MATERIAŁY NA USZCZELNIENIA

Transkrypt

1 MATERIAŁY NA USZCZELNIENIA OPIS Kontakt: tel: Opracował: Wojciech Wróblewski

2 1 Skład materiałów elastomerowych Głównym składnikiem materiałów elastomerowych są kauczuki, które w postaci nie przetworzonej są substancjami bezpostaciowymi i mają niską temperaturę przemiany szklistej. Przed usieciowaniem (wulkanizacją) mają właściwości termoplastyczne, a ze wzrostem temperatury miękną, tracąc stopniowo właściwości elastyczne. Makrocząsteczki sieciują się podczas wulkanizacji, pod wpływem siarki lub innych procesów chemicznych bądź fizycznych, tworząc przy rzadszym usieciowaniu elastomery (gumę), a w przypadku gęstszego usieciowania twardą gumę lub ebonit. Kauczuki charakteryzują się znaczną liczbą nienasyconych wiązań podwójnych, z których tylko część ulega wysyceniu podczas konwencjonalnej wulkanizacji siarką z przyśpieszaczami organicznymi. Inną możliwością otrzymywania produktów z niewielką zawartością wiązań podwójnych jest polimeryzacja z otwarciem pierścieni, które można wulkanizować siarką lub nadtlenkami. W technologii kauczuków niezwykle ważne jest wzmacnianie mieszanek aktywnymi napełniaczami, którymi są sadze dla gum czarnych, a koloidalna, mocno zdyspergowana krzemionka dla gum jasnych. Napełniacze wprowadza się do mieszanki gumowej w celu nadania gumie określonych własności fizycznych jak: twardość, wytrzymałość, na rozciąganie, odporność na ścieranie. Te dwie grupy składników: kauczuki i napełniacze decydują zasadniczo o właściwościach elastomerów. Właściwości gumy Do podstawowych właściwości gumy należą: - twardość - wytrzymałość na rozciąganie i rozdzieranie - wydłużenie względne przy zerwaniu - względne odkształcenie trwałe przy ściskaniu - temperatura kruchości - odporność w mediach wzorcowych, oraz ozon - odporność na ścieranie - elastyczność oraz własności dynamiczne. Rodzaje elastomerów Lp Nazwa chemiczna kauczuku Symbol materiału DIN/ISO 1629 ASTM D Butadienowo-akrylonitrylowy (kauczuk nitrylowy) NBR NBR 2 Butadienowo-akrylonitrylowy, uwodorniony HNBR HNBR 3 Chloroprenowy CR CR 4 Kopolimer akrylanu etylu (kauczuk akrylowy) ACM ACM 5 Kopolimer etylenu z octanem winylu (kauczuk etylenowo-akrylowy) AEM AEM 6 Silikonowy VMQ MVQ 7 Fluorosilikonowy FVMQ MFQ 8 Fluorowy FPM FKM 9 Perfluorowy FFPM FFKM 10 Estrowo-uretanowy AU AU 11 Eterowo-uretanowy EU EU 12 Epichlorohydrynowy ECO ECO 13 Naturalny NR NR 14 Izoprenowy IR IR 15 Butadienowy BR BR 16 Butadienowo-styrenowy SBR SBR 17 Etylenowo-propylenowy EPDM EPDM 18 Butylowy IIR IIR 19 Chlorobutylowy CIIR CIIR 20 Bromobutylowy BIIR BIIR Rodzaje tworzyw sztucznych Lp Nazwa chemiczna tworzywa (polimeru) Symbol materiału DIN 7728 część 1 ASTM D Policzterofluoroetylen PTFE PTFE 2 Tłoczywo fenolowo-formaldechydowe PF PF 3 Poliamid PA PA 4 Plioksymetylen (poliacetal) POM POM 5 Polipropylen PP PP Opis i zastosowanie niektórych elastomerów i tworzyw sztucznych Guma NBR posiada najszersze zastosowanie ze wszystkich gum. Charakteryzuje się dobrymi własnościami mechanicznymi jak; wytrzymałość na zerwanie, elastyczność, niskie odkształcenie trwałe przy ściskaniu. Jest najbardziej uniwersalnym materiałem na uszczelnienia techniczne stosowane w hydraulice i pneumatyce. Wykonuje się też różne elementy z konfekcji gumowej średnio i wysokoobciążonej. Uszczelnienia z tej gumy mogą być stosowane w kontakcie z olejami mineralnymi, olejami pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, węglowodorami alifatycznymi jak propan-butan, wodą rozcieńczonymi kwasami, zasadami i solami. Ponadto niska przepuszczalność gazów umożliwia stosowanie mieszanek na uszczelnienia do próżni przy ciśnieniu p 10-2 Tora. Temperaturowy zakres stosowania wynosi od 30 C do +100 C, krótkotrwały do +120 C. W wykonaniu specjalnym można uzyskać odporność do 50 C. Najczęściej stosowana w zakresie twardości o ShA. Guma HNBR na bazie uwodornionego kauczuku akrylonitrylowego charakteryzuje się lepszymi własnościami mechanicznymi wyższą odpornością na ścieranie niż NBR oraz odpornością na wyższe temperatury do +150 C. Wykazują nieco większą odporność na media jak w przypadku NBR. Guma FKM stosowana do produkcji uszczelnień w aplikacjach wymagających dużej stabilności własności w zakresie temperatur do +200 C i odporności na agresywnie oddziaływujące związki chemiczne jak rozpuszczalniki, ciecze organiczne, nowej generacji smary zawierające aminy, kwasy, zasady, alkohole, różnego rodzaju oleje paliwa jak benzyny bezołowiowe o dużej zawartości związków aromatycznych i związków zawierających tlen. W specjalnym wykonaniu może być stosowana do kontaktu z parą wodną o temperaturze do +250 C. Zawartość fluoru zapewnia niepalność, odporna na ozon i promieniowanie ultrafioletowe. Jako materiał o wyjątkowo niskiej przepuszczalności gazów może być stosowana na uszczelnienia do próżni nawet do 10-7 Tora. Najczęściej stosowany zakres twardości o ShA. Guma FFKM oparta na kauczuku fluorowym o większej zawartości fluoru, której odporność chemiczna jest zbliżona do PTFE. Ze względu na bardzo wysoką cenę uszczelnień z FFKM, stosowane są w węzłach uszczelniających o wysokich wymaganiach technicznych oraz o wysokim stopniu bezpieczeństwa takich jak: instalacje chemiczne, urządzenia lotnicze i kosmiczne. Temperaturowy zakres stosowania od -15 do +250 C, dla specjalnych odmian do +315 C. Guma VMQ charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na działanie wysokiej temperatury do +200 C, a krótkotrwale do +250 C oraz zachowaniem elastyczności w bardzo niskich temperaturach do -60 C, co ma korzystny wpływ na zachowanie trwałości uszczelnień z niej wykonanych. Wykazuje również nieznaczne odkształcenia trwałe przy ściskaniu bardzo dobrą odporność na działanie tlenu, ozonu i promieniowania UV, jest niepalna i ma dobre własności dielektryczne.

3 2 Słabe własności mechaniczne jak wytrzymałość na zerwanie, rozdzierność, a także niska odporność na ścieranie ograniczają możliwość stosowania jej na uszczelnienia pracujące w warunkach dynamicznych. Wykazuje dosyć znaczną przepuszczalność gazów. Stosowana na uszczelnienia najczęściej w zakresie twardości o ShA. Guma FVMQ porównaniu do kauczuku silikonowego posiada lepsze własności fizykomechaniczne, większą odporność na rozdzieranie, mniejsze odkształcenie trwałe przy ściskaniu, jest bardziej odporna na działanie materiałów pędnych, olejów mineralnych i syntetycznych oraz smarów. Jest odporna na czynniki atmosferyczne, ozon, i promieniowanie UV. Temperaturowy zakres pracy wynosi od -80 do +230 o C. Guma EPDM o twardości w zakresie o ShA charakteryzuje się doskonałą odpornością na starzenie atmosferyczne, działanie ozonu, płynów chłodniczych, płynów hamulcowych na bazie glikoli, ketonów, estrów gorącej wody, pary wodnej, środków piorących, roztworów kwasów i zasad - jest dobrym dielektrykiem. Może być stosowana w zakresie 50 do +130 o C specjalne odmiany do +150 o C. Najczęściej jest stosowana na uszczelnienia konfekcję gumową do instalacji wodnych, pralek oraz hamulcowych instalacji samochodowych. Guma CR posiada wysoką odporność na ozon, starzenie atmosferyczne, płomienie, znaczną ilość czynników chłodniczych typu freony, niski współczynnik przenikania gazów, dużą wytrzymałość mechaniczną oraz zmęczeniową. Wykazuje średnią odporność na oleje i smary ropopochodne. Temperaturowy zakres jej stosowania wynosi -40 do +130 o C. Stosowana na mieszki sprężyste i osłony, budowlane profile uszczelniające, pokrycia dachowe, taśmociągi. Występuje w zakresie twardości o ShA. Guma ACM temperaturowy zakres stosowania wynosi od -25 do o C przy krótkotrwałej pracy nawet do +170 o C, wykazuje dobrą odporność na tlen ozon i oleje, nie jest wrażliwa na siarkę i chlor. Nadaje się zatem do pracy w kontakcie z olejami silnikowymi i przekładniowymi oraz smarami zawierającymi dodatki uszlachetniające. Wykazuje duże odkształcenia trwałe przy ściskaniu, co ogranicza jej stosowanie między innymi na pierścienie typu O-ring. Najczęściej używana o twardości o ShA. Guma NR posiada wysoką wytrzymałość na zerwanie i rozdzieranie, wysoką elastyczność i wytrzymałość zmęczeniową oraz dobrą zdolność tłumienia drgań. Ponadto wykazuje wysoką odporność na niskie temperatury. Dobre własności sprężyste umożliwiają zastosowanie w odbojach, sprężynach gumowych, zawieszeniach samochodowych. Temperaturowy zakres pracy wynosi od -50 do +70 o C. Posiada dobre własności sprężyste w zakresie twardości 60 70ºShA. Guma SBR własności mechaniczne gumy SBR są porównywalne do własności mechanicznych gumy z kauczuku naturalnego. Wykazuje dobrą odporność na działanie czynników atmosferycznych, jest dosyć odporna na ścieranie.stosowana jest na mieszki i osłony, przelotki kablowe. Temperaturowy zakres stosowania wynosi od 50 do +100 o C. Podobnie jak guma NR nie odporna na oleje i smary mineralne. Występuje w zakresie twardości 60 80ºShA. Guma AU/EU gumy poliuretanowe odznaczają się bardzo dużą odpornością na ścieranie, wysoką wytrzymałością na zerwanie, dobrą odpornością na oleje hydrauliczne, smary paliwa oraz ozon. Wykazuje dość znaczne tłumienie mechaniczne. Ze względu na w/w zalety materiał ten jest stosowany do produkcji uszczelnień mających zastosowanie w wysokociśnieniowej hydraulice siłowej oraz pneumatyce. Wykonuje się elementy konstrukcyjne: koła zębate, panewki łożyskowe, zderzaki, pasy napędowe, wirniki pomp odśrodkowych, wyrzutniki do wykrojników i tłoczników itp. Temperaturowy zakres pracy wynosi od 40 do + 80 o C specjalne odmiany w olejach mineralnych do +105 o C. Najczęściej stosowana w zakresie twardości o ShA. Guma ECO charakteryzuje się dobrą odpornością na czynniki atmosferyczne, ozon, oleje i smary mineralne, oleje roślinne i zwierzęce, węglowodory alifatyczne, paliwa, gorącą wodę. Ponadto wykazuje niską przepuszczalność gazów i odporność na palenie. Stosowana między innymi do uszczelnień układów chłodzenia w samochodach. Temperaturowy zakres pracy wynosi 40 do +140 o C. Guma AEM odznacza się dobrą odpornością na agresywne działanie olejów silnikowych, przekładniowych i paliw, posiada zwiększoną wytrzymałość na rozdzieranie, niskie odkształcenia trwałe przy ściskaniu, dobrą odporność na wpływy atmosferyczne i działanie ozonu. Stosowany jest na uszczelnienia znajdujące zastosowanie w przemyśle samochodowym jak np. skrzyni biegów, kapturków świec, zawieszenia silnika. Temperaturowy zakres stosowania wynosi 40 do +150 o C krótko trwale do +175 o C. Tworzywa sztuczne Tworzywa sztuczne w odróżnieniu do gum posiadają odmienny charakter utwardzania oraz formowania. W odniesieniu do techniki uszczelniania mamy do czynienia z następującymi tworzywami: plastomery termoplastyczne termoplasty tworzywa termoutwardzalne duroplasty elastomery termoplastyczne elastoplasty Elastomery TPE sieciują fizycznie w przeciwieństwie do kauczuków ulegających nieodwracalnemu sieciowaniu chemicznemu. TPE-E (YBBO) elastomer termoplastyczny na bazie poliestru charakteryzuje się: wysoką wytrzymałością na rozciąganie - może być stosowany zamiast tkanino-gumy wysokim modułem sprężystości dobrym wydłużeniem względnym wyjątkową odpornością na rozpuszczalniki odpornością na kwasy utleniające, węglowodory alifatyczne, roztwory zasad i oleje Silnie utleniające kwasy powodują pęcznienie. Temperaturowy zakres pracy od -40 do +120 C Tworzywo PTFE (duroplast). Policzterofluoroetylen jest jednym z najbardziej odpornych tworzyw sztucz-nych pod względem termicznym oraz chemicznym. Zaletą tego tworzywa jest mały współczynnik tarcia oraz szeroki zakres temperatury stosowania od 200 do +260 o C. Odporność na niskie temperatury umożliwia zastosowanie polimeru do uszczelniania ciekłych gazów. Pod względem odporności chemicznej policzterofluoroetylen przewyższa wszystkie znane tworzywa, jest niepalny i nierozpuszczalny we wszystkich znanych rozpuszczalnikach, nie absorbuje wody, jedynie jest nieodporny na stopione metale alkaliczne jak sód, potas, a także fluor gazowy oraz fluorowodór. W czystej postaci posiada ograniczone zastosowanie ze względu na małą odporność na ścieranie, podatność na deformację pod obciążeniem oraz złe przewodnictwo cieplne i wysoki współczynnik rozszerzalności liniowej. Dla poprawy własności mechanicznych, głównie wytrzymałości stosuje się do wypełniania włókno szklane, brąz, grafit dwusiarczek molibdenu, proszki ceramiczne i metaliczne. Rodzaj ilość wypełniacza dobierana jest w zależności od zastosowania. Tworzywo POM (termoplast). Poliacetal jest tworzywem konstrukcyjnym charakteryzującym się dobrą odpornością na wielokrotne uderzenia, dobrą udar-nością w obniżonych temperaturach, odpornością na pełzanie, bardzo dobrą

4 3 wytrzymałością zmęczeniową, stabilnością kształtu i wymiarów w temperaturze 30 do +90ºC, zdolność tłumienia drgań mechanicznych. Wykazuje dobrą odporność na oleje, rozpuszczalniki, smary i paliwa. Dzięki dużej twardości powierzchniowej i małej ścieralności POM charakteryzuje się dobrym poślizgiem i dobrą odpornością na zużycie. Może być stosowany w zakresie temperatur 40 do +110ºC. Tworzywo PA (termoplast). Poliamid wyróżnia się następującymi własnościami: wysoką wytrzymałością, odpornością na ścieranie, zdolnością do pracy na sucho, wysoką odpornością na starzenie. Górna temperatura pracy wynosi ºC. Występuje w kilku odmianach Poliamid 6, Poliamid 6,6, Poliamid 6,10, Poliamid 11. Stosowany jest na elementy konstrukcyjne np: pierścienie prowadzące do cylindrów hydraulicznych i pneumatycznych, pierścienie oporowe do uszczelnień. Wadą tworzyw poliamidowych jest niska stabilność temperaturowa oraz duża nasiąkliwość, głównie substancji na bazie roztworów wodnych. Tworzywa PF (duroplasty) fenolowoformaldehydowe są tworzywami termoutwardzalnymi na bazie żywic nowolakowych oraz rezolowych w reakcji fenolu i formaldehydu. Odmiany tworzyw różnią się wypełniaczami oraz dodatkami wzmacniającymi. Własności mechaniczne i chemiczne nadają się do szerokiego stosowania jak wysokoobciążone pierścienie prowadzące do cylindrów hydraulicznych. Odpowiednio przetworzone komponenty wytrzymują temperatury do +300 C. Tworzywo PP (termoplast) - polipropylen jest polimerem odpornym na gorącą wodę i detergenty. Toleruje wrzącą wodę w krótkich okresach czasu do 120 C. Stosuje się na uszczelnienia wargowe w przemyśle chemicznym oraz do wykonania elementów konstrukcyjnych w pompach samochodach i sprzęcie gospodarstwa domowego. Klasyfikacja oraz oznaczenia gum wg ASTM D 2000 W celu skrótowego opisania rodzajów oraz własności elastomerów, wprowadzono określone zasady tych zapisów. Niżej pokrótce opisano zasady klasyfikacji oznaczeń gum wg ASTM D 2000 pt. Klasyfikacja produktów gumowych stosowanych w technice. Sposób oznaczania według własności podstawowych: klasyfikator typ gumy klasa gumy (liczba) (litera) (litera) twardość nominalna (cyfra) x 10 w ShA wytrzymałość na zerwanie (cyfra lub cyfry) w MPa Klasyfikator liczbowy określa stopień jakościowy gumy. Typ gumy oznaczony jest literą, która określa odporność materiału na wysokie temperatury wywołujące w czasie 70h zmiany w powietrzu podane tabeli poniżej: Lp Typ gumy Temperatura testu [ C] 1 A 70 2 B C D E F G H J 275 Dopuszczalne zmiany parametrów Wytrzymałość: ΔRr=±30% Wydłużenie: ΔEr=-50% Twardość: ΔH=15 ShA 10 K 300 Klasa gumy określa dopuszczalne zmiany objętości w oleju ASTM 3 w czasie 70h oraz temperaturze odpowiadającej określonemu typowi gumy wg poniższej tabeli, ale nie wyższej 150 C. Lp Klasa gumy Dopuszczalne zmiany objętości w ASTM 3 ΔVmax [%] 1 A nie określona 2 B C D E 80 6 F 60 7 G 40 8 H 30 9 J K 10 Własności uzupełniające zawarte są w powyższej normie. Kryteria doboru materiałów do uszczelnień oraz węzłów uszczelniających. Najważniejszym kryterium decydującym o wyborze materiału na uszczelnienie jest jego odporność na uszczelniane medium oraz zakres temperatur występujący w warunkach pracy. Zarówno odporność chemiczna jak i temperaturowa zależą głównie od rodzaju kauczuku użytego do wykonania mieszanki gumowej. Pod wpływem działania cieczy uszczelnienia zmieniają swoją objętość (wymiary liniowe i średnicowe), twardość oraz własności wytrzymałościowe. Zmiany te w dużym stopniu zależą również od temperatury cieczy i czasu jej oddziaływania. Odpornością chemiczną określa się takie parametry jak: zmianę objętości (zmianę wymiarów), zmianę twardości oraz zmianę własności wytrzymałościowych gumy po kontakcie z określonymi mediami. Badania prowadzi się najczęściej na znormalizowanych próbkach ewentualnie na gotowym wyrobie stosując ciecz roboczą lub ciecze wzorcowe w temperaturze zbliżonej do temperatury pracy w czasie 72 godzin lub w badaniach długoterminowych 168 godzin. Wymagania dla poszczególnych rodzajów elastomerów dotyczące zachowanych własności w cieczach standardowych zawarte są w normach materiałowych jak ASTM D2000 czy PN-81/C Za negatywny wynik odporności chemicznej przyjmuje się zachodzące zmiany objętości powyżej 25 30% lub w przypadku pęcznień ujemnych poniżej -5% przy czym wartości te należy zawsze odnieść do warunków pracy i zabudowy, a zmiany twardości większe niż ± 10 ShA. Odporność chemiczna poszczególnych gum zawarta jest w poniższej tabeli: Odczynniki chemiczne Węglowodory parafinowe NR BR CR SBR IIR NBR EPDM CSM C C B C C A C C A A B A C A A Paliwa C C C C C B C C C B B B C A B Związki aromatyczne Węglowodory chlorowane C C C C C C C C C C C C C A B C C C C C C C C C C C C C A C Oleje silnikowe C C B C C A C C B A B B B A A Oleje przekładniowe C C C C C B C C C A B B C A A Smary mineralne C C C C C B C C B A B B B A A Alkohole A A A A A A A A B B B B B C C Ketony A A B A A C A B C C C C C C C Estry B B C B C C C C C C C C C C C Woda A A A A A A A A A B B C B A C Kwasy (rozcieńczone) Alkalia (rozcieńczone) A A A A A A A A B C B C B A C A A A A A A A A B C B C B A C Płyny hamulcowe A A B A A C A C C C C C A C A EAM ACM ECO AU MVQ FKM FVMQ

5 A - bez oddziaływania lub niewielkie działanie (max + 10% wzrostu objętości). B - działanie słabe do średniego (max +25% wzrostu objętości). C - silne działanie (>25% zmiany objętości). Szczególną odpornością na media jest olejoodporność gdyż większość uszczelnień pracuje w cieczach opartych o ropopochodne lub oleje syntetyczne. W poniższym diagramie przedstawiono olejoodporność poszczególnych gum. 4 Dla wyrobów gumowych pracujących w otoczeniu atmosferycznym, lub przy dostępie ozonu istotnym jest odporność na te czynniki Odporność temperaturowa ma wpływ na własności materiału w wysokich temperaturach, co sprowadza się praktycznie do wyznaczenia tych samych parametrów jak przy badaniu odporności chemicznej tj. zmiany twardości i zmiany własności wytrzymałościowych. Długotrwałe działanie podwyższonej temperatury powoduje nieodwracalne zmiany pogorszenia własności mechanicznych spowodowanych starzeniem gumy. Temperatura rozkładu większości elastomerów wynosi około 400 C, jednak zakres górny stosowania kauczuków wynosi do 220 C. Starzenie gumy może zachodzić wskutek dopływu ciepła z zewnątrz wynikającego z warunków pracy lub też w przypadku wyrobów poddawanych wielokrotnym odkształceniom wskutek wydzielania się ciepła w masie gumy. Dlatego ważne jest, aby uszczelnienia narażone na działanie odkształceń dynamicznych były wykonywane z materiałów odznaczającymi się dużą odpornością na starzenie cieplne niską histerezą i dobrym przewodnictwem cieplnym. Wzrost twardości powyżej 10 ShA powoduje znaczną utratę własności elastycznych, co pociąga za sobą także pogorszenie własności mechanicznych. Odporność w niskich temperaturach można określić poprzez badanie temperatury kruchości oznaczanej w normach jako Tk chociaż bardziej przydatnymi do oceny materiału w ujemnych temperaturach badaniami są badanie powrotu elastyczności TR w danej temperaturze lub badanie twardości w zależności od niskiej temperatury. Zbyt duży przyrost twardości pod wpływem niskich temperatur powoduje utratę własności elastycznych materiału i guma staje się krucha i łamliwa, co dyskwalifikuje jej zastosowanie na uszczelnienia. Odporność temperaturowa poszczególnych gum pokazana jest na diagramie: Poza odpornością chemiczną i temperaturową ważnymi parametrami, które należy brać pod uwagę dobierając materiał są podstawowe własności fizyko-mechaniczne jak: twardość gumy, która związana jest z jej modułem sprężystości, wytrzymałość na zerwanie, wydłużenie względne przy zerwaniu, wytrzymałość na rozdzieranie, odkształcenie trwałe przy ściskaniu, odporność na ścieranie, histereza, przewodnictwo elektryczne itp. Twardość gumy określana jest przez szybki pomiar jej sztywności. Skala twardości, która stosowana jest do oceny większości rodzajów gumy, została opracowana na podstawie teoretycznej zależności między zagłębieniem sferycznego wgłębnika, a modułem Younga (G) sprężystych izotropowych materiałów. Międzynarodowa skala twardości IRHD posiada 100, przy czym dla badań gum technicznych przyjmuje się skalę od 30 do 95 IRHD. występują zasadniczo dwie metody pomiaru twardości gumy: -metoda N wykonywana jest na próbkach laboratoryjnych o grubości 6 mm, -metoda M (badania mikro) wykonywana jest na wyrobach o grubości co najmniej 4 mm. Przy mniejszych wartościach należy stosować odpowiednie wykresy. W praktyce stosuję się skale twardości Shora A ( ShA), która dla gum technicznych o wysokim stopniu sprężystości jest porównywalna z IRHD. H = (30 95) IRHD (30 95) ShA Końcówki pomiarowe do pomiaru twardości gumy: Twardość gumy dobiera się w zależności od warunków pracy uszczelnienia, a głównie w zależności od obciążeń zewnętrznych oraz dopuszczalnych oporów ruchu. Dla uszczelnień pracujących w warunkach wysokich obciążeń zewnętrznych stosuje się materiały o twardości 80 do 95 ShA, natomiast dla uszczelnień średnio i nisko obciążonych stosuje się twardości 40 do 70 ShA. Twardość gumy ma istotny wpływ na wciskanie się uszczelnień zaciskowych w szczelinę zabudowy zwłaszcza w warunkach występowania ciśnień pulsacyjnych lub w ruchu posuwisto zwrotnym. Na wykresie poniżej przykładowo przedstawiono zależność zjawiska wtłaczania od pulsacyjnego ciśnienia, szerokości szczeliny oraz twardości gumy NBR dla pierścieni typu O-ring o średnicy 2,4mm. Mechanizm wciskania gumy w szczelinę jest związany ze sprężystymi odkształceniami zabudowy spowodowanymi cyklicznymi obciążeniami pulsacyjnymi, co zwiększa szczelinę w momencie maksymalnego piku ciśnienia. Spadek ciśnienia powoduje zwarcie szczeliny, a tym samym przytrzymanie

6 5 w momencie zerwania próbki. Fizycznym wymiarem wytrzymałości jest 1 MPa lub 1 N/mm 2. Kształt próbki pokazany jest na rysunku: Wytrzymałość na zerwanie Rr wylicza się ze wzoru : F Rr = A F - siła zrywająca w niutonach [N] A - początkowe pole przekroju w [mm 2 ] Porównanie wytrzymałości poszczególnych gum: szczypanie uszczelnienia. Proces ten może spowodować spiralne rozrywanie uszczelnienia, aż do jego całkowitego zniszczenia. Aby temu zapobiec należy stosować materiał o większej twardości lub dodatkowo wprowadzić do zabudowy pierścienie oporowe. Wobec wymagań stawianych uszczelnieniom, co do oporu ruchu lub dopuszczalnych sił montażowych istotne jest zastosowanie materiału o określonej twardości, co ma wpływ na naciski stykowe. Dla uszczelnień do pneumatyki należy zastosować gumę o niższej twardości ze względu na wymagane niskie opory ruchu. Gumy o niższej twardości posiadają mniejszy moduł sprężystości poprzecznej, co wiąże się z niższymi naciskami stykowymi. Na wykresie poniżej przedstawiono zależności nacisków stykowych od rodzaju i twardości gumy w odniesieniu do pierścieni typu O-ring: Wytrzymałość na zerwanie jest istotnym parametrem dla uszczelnień: -wysokoobciążonych ciśnieniem stałym lub pulsacyjnym, -o rozwiniętej powierzchni od strony medium uszczelnianego będącym pod ciśnieniem na przykład uszczelnienia wargowe. Wytrzymałość na zerwanie zmienia się wraz z oddziaływaniem chemicznym jak i temperaturowym. Zmiany te wyznaczane są przy określaniu parametrów starzenia w powietrzu jak i oddziaływaniu cieczy wzorcowych. Spadek wytrzymałości na rozciąganie pod wpływem działania temperatury dla poszczególnych odmian elastomerów przedstawia wykres poniżej: Wytrzymałość na zerwanie w zależności od bazy kauczukowej i twardości materiału uzyskuje się w granicach od 4 do 40MPa i powyżej. Oznaczenie wytrzymałości gumy polega na rozciąganiu, aż do zniszczenia, standardowej próbki gumy w kształcie wiosełka umieszczonej w uchwytach maszyny wytrzymałościowej, gwarantującej stałą prędkość rozciągania z możliwością rejestracji siły rozciągającej F W celu uzyskania materiałów o wyższej wytrzymałości stosuje się osnowy tkaninowe na bazie tkanin bawełnianych lub poliestrowych, które znacznie obniżają ich wrażliwość na działanie podwyższonych temperatur oraz mediów przy zachowaniu pożądanej wytrzymałości na zerwanie. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne poniżej:

7 6 o określony procent (najczęściej 25%) jej wysokości początkowej. Przyrząd umożliwiający badanie odkształcenia próbek jest pokazany na poniższym rysunku. Wydłużenie względne przy zerwaniu Er również wyznacza się na maszynie wytrzymałościowej podczas zrywania próbki wiosełkowej, które wylicza się wg wzoru: L - Lo Er = x 100 [%] Lo L - odległość między liniami tworzącymi odcinek pomiarowy w chwili zerwania próbki w [mm] Lo - odległość między liniami tworzącymi odcinek pomiarowy próbki na początku próby w [mm]. Zależność między naprężeniem rozciągającym, a wydłużeniem dla przykładowej gumy pokazana jest na wykresie. Odkształcenie to ma decydujący wpływ na poprawność działania uszczelnień zaciskowych. Wpływ ten jest bardziej wydatny dla uszczelnień pracujących sprężystością przekroju (np. uszczelnienia typu O-ring) niż dla uszczelnień pracujących sprężystością kształtu (np. uszczelnienia wargowe). Zbyt wysokie odkształcenie trwałe przy ściskaniu może powodować utratę zacisku przez uszczelnienie. Uszczelnienia pracujące dynamicznie zwłaszcza w ruchu postępowo-zwrotnym wymagają materiałów o niskim odkształceniu trwałym w podwyższonych temperaturach, ponieważ stosowane zaciski w węzłach uszczelniających są dwukrotnie niższe niż w uszczelnieniach statycznych. Dla uszczelnień pracujących ruchowo odkształcenie trwałe przy ściskaniu Ect winno wynosić 30% max, natomiast dla uszczelnień statycznych pracujących przy zaciskach w granicach 25 do 30% nie powinno przekraczać 50%. Wartości te odnoszą się do próbek, które są nieco niższe niż wartości osiągane na uszczelnieniach np. typu O-ring. Odkształcenie trwałe przy ściskaniu elastomerów zależny jest od temperatury pracy oraz od rodzaju gumy i spada wraz ze wzrostem temperatury i w związku z tym winno być oceniane w temperaturze pracy uszczelnienia. Wpływ rodzaju gumy oraz temperatury na wartość odkształcenia trwałego pokazany jest na wykresie poniżej. Wydłużenie względne przy zerwaniu ma wpływ na montowalność uszczelnień głównie w zabudowie tłokowej i pokrywowej. Jest to istotne dla uszczelnień o małej średnicy wewnętrznej i dużym wymiarze przekroju, montowanych w zabudowie niedzielonej. Wydłużenie względne gum w zależności od bazy kauczukowej wynosi Er = %. Wytrzymałość na rozdzieranie jest istotną właściwością dla uszczelnień pracujących dynamicznie. Dla różnego rodzaju elastomerów wynosi ona od 3 do 6 kn/m oprócz mieszanek silikonowych, które charakteryzują się ogólnie bardzo słabymi własnościami mechanicznymi. Wytrzymałość na rozdzieranie dotyczy uszczelnień nie posiadających ciągłości krawędzi lub ciągłości powierzchni o różnorodnym kształcie, podlegających miejscowym znacznym naprężeniom rozrywającym. Jest to istotne przy montażu uszczelnień oraz pracujących dynamicznie w warunkach wysokich odkształceń sprężystych. Odkształcenie trwałe po ściskaniu Ect w warunkach stałego odkształcenia jest to stosunek różnicy między początkową wysokością próbki ho, a wysokością ht mierzoną po określonym czasie (22, rzadziej 72h) i przebywaniu w maksymalnej temperaturze powietrza dla danej gumy, od momentu usunięcia przyłożonej siły ściskającej do różnicy między początkową wysokością próbki, a wysokością próbki odkształconej hs Scieralność - Pod wpływem działania mechanicznych materiałów trących powierzchnia gumy ulega zużyciu wskutek odrywania się od niej drobnych cząstek. Podczas ścierania przy dużej prędkości przesuwu materiału ścieranego wzrasta temperatura, wskutek czego następuje degradacja cieplna, a w konsekwencji zużycie. Wielkość zużycia zależy od rodzaju elastomeru, temperatury oraz warunków pracy uszczelnienia. Elastomery wykazujące wyższa wytrzymałość na rozdzieranie, a więc mniejszą podatność na odrywanie cząstek gumy są odporne na ścieranie. Przykładem tego jest elastomer poliuretanowy wykazujący zdecydowanie większą odporność na ścieranie niż guma silikonowa. Dodatkowo można osiągnąć zmniejszenie ścieralności gumy poprzez dodanie środków obniżające zużycie np: PTFE, grafitu, lub dwusiarczku molibdenu, albo środków

8 przeciwstarzeniowych, które powodują wydzielanie substancji mazistych z gumy oraz zmniejszenie jej zużycia. Porównanie odporności na ścieranie podstawowych elastomerów zawiera diagram poniżej: Histereza dynamiczna jest to różnicą między energią mechaniczną włożoną w celu odkształcenia próbki a energią uzyskaną w wyniku powrotu próbki gumy do kształtu pierwotnego. Strata energii mechanicznej wskutek tarcia wewnętrznego w gumie zamieniana jest na ciepło. Powoduje to, że próbka nie wraca do pierwotnego kształtu, a wydzielające się ciepło przyspiesza starzenie gumy. Pole powierzchni ograniczone pętlą histerezy świadczy o jej wartości - czym jest większe tym histereza danego materiału jest większa. Wielkość histerezy ma istotne znaczenie dla uszczelnień pracujących dynamicznie np. w ruchu obrotowym, które poddawane są wymuszonym odkształceniom spowodowanym np. biciem promieniowym wałka. Przy zbyt wysokiej histerezie następuje odrywanie się krawędzi uszczelniającej od powierzchni wałka i tym samym utratą ich szczelności. 7 Wytrzymałość zmęczeniowa - Podczas zmiennych cyklicznych zginających, rozciągających lub ścinających naprężeń występować może proces stopniowych zmian własności gumy, a po pewnej liczbie cykli naprężeń może dojść do zniszczenia. Na proces niszczenia również ma wpływ: ciepło, środowisko chemiczne, promienie UV, które mogą przyśpieszać proces zmęczenia mechanicznego. Odporność na wielokrotne zginanie odnosi się do uszczelnień osłonowych oraz przeponowych, czyli do mieszków i membran zmiennoobciążonych. Przewodnictwo elektryczne elastomery w zależności od typu są: dobrymi izolatorami, półprzewodnikami albo przewodnikami. izolatory posiadają opór właściwy > 10 9 Ωxcm - należą do nich SBR, IIR, EPDM, MVQ, antystatyki zachowują sie jak półprzewodniki posiadają opór właściwy = Ωxcm należą do nich NBR i CR, przewodniki elektryczne < 10 5 Ωxcm - specjalne gumy z wysoką zawartością sadzy przewodzącej z dodatkiem grafitu. Porównanie poszczególnych gum pod względem oporności elektrycznej w diagramie obok. W zależności od węzłów uszczelniających stosuje się odpowiednie gumy pod względem przewodnictwa elektrycznego. Dla zbiorników z paliwem, gazem oraz w instalacjach chemicznych stosuje się antystatyki w celu umożliwianiu przepłynięcia ładunków elektrostatycznych. Dla przelotek lub dławików oraz przepustów elektrycznych należy stosować gumy o dobrych własnościach izolacyjnych. Do klawiatur komputerowych oraz innych systemów sterujących stosuje się gumy wysokoprzewodzące. Elastyczność jest miarą zdolności gumy do odzyskania kształtu początkowego po odjęciu siły, która wywołała zmianę kształtu. W praktyce elastyczność gumy oznacza się metodą odbicia kulki metalowej od powierzchni próbki gumy, wykonując pomiar energii kulki przed odbiciem i po. Elastyczność rośnie ze wzrostem temperatury a maleje ze wzrostem twardości gumy. Porównanie elastyczności gum poniżej: Przepuszczalność gazów - wszystkie elastomery pozwalają na przenikanie gazów poprzez przejście przez ich strukturę. Przenikanie gazów następuje od strony wyższego ciśnienia do niższego. Tempo przepuszczalności gazów zależy od typu gazu, rodzaju elastomeru, temperatury i różnicy ciśnień. Ogólna zależność określająca prędkość przenikania gazów: L = K x A x (p 1 p 2 ) x h gdzie: L prędkość przenikania gazu [cm 3 /s] K - jest współczynnik przenikania (przenikalność) [cm 3 x cm / s x cm 2 x bar]x10-8 A powierzchnia przenikania [cm 2 ] (p1 p 2 ) - różnica ciśnień [bar] h - grubość uszczelnienia [cm] Materiał Czynniki przenikające He O 2 H 2 O para N 2 CO 2 K - współczynnik przenikania (przenikalność) [cm 3 x cm / s x cm 2 x bar] x 10-8 NBR 8 2, ,1 25 EPDM VMQ FVMQ FKM ,05 0,7 5 FFKM PTFE ,14 0,12 PA 1,9 0,1 0,03 0,2