Entendre els límits dels materials de segellat no-elastòmers

La veritable frontera de l'enginyeria de segellat és, en efecte, la frontera dels mecanismes de segellat. La força de segellat inicial dels segells elastomèrics depèn principalment de la recuperació elàstica després de la compressió, i la pressió mitjana augmentarà encara més la tensió de contacte. Si el conjunt de compressió es fa massa gran i el material perd la seva memòria elàstica, el segell fallarà. En canvi, els polímers tècnics com el PTFE, l'UHMWPE i el PEEK tenen una recuperació elàstica fonamentalment baixa i, en particular, el PTFE mostra un flux de fred o fluència considerable. Així doncs, aquests materials no funcionen "enrotllant-se com el cautxú", sinó amb el disseny geomètric, la precàrrega, l'activació de pressió, les molles o l'energia de l'anell tòric per al rendiment de segellat. Això defineix el límit central dels materials de segellat no-elastòmers: la pregunta clau no és quina és la resistència del material, sinó quin paper juga en el sistema - si proporciona una compensació elàstica o si ofereix funcions com ara baixa fricció, resistència al desgast, resistència química, resistència a l'extrusió o càrrega-. El primer és en elastòmers i el segon és el motiu pel qual els plàstics d'enginyeria troben el seu camí en aplicacions de segellat.

1. PTFE El PTFE no s'ha de considerar només un "-plàstic de gamma alta", sinó com una substància que simultàniament supera tres límits importants: resistència química, resistència a la temperatura i baixa fricció. Els estudis d'AGC mostren que té un rang de temperatura de servei normal d'uns -180 graus a +260 graus i és químicament inert a pràcticament tots els mitjans. El coeficient de fricció de lliscament en sec del PTFE sobre l'acer és d'uns 0,10 segons les dades de Parker, que és molt inferior a l'UHMWPE (~0,25) i el PEEK verge (~0,35). Això significa que el PTFE mou eficaçment el límit de rendiment màxim dels segells-elastòmers en situacions dinàmiques d'alta temperatura, molt corrosives i de baixa fricció.

Però les seves mancances són igual de importants. Parker diu que el PTFE verge té molta fluència a temperatura ambient amb una càrrega constant i essencialment no té recuperació elàstica. La fricció és molt baixa, però la resistència al desgast és bastant baixa. Per tant, no és correcte considerar el PTFE com un cautxú d'alta temperatura o com un equivalent dur dels anells O- elastomèrics. Un error d'enginyeria típic és combinar la fricció reduïda amb la capacitat de proporcionar un segell elàstic estable. Per tant, el PTFE rarament s'utilitza sol en aplicacions reals. Una manera és canviar el farciment utilitzant materials com fibra de vidre, fibra de carboni, grafit o bronze per millorar la resistència a la fluència, la resistència al desgast, la resistència a la compressió i la capacitat anti-extrusió. Un mètode diferent és l'ús d'estructures de segellat energitzades, com ara segells energitzats de molla-o dissenys d'elastòmer-energitzats, on les molles o les juntes tòriques-compensen el contacte de baixa-pressió i la deformació-a llarg termini.

Des del punt de vista de l'enginyeria, el PTFE s'ha de considerar com un material que incompleix els límits de compatibilitat dels mitjans, temperatura i fricció, i no com un material que proporciona compensació geomètrica o elàstica. És el més adequat per a situacions d'alta temperatura, exposició química agressiva o moviment dinàmic amb poca fricció. No obstant això, no és la millor opció si el principal requisit és el gran compliment de la deformació o la recuperació elàstica a llarg termini.

2. UHMW-PE
UHMWPE representa un límit de material completament diferent en comparació amb el PTFE. Per exemple, Ensinger PE1000 té una resistència a l'impacte molt alta, una bona resistència al desgast i a l'abrasió, un potent comportament de desgast lliscant i un rendiment superior a baixa temperatura. Els paràmetres típics són un mòdul de tracció d'aproximadament 700 MPa, un límit elàstic d'aproximadament 19 MPa i una temperatura de servei d'uns -260 graus a +80 graus.

No és un plàstic resistent a altes temperatures en la seva naturalesa material, sinó un polímer tècnic resistent al desgast i als impactes. Parker afirma que "UHMWPE és un dels materials més resistents i resistents al desgast, però té una temperatura i una resistència química més limitades que el PTFE i és més adequat per a aplicacions de lliscament alternatiu o molt lent amb un coeficient de fricció més alt que el PTFE. L'oferta principal d'UHMWPE de Trelleborg és com a material per a anells de guia i anells de desgast, on absorbeix els anells de guia hidràuliques en les càrregues laterals. pistons o barres i elimina el contacte metall-a-metall.

En altres paraules, UHMWPE està dissenyat per ser resistent al desgast, orientació, duresa a baixa temperatura i moviment de lliscament lent, per no competir amb PTFE en ambients d'alta temperatura o químicament durs. Sovint es considera que l'UHMWPE és un substitut barat del PTFE, però els seus papers són de fet fonamentalment diferents. El PTFE està dissenyat per a una resistència química extrema, altes temperatures i una fricció ultra-baixa, mentre que UHMWPE està dissenyat per a la resistència al desgast, la resistència a l'impacte i la duresa a baixa temperatura.

3. PEEK PEEK és un material més estructural en sistemes de segellat. Les dades de Victrex diuen que el PEEK té una alta capacitat de temperatura, una àmplia resistència química, una alta resistència mecànica, una estabilitat dimensional excepcional, una resistència a la hidròlisi i una resistència al desgast. El grau típic de 450G, per exemple, té un mòdul de tracció d'aproximadament 4,0 GPa, una resistència a la tracció d'uns 98 MPa i temperatures de servei contínues de fins a 260 graus.

Definitivament, el PEEK no és un material de segellat-de contacte suau, sinó un polímer estructural d'alt mòdul. S'utilitza principalment en aplicacions de segellat com a anells de suport-, dispositius anti-extrusió, elements de guia i components estructurals de suport de càrrega. Per a aplicacions d'orientació i desgast, Trelleborg classifica el PEEK com un plàstic d'enginyeria d'alt mòdul. Els anells de suport-PEEK estan especialment desenvolupats per evitar l'extrusió d'anells O-o X-a alta pressió.

L'avantatge del PEEK és que amplia els límits de resistència a la pressió, control de buits, capacitat de càrrega i estabilitat de dimensions. Però el PEEK no és un material de segellat d'aplicació universal. No és ideal per a aplicacions d'absorció de tolerància o compliment de deformacions grans i té un coeficient de fricció més gran que el PTFE. Per tant, es recomana considerar el PEEK com un material estructural i anti-extrusió, però no com un element de segellat clau.

4. TPU (PU)
El poliuretà es coneix sovint com a TPU en aplicacions de segellat i és un material estàndard en el segellat dinàmic hidràulic. Parker TPU ha estat durant molt de temps el referent en sistemes d'energia fluida, oferint una resistència al desgast excepcional, estabilitat tèrmica, resistència a la hidròlisi, rendiment del conjunt de compressió i recuperació elàstica. Covestro destaca també la seva gran resistència a l'abrasió, un ampli rang de flexibilitat, una gran elasticitat i una bona resistència als olis i certs dissolvents.

Això situa el TPU en una posició mitjana entre els elastòmers i els plàstics d'enginyeria. Té una elasticitat excel·lent i millora molt la vida útil i la durabilitat mecànica, especialment per a aplicacions hidràuliques dinàmiques d'alta-pressió. Però la seva força real està específicament en el segellat hidràulic dinàmic, no en la resistència química universal o les condicions de segellat estàtica.

Un dels errors més comuns és pensar en un TPU com un únic material homogeni, ja que la seva resistència química depèn molt de la formulació, duresa, temperatura, concentració i període d'exposició. Els àcids i àlcalis forts atacaran el TPU, els hidrocarburs aromàtics faran que s'infle, les cetones i els èsters provocaran una inflació considerable, i el DMF, DMSO, NMP i THF són dissolvents per al TPU. La formulació també té un paper en la resistència a la temperatura. Els sistemes basats en MDI estan normalment a 100 graus, mentre que els sistemes basats en PPDI estan al voltant de 135 graus. Per tant, PU no està determinat per un límit constant, sinó per límits de formulació-depenents del sistema.

5. Límit d'enginyeria entre elastòmers i plàstics d'enginyeria
La barrera subjacent entre els plàstics d'enginyeria i els elastòmers es pot entendre d'algunes maneres. Els elastòmers són els principals responsables de la força de segellat mitjançant la recuperació elàstica, mentre que els plàstics d'enginyeria com PTFE, UHMWPE i PEEK no es basen en la deformació elàstica, sinó que empenyen els límits de rendiment amb baixa fricció, resistència al desgast, resistència química, resistència a l'extrusió i estabilitat dimensional.

Els seus rols funcionals estan ben diferenciats. El PTFE s'ocupa principalment dels límits químics, de temperatura i de fricció. UHMWPE es preocupa per la resistència al desgast, la guia, el rendiment a baixa temperatura i el lliscament lent. El PEEK s'utilitza per a suport de càrrega, estabilitat estructural anti-extrusió i alta pressió. PU està optimitzat per a la vida útil en condicions hidràuliques dinàmiques. A la pràctica, les millors solucions de segellat sovint no són la substitució, sinó els sistemes híbrids. Per exemple, una -anella tòrica proporciona la precàrrega i la força de contacte inicial, una funda de PTFE proporciona una fricció reduïda i una resistència química millorada, i un anell posterior-de PEEK o ple de PTFE inhibeix l'extrusió sota pressió.

L'error d'enginyeria més comú és comparar materials per a diferents mètodes de segellat. El PTFE no és un cautxú-de gamma alta, el PEEK no és un plàstic universal, l'UHMWPE no és un PTFE barat, el PU no és només un NBR més dur. Un cop reconegut el mode de fallada dominant, el límit del material és evident.