidstyrken er ret dårlig. Det er derfor ikke korrekt at betragte PTFE som en højtemperaturgummi eller som en hård ækvivalent til elastomere O-ringe. En typisk teknisk fejl er at blande reduceret friktion med kapaciteten til at give en stabil elastisk tætning. Derfor bruges PTFE sjældent alene i rigtige applikationer. En måde er at skifte fyldstof ved at bruge materialer som glasfiber, kulfiber, grafit eller bronze for at forbedre krybemodstanden, slidstyrken, trykstyrken og anti-ekstruderingsevnen. En anden metode er anvendelsen af ​​strømførende tætningsstrukturer, såsom fjeder-forsynede tætninger eller elastomer-energiserede designs, hvor fjedre eller O-ringe kompenserer for lav-trykkontakt og langvarig-deformation.

Fra et ingeniørmæssigt synspunkt bør PTFE betragtes som et materiale, der overtræder grænserne for mediekompatibilitet, temperatur og friktion, og ikke som et materiale, der giver geometrisk eller elastisk kompensation. Den er bedst egnet til situationer med høj temperatur, aggressiv kemisk eksponering eller dynamisk bevægelse med lille friktion. Det er dog ikke den største mulighed, hvis det største krav er stor deformationsoverholdelse eller langsigtet elastisk genopretning.

2. UHMW-PE
UHMWPE repræsenterer en helt tydelig materialegrænse sammenlignet med PTFE. For eksempel har Ensinger PE1000 en meget høj slagfasthed, god slid- og slidstyrke, kraftig glidende slidadfærd og overlegen ydeevne ved lav temperatur. Typiske parametre er et trækmodul på ca. 700 MPa, en flydespænding på ca. 19 MPa og en driftstemperatur på omkring -260 grader til +80 grader.

Det er ikke en højtemperaturbestandig plast i sin materielle natur, men en slidstærk og slagfast teknisk polymer. Parker udtaler, at "UHMWPE er et af de hårdeste og mest slidstærke materialer, men har en mere begrænset temperatur og kemisk resistens end PTFE og er mere velegnet til frem- og tilbagegående eller meget langsom glidende applikationer med en højere friktionskoefficient end PTFE. Trelleborgs primære UHMWPE-tilbud er som materiale til føringsringe og slidringe i hydrauliske cylindre, hvor det absorberer, hydrauliske cylinderringe, eller slider cylinderringe. stænger og eliminerer metal-til-metalkontakt.

Med andre ord er UHMWPE designet til at være slidstærkt, vejledende, sejhed ved lav temperatur og langsom glidende bevægelse, for ikke at konkurrere med PTFE i høje temperaturer eller kemisk hårde omgivelser. UHMWPE er ofte tænkt som en billig erstatning for PTFE, men deres roller er faktisk fundamentalt forskellige. PTFE er designet til ekstrem kemisk resistens, høj temperatur og ultra-lav friktion, mens UHMWPE er designet til slidstyrke, slagfasthed og lav temperatur sejhed.

3. PEEK PEEK er et mere strukturelt materiale i tætningssystemer. Victrex-data siger, at PEEK har høj temperaturkapacitet, omfattende kemisk resistens, høj mekanisk styrke, enestående dimensionsstabilitet, hydrolyseresistens og slidstyrke. Den typiske 450G-kvalitet har for eksempel et trækmodul på omkring 4,0 GPa, en trækstyrke på omkring 98 MPa og kontinuerlige driftstemperaturer op til 260 grader.

PEEK er bestemt ikke et blødt-kontaktforseglingsmateriale, men en strukturel polymer med høj modul. Det bruges mest i tætningsapplikationer som back-ringe, anti-ekstruderingsanordninger, styreelementer og bærende strukturelle komponenter. Til vejlednings- og slidanvendelser klassificerer Trelleborg PEEK som en ingeniørplast med høj modulus. PEEK-back-ringe er specielt udviklet til at undgå ekstrudering af O-ringe eller X-ringe under højt tryk.

Fordelen ved PEEK er, at det udvider grænserne for trykmodstand, spaltekontrol, bæreevne og dimensionsstabilitet. Men PEEK er ikke et universelt anvendeligt tætningsmateriale. Den er ikke ideel til anvendelser med stor deformationsoverholdelse eller toleranceabsorption og har en større friktionskoefficient end PTFE. Det anbefales derfor at betragte PEEK som et strukturelt og anti-ekstruderingsmateriale, men ikke som et nøgleforseglingselement.

4. TPU (PU)
Polyurethan omtales ofte som TPU i tætningsapplikationer og er et standardmateriale i hydraulisk dynamisk tætning. Parker TPU har været benchmark inden for fluid power-systemer i lang tid, og tilbyder enestående slidstyrke, termisk stabilitet, hydrolysemodstand, kompressionssæt-ydeevne og elastisk genopretning. Covestro bemærker også sin store slidstyrke, brede fleksibilitetsområde, høje elasticitet og gode modstandsdygtighed over for olier og visse opløsningsmidler.

Dette sætter TPU i en midterposition mellem elastomerer og ingeniørplast. Den har fremragende elasticitet og forbedrer i høj grad levetiden og den mekaniske holdbarhed, især til dynamiske hydrauliske applikationer med-højt tryk. Men dens virkelige styrke er specifikt i dynamisk hydraulisk tætning, ikke i universel kemisk resistens eller statiske tætningsforhold.

En af de mest almindelige misforståelser er at tænke på en TPU som et enkelt homogent materiale, da dets kemiske resistens er meget afhængig af formulering, hårdhed, temperatur, koncentration og eksponeringsperiode. Stærke syrer og baser vil angribe TPU, aromatiske kulbrinter vil få det til at svulme, ketoner og estere vil forårsage betydelig hævelse, og DMF, DMSO, NMP og THF er opløsningsmidler til TPU. Formuleringen har også en rolle i temperaturbestandighed. MDI baserede systemer er normalt på 100 grader mens PPDI baserede systemer er på omkring 135 grader. Derfor er PU ikke bestemt af én konstant grænse, men af ​​system-afhængige formuleringsgrænser.

5. Teknisk grænse mellem elastomerer og ingeniørplast
Den underliggende barriere mellem ingeniørplast og elastomerer kan forstås på nogle få måder. Elastomerer er hovedsageligt ansvarlige for tætningskraften via elastisk genvinding, mens ingeniørplast som PTFE, UHMWPE og PEEK ikke er afhængig af elastisk deformation, men skubber ydeevnegrænserne med lav friktion, slidstyrke, kemisk modstand, ekstruderingsmodstand og dimensionsstabilitet.

Deres funktionelle roller er godt differentierede. PTFE beskæftiger sig hovedsageligt med kemikalie-, temperatur- og friktionsgrænser. UHMWPE beskæftiger sig med slidstyrke, vejledning, lav temperatur ydeevne og langsom glidning. PEEK bruges til bærende, anti-ekstrudering og højtryks strukturel stabilitet. PU er optimeret til levetid under dynamiske hydrauliske forhold. I praksis er de bedste tætningsløsninger ofte ikke udskiftning, men hybridsystemer. For eksempel giver en O--ring forspænding og indledende kontaktkraft, en PTFE-muffe giver reduceret friktion og forbedret kemisk resistens, og en PEEK eller fyldt PTFE-back-ring hæmmer ekstrudering under tryk.

Den mest almindelige tekniske fejl er at sammenligne materialer til forskellige tætningsmetoder. PTFE er ikke en høj-gummi, PEEK er ikke en universel plastik, UHMWPE er ikke en billig PTFE, PU er ikke bare en hårdere NBR. Når først den dominerende fejltilstand er genkendt, er den materielle grænse tydelig.