Förstå gränsen för icke-elastomertätningsmaterial

Den verkliga gränsen inom tätningsteknik är i själva verket gränsen för tätningsmekanismer. Den initiala tätningskraften hos elastomera tätningar är mestadels beroende av den elastiska återhämtningen efter kompression, och medeltrycket kommer att öka kontaktspänningen ytterligare. Om kompressionssättningen blir för stor och materialet förlorar sitt elastiska minne kommer tätningen att misslyckas. Däremot har tekniska polymerer som PTFE, UHMWPE och PEEK fundamentalt låg elastisk återhämtning och speciellt PTFE uppvisar avsevärt kallflytande eller krypning. Så dessa material fungerar inte genom att "snäppa tillbaka som gummi" utan på geometrisk design, förspänning, tryckaktivering, fjädrar eller O--ringaktivering för tätningsprestanda. Detta definierar kärngränsen för icke-elastomertätningsmaterial: nyckelfrågan är inte hur starkt materialet är, utan vilken roll det spelar i systemet - om det ger elastisk kompensation, eller om det tillhandahåller funktioner som låg friktion, slitstyrka, kemisk beständighet, extruderingsbeständighet eller belastning-. Den förra är i elastomerer och den senare är anledningen till att ingenjörsplast letar sig in i tätningsapplikationer.

1. PTFE PTFE ska inte ses som bara en "high-plast", utan som ett ämne som samtidigt tänjer på tre viktiga gränser: kemisk beständighet, temperaturbeständighet och låg friktion. AGC-studier visar att den har ett normalt driftstemperaturområde på cirka -180 grader till +260 grader och är kemiskt inert mot praktiskt taget alla media. Torrglidfriktionskoefficienten för PTFE på stål är cirka 0,10 enligt Parkers data, vilket är mycket lägre än UHMWPE (~0,25) och virgin PEEK (~0,35). Detta innebär att PTFE effektivt flyttar den högsta prestandagränsen för elastomer-baserade tätningar i hög temperatur, allvarligt korrosiva och dynamiska situationer med låg friktion.

Men dess brister är lika betydande. Parker säger att ny PTFE har mycket krypning vid rumstemperatur med konstant belastning och har i princip ingen elastisk återhämtning. Friktionen är mycket låg men slitstyrkan är ganska dålig. Det är därför inte korrekt att betrakta PTFE som ett högtemperaturgummi eller som en hård motsvarighet till elastomera O-ringar. Ett typiskt tekniskt misstag är att förväxla reducerad friktion med förmågan att ge en stabil elastisk tätning. Därför används PTFE sällan ensam i verkliga tillämpningar. Ett sätt är att byta fyllmedel genom att använda material som glasfiber, kolfiber, grafit eller brons för att förbättra krypmotståndet, slitstyrkan, tryckhållfastheten och anti-extruderingsförmågan. En annan metod är användningen av spänningssatta tätningsstrukturer som fjäder-aktiverade tätningar eller elastomer-energiförsedda konstruktioner, där fjädrar eller O-ringar kompenserar för låg-tryckkontakt och långvarig-deformation.

Ur teknisk synvinkel bör PTFE betraktas som ett material som bryter mot gränserna för mediakompatibilitet, temperatur och friktion, och inte som ett material som ger geometrisk eller elastisk kompensation. Den är bäst lämpad för situationer med hög temperatur, aggressiv kemisk exponering eller dynamisk rörelse med liten friktion. Det är dock inte det bästa alternativet om det stora kravet är stor deformationsefterlevnad eller långvarig elastisk återhämtning.

2. UHMW-PE
UHMWPE representerar en helt distinkt materialgräns jämfört med PTFE. Till exempel har Ensinger PE1000 en mycket hög slagseghet, god slitstyrka och nötningsbeständighet, kraftfullt glidande slitagebeteende och överlägsen prestanda vid låg temperatur. Typiska parametrar är en dragmodul på cirka 700 MPa, en sträckgräns på cirka 19 MPa och en drifttemperatur på cirka -260 grader till +80 grader.

Det är inte en högtemperaturbeständig plast till sin materiella natur utan en slitstark och slagtålig teknisk polymer. Parker konstaterar att "UHMWPE är ett av de tuffaste och mest slitstarka materialen men har en mer begränsad temperatur och kemisk beständighet än PTFE och är mer lämpad för fram- och återgående eller mycket långsamma glidapplikationer med en högre friktionskoefficient än PTFE. Trelleborgs huvudsakliga UHMWPE-erbjudande är som ett material för styrringar och slitagecylinderringar i hydrauliska cylindrarna, där den absorberar cylindriska belastningar i hydraulcylindrar eller slitringar. stänger och eliminerar metall-till-metallkontakt.

Med andra ord, UHMWPE är designad för att vara slitstark, vägledning, seghet vid låg temperatur och långsam glidrörelse, för att inte konkurrera med PTFE i höga temperaturer eller kemiskt hårda miljöer. UHMWPE ses ofta som ett billigt substitut för PTFE, men deras roller är i själva verket fundamentalt olika. PTFE är designad för extrem kemisk beständighet, hög temperatur och ultra-låg friktion, medan UHMWPE är designad för slitstyrka, slaghållfasthet och seghet vid låg temperatur.

3. PEEK PEEK är ett mer strukturellt material i tätningssystem. Victrex data säger att PEEK har hög temperaturkapacitet, omfattande kemikaliebeständighet, hög mekanisk hållfasthet, enastående dimensionsstabilitet, hydrolysbeständighet och slitstyrka. Den typiska 450G-kvaliteten, till exempel, har en dragmodul på ungefär 4,0 GPa, en draghållfasthet på cirka 98 MPa och kontinuerliga drifttemperaturer upp till 260 grader.

PEEK är definitivt inte ett mjukt-kontakttätningsmaterial, utan en strukturell polymer med hög modul. Det används mest i tätningsapplikationer som back-ringar, anti-extruderingsanordningar, styrelement och bärande strukturella komponenter. För väglednings- och slitapplikationer klassificerar Trelleborg PEEK som en teknisk plast med hög modul. PEEK back-uppringar är speciellt utvecklade för att undvika extrudering av O-ringar eller X-ringar under högt tryck.

Fördelen med PEEK är att det utökar gränserna för tryckmotstånd, spaltkontroll, bärförmåga och dimensionsstabilitet. Men PEEK är inte ett universellt tillämpbart tätningsmaterial. Den är inte idealisk för tillämpningar med stor deformationsöverensstämmelse eller toleransabsorption och har en högre friktionskoefficient än PTFE. Det rekommenderas därför att betrakta PEEK som ett strukturellt och anti-extruderingsmaterial men inte som ett viktigt tätningselement.

4. TPU (PU)
Polyuretan kallas ofta för TPU i tätningsapplikationer och är ett standardmaterial inom hydraulisk dynamisk tätning. Parker TPU har varit riktmärket inom vätskekraftsystem under lång tid, och erbjuder exceptionell slitstyrka, termisk stabilitet, hydrolysbeständighet, kompressionsuppsättningsprestanda och elastisk återhämtning. Covestro noterar också dess stora nötningsbeständighet, breda flexibilitetsområde, höga elasticitet och goda motståndskraft mot oljor och vissa lösningsmedel.

Detta placerar TPU i en mittposition mellan elastomerer och teknisk plast. Den har utmärkt elasticitet och förbättrar avsevärt livslängden och den mekaniska hållbarheten, speciellt för dynamiska hydrauliska högtrycksapplikationer-. Men dess verkliga styrka är specifikt i dynamisk hydraulisk tätning, inte i universell kemisk beständighet eller statiska tätningsförhållanden.

En av de vanligaste missuppfattningarna är att tänka på en TPU som ett enda homogent material, eftersom dess kemiska beständighet är starkt beroende av formulering, hårdhet, temperatur, koncentration och exponeringstid. Starka syror och alkalier kommer att angripa TPU, aromatiska kolväten kommer att få det att svälla, ketoner och estrar kommer att orsaka betydande svullnad, och DMF, DMSO, NMP och THF är lösningsmedel för TPU. Formuleringen har också en roll i temperaturbeständighet. MDI-baserade system är normalt på 100 grader medan PPDI-baserade system ligger på cirka 135 grader. Därför bestäms PU inte av en konstant gräns, utan av systemberoende formuleringsgränser.

5. Teknisk gräns mellan elastomerer och teknisk plast
Den underliggande barriären mellan teknisk plast och elastomerer kan förstås på några sätt. Elastomerer är främst ansvariga för tätningskraften via elastisk återhämtning, medan tekniska plaster som PTFE, UHMWPE och PEEK inte förlitar sig på elastisk deformation, utan pressar prestandagränserna med låg friktion, slitstyrka, kemisk beständighet, extruderingsbeständighet och dimensionsstabilitet.

Deras funktionella roller är väl differentierade. PTFE behandlar främst kemikalie-, temperatur- och friktionsgränser. UHMWPE handlar om slitstyrka, styrning, lågtemperaturprestanda och långsam glidning. PEEK används för lastbärande, anti-extrudering och högtrycksstrukturell stabilitet. PU är optimerad för livslängd under dynamiska hydrauliska förhållanden. I praktiken är de bästa tätningslösningarna ofta inte ersättning utan hybridsystem. Till exempel ger en O--ring förspänning och initial kontaktkraft, en PTFE-hylsa ger minskad friktion och förbättrad kemikaliebeständighet, och en PEEK- eller fylld PTFE-back-ring förhindrar extrudering under tryck.

Det vanligaste tekniska misstaget är att jämföra material för olika tätningsmetoder. PTFE är inte ett-avancerat gummi, PEEK är inte en universell plast, UHMWPE är ingen billig PTFE, PU är inte bara en hårdare NBR. När det dominerande felläget väl har identifierats är materialgränsen uppenbar.