ทำความเข้าใจขอบเขตของวัสดุปิดผนึกที่ไม่ใช่-อีลาสโตเมอร์

ขอบเขตที่แท้จริงในวิศวกรรมการซีลมีผลกับขอบเขตของกลไกการซีล แรงปิดผนึกเริ่มต้นของซีลยางส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการคืนตัวของความยืดหยุ่นหลังการบีบอัด และแรงดันปานกลางจะเพิ่มความเครียดสัมผัสเพิ่มเติม หากชุดการบีบอัดมีขนาดใหญ่เกินไปและวัสดุสูญเสียหน่วยความจำแบบยืดหยุ่น การปิดผนึกก็จะล้มเหลว ในทางตรงกันข้าม โพลีเมอร์ทางเทคนิค เช่น PTFE, UHMWPE และ PEEK มีการคืนตัวของความยืดหยุ่นต่ำโดยพื้นฐาน และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง PTFE แสดงการไหลเย็นหรือการคืบคลานอย่างมาก ดังนั้น วัสดุเหล่านี้ไม่ทำงานโดยการ "ดีดกลับเหมือนยาง" แต่ทำงานตามการออกแบบทางเรขาคณิต พรีโหลด การกระตุ้นด้วยแรงดัน สปริงหรือวงแหวนโอ- เพื่อประสิทธิภาพการซีล สิ่งนี้จะกำหนดขอบเขตหลักของวัสดุปิดผนึกที่ไม่ใช่-แบบอีลาสโตเมอร์: คำถามสำคัญไม่ได้อยู่ที่ความแข็งแกร่งของวัสดุ แต่มีบทบาทอย่างไรในระบบ - ไม่ว่าจะเป็นการชดเชยความยืดหยุ่น หรือให้ฟังก์ชันต่างๆ เช่น แรงเสียดทานต่ำ ความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทานต่อสารเคมี ความต้านทานการอัดขึ้นรูป หรือการรับน้ำหนัก- แบบแรกอยู่ในอีลาสโตเมอร์ และแบบหลังเป็นสาเหตุว่าทำไมพลาสติกวิศวกรรมจึงเข้ามาใช้ในการปิดผนึก

1. PTFE ไม่ควรมองว่า PTFE เป็นเพียง "พลาสติกคุณภาพสูง-" แต่เป็นสารที่ขยายขอบเขตที่สำคัญสามประการไปพร้อมๆ กัน ได้แก่ ความทนทานต่อสารเคมี ทนต่ออุณหภูมิ และแรงเสียดทานต่ำ การศึกษาของ AGC แสดงให้เห็นว่ามีช่วงอุณหภูมิการใช้งานปกติประมาณ -180 องศาถึง +260 องศา และเป็นสารเฉื่อยทางเคมีกับตัวกลางเกือบทั้งหมด ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานแบบแห้งของ PTFE บนเหล็กอยู่ที่ประมาณ 0.10 ตามข้อมูลของ Parker ซึ่งต่ำกว่า UHMWPE (~0.25) และ PEEK บริสุทธิ์ (~0.35) มาก ซึ่งหมายความว่า PTFE ย้ายขอบเขตประสิทธิภาพสูงสุดของซีลยาง-ได้อย่างมีประสิทธิภาพในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูง มีการกัดกร่อนอย่างรุนแรง และมีแรงเสียดทานต่ำ

แต่ข้อบกพร่องก็มีนัยสำคัญเช่นกัน Parker กล่าวว่า PTFE บริสุทธิ์มีการคืบคลานจำนวนมากที่อุณหภูมิห้องโดยมีภาระคงที่ และโดยพื้นฐานแล้วไม่มีการคืนตัวแบบยืดหยุ่น แรงเสียดทานต่ำมากแต่ความต้านทานการสึกหรอค่อนข้างต่ำ ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องที่จะถือว่า PTFE เป็นยางที่มีอุณหภูมิสูงหรือแข็งเทียบเท่ากับวงแหวน O- แบบอีลาสโตเมอร์ ข้อผิดพลาดทางวิศวกรรมทั่วไปคือการรวมแรงเสียดทานที่ลดลงเข้ากับความสามารถในการซีลยืดหยุ่นที่มั่นคง ดังนั้น PTFE จึงไม่ค่อยมีการใช้เพียงอย่างเดียวในการใช้งานจริง วิธีหนึ่งคือการเปลี่ยนฟิลเลอร์โดยใช้วัสดุ เช่น ใยแก้ว คาร์บอนไฟเบอร์ กราไฟท์ หรือทองแดง เพื่อเพิ่มความต้านทานการคืบ ความต้านทานการสึกหรอ แรงอัด และ-ความสามารถในการต้านทานการอัดขึ้นรูป อีกวิธีหนึ่งคือการใช้โครงสร้างการซีลแบบเติมพลังงาน เช่น สปริง-ซีลแบบเติมพลังหรือ-การออกแบบอีลาสโตเมอร์ โดยที่สปริงหรือโอ-วงแหวนจะชดเชย-การสัมผัสแรงดันต่ำและการ-เปลี่ยนรูปในระยะยาว

จากมุมมองทางวิศวกรรม PTFE ควรถือเป็นวัสดุที่ละเมิดขีดจำกัดของความเข้ากันได้ของสื่อ อุณหภูมิ และแรงเสียดทาน และไม่ใช่วัสดุที่ให้การชดเชยทางเรขาคณิตหรือยืดหยุ่น เหมาะที่สุดกับสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูง การสัมผัสสารเคมีที่รุนแรง หรือการเคลื่อนไหวแบบไดนามิกที่มีแรงเสียดทานน้อย อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุดหากข้อกำหนดหลักคือการปฏิบัติตามข้อกำหนดการเปลี่ยนรูปครั้งใหญ่หรือการฟื้นตัวแบบยืดหยุ่นในระยะยาว

2. UHMW-พีอี
UHMWPE แสดงถึงขอบเขตวัสดุที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงเมื่อเทียบกับ PTFE ตัวอย่างเช่น Ensinger PE1000 มีความทนทานต่อแรงกระแทกสูงมาก ทนต่อการสึกหรอและการเสียดสีได้ดี ลักษณะการสึกหรอแบบเลื่อนที่ทรงพลัง และประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำที่เหนือกว่า พารามิเตอร์ทั่วไปคือโมดูลัสแรงดึงประมาณ 700 MPa ความต้านแรงดึงประมาณ 19 MPa และอุณหภูมิบริการประมาณ -260 องศาถึง +80 องศา

ไม่ใช่พลาสติกที่ทนต่ออุณหภูมิสูงในลักษณะวัสดุ แต่เป็นโพลีเมอร์ทางเทคนิคที่ทนทานต่อการสึกหรอและทนต่อแรงกระแทก Parker กล่าวว่า "UHMWPE เป็นหนึ่งในวัสดุที่ทนทานที่สุดและทนทานต่อการสึกหรอมากที่สุด แต่มีอุณหภูมิและความทนทานต่อสารเคมีที่จำกัดมากกว่า PTFE และเหมาะกว่าสำหรับการใช้งานแบบลูกสูบหรือแบบเลื่อนช้ามากโดยมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสูงกว่า PTFE ผลิตภัณฑ์ UHMWPE หลักของ Trelleborg นั้นเป็นวัสดุสำหรับวงแหวนนำทางและวงแหวนกันสึกในกระบอกสูบไฮดรอลิก ซึ่งจะดูดซับภาระด้านข้าง นำทางลูกสูบหรือแท่ง และกำจัดการสัมผัสระหว่างโลหะ-กับ-โลหะ

กล่าวอีกนัยหนึ่ง UHMWPE ได้รับการออกแบบมาให้ทนทานต่อการสึกหรอ การนำทาง ความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำ และการเคลื่อนที่ช้าๆ เพื่อไม่ให้แข่งขันกับ PTFE ในอุณหภูมิสูงหรือการตั้งค่าที่รุนแรงทางเคมี UHMWPE มักถูกมองว่าเป็นสิ่งทดแทนที่มีราคาถูกสำหรับ PTFE แต่จริงๆ แล้วบทบาทของพวกเขาแตกต่างกันโดยพื้นฐาน PTFE ได้รับการออกแบบมาเพื่อทนต่อสารเคมีขั้นสุดยอด อุณหภูมิสูง และแรงเสียดทานต่ำมาก- ขณะที่ UHMWPE ได้รับการออกแบบมาเพื่อทนต่อการสึกหรอ ทนต่อแรงกระแทก และความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำ

3. PEEK PEEK เป็นวัสดุที่มีโครงสร้างมากกว่าในระบบซีล ข้อมูลของ Victrex กล่าวว่า PEEK มีความจุที่อุณหภูมิสูง ทนทานต่อสารเคมีอย่างกว้างขวาง มีความแข็งแรงเชิงกลสูง มีความคงตัวของมิติที่โดดเด่น ทนทานต่อไฮโดรไลซิส และทนต่อการสึกหรอ ตัวอย่างเช่น เกรด 450G ทั่วไปมีโมดูลัสแรงดึงประมาณ 4.0 GPa ความต้านทานแรงดึงประมาณ 98 MPa และอุณหภูมิบริการต่อเนื่องสูงถึง 260 องศา

PEEK ไม่ใช่วัสดุปิดผนึกแบบสัมผัสอ่อน-อย่างแน่นอน แต่เป็นโพลีเมอร์ที่มีโครงสร้างโมดูลัสสูง ส่วนใหญ่จะใช้ในงานปิดผนึกเป็นวงแหวนสำรอง- อุปกรณ์ป้องกัน-การอัดขึ้นรูป องค์ประกอบนำทาง และส่วนประกอบโครงสร้างรับน้ำหนัก สำหรับการใช้งานด้านแนวทางและการสึกหรอ Trelleborg จัดประเภท PEEK ว่าเป็นพลาสติกวิศวกรรมที่มีโมดูลัสสูง วงแหวนสำรอง PEEK-ได้รับการพัฒนาโดยเฉพาะเพื่อหลีกเลี่ยงการอัดขึ้นรูปของวงแหวน O- หรือวงแหวน X- ภายใต้แรงดันสูง

ข้อดีของ PEEK คือขยายขีดจำกัดความต้านทานแรงดัน การควบคุมช่องว่าง ความสามารถในการรับน้ำหนัก และความเสถียรของขนาด แต่ PEEK ไม่ใช่วัสดุปิดผนึกที่ใช้กันทั่วไป ไม่เหมาะสำหรับการปฏิบัติตามข้อกำหนดการเปลี่ยนรูปขนาดใหญ่หรือการดูดซับความคลาดเคลื่อน และมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานมากกว่า PTFE ดังนั้นจึงแนะนำให้พิจารณาว่า PEEK เป็นวัสดุที่มีโครงสร้างและป้องกันการอัดขึ้นรูป- แต่ไม่ใช่เป็นองค์ประกอบการปิดผนึกที่สำคัญ

4. ทีพียู (พียู)
โพลียูรีเทนมักเรียกกันว่า TPU ในงานซีลและเป็นวัสดุมาตรฐานในการซีลไดนามิกไฮดรอลิก Parker TPU เป็นเกณฑ์มาตรฐานในระบบพลังงานของไหลมาเป็นเวลานาน โดยมีความต้านทานการสึกหรอ เสถียรภาพทางความร้อน ความต้านทานไฮโดรไลซิส ประสิทธิภาพชุดการบีบอัด และการคืนตัวแบบยืดหยุ่นที่ยอดเยี่ยม Covestro ยังตั้งข้อสังเกตถึงความต้านทานการเสียดสีที่ยอดเยี่ยม ช่วงความยืดหยุ่นที่กว้าง ความยืดหยุ่นสูง และความต้านทานต่อน้ำมันและตัวทำละลายบางชนิดได้ดี

ซึ่งทำให้ TPU อยู่ในตำแหน่งกึ่งกลางระหว่างอีลาสโตเมอร์และพลาสติกวิศวกรรม มีความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยมและปรับปรุงอายุการใช้งานและความทนทานทางกลได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานไฮดรอลิกไดนามิกแรงดันสูง- แต่จุดแข็งที่แท้จริงของมันอยู่ที่การซีลไฮดรอลิกแบบไดนามิกโดยเฉพาะ ไม่ใช่ความต้านทานต่อสารเคมีทั่วไปหรือสภาวะการซีลแบบคงที่

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยที่สุดประการหนึ่งคือการคิดว่า TPU เป็นวัสดุเนื้อเดียวกันเดี่ยวๆ เนื่องจากการทนทานต่อสารเคมีขึ้นอยู่กับสูตร ความแข็ง อุณหภูมิ ความเข้มข้น และระยะเวลาในการสัมผัส กรดและด่างแก่จะโจมตี TPU อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนจะทำให้บวม คีโตนและเอสเทอร์จะทำให้เกิดการบวมอย่างมาก และ DMF, DMSO, NMP และ THF เป็นตัวทำละลายสำหรับ TPU สูตรยังมีบทบาทในการทนต่ออุณหภูมิอีกด้วย โดยปกติระบบที่ใช้ MDI จะอยู่ที่ 100 องศา ในขณะที่ระบบที่ใช้ PPDI จะอยู่ที่ประมาณ 135 องศา ดังนั้น PU ไม่ได้ถูกกำหนดโดยขอบเขตคงที่เพียงขอบเขตเดียว แต่โดยขอบเขตการกำหนดสูตรที่ขึ้นอยู่กับระบบ-

5. ข้อจำกัดทางวิศวกรรมระหว่างอีลาสโตเมอร์กับพลาสติกวิศวกรรม
สิ่งกีดขวางที่ซ่อนอยู่ระหว่างพลาสติกวิศวกรรมและอีลาสโตเมอร์สามารถเข้าใจได้หลายวิธี อีลาสโตเมอร์มีหน้าที่หลักในการรับแรงซีลผ่านการคืนสภาพแบบยืดหยุ่น ในขณะที่พลาสติกวิศวกรรม เช่น PTFE, UHMWPE และ PEEK ไม่ต้องอาศัยการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น แต่ผลักดันขีดจำกัดด้านประสิทธิภาพด้วยแรงเสียดทานต่ำ ทนต่อการสึกหรอ ทนทานต่อสารเคมี ต้านทานการอัดขึ้นรูป และความเสถียรของมิติ

บทบาทหน้าที่มีความแตกต่างกันมาก PTFE เกี่ยวข้องกับข้อจำกัดทางเคมี อุณหภูมิ และแรงเสียดทานเป็นหลัก UHMWPE เกี่ยวข้องกับความต้านทานการสึกหรอ การนำทาง ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ และการเลื่อนช้า PEEK ใช้สำหรับรับน้ำหนัก การต่อต้าน-การอัดขึ้นรูป และความเสถียรของโครงสร้างแรงดันสูง PU ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่ออายุการใช้งานภายใต้สภาวะไฮดรอลิกแบบไดนามิก ในทางปฏิบัติ โซลูชันการปิดผนึกที่ดีที่สุดมักไม่ใช่การเปลี่ยนแทน แต่เป็นระบบไฮบริด ตัวอย่างเช่น วงแหวน O- ให้พรีโหลดและแรงสัมผัสเริ่มต้น ปลอก PTFE ช่วยลดแรงเสียดทานและทนต่อสารเคมีได้ดีขึ้น และวงแหวน PEEK หรือ PTFE back- ที่เติมไว้จะยับยั้งการอัดขึ้นรูปภายใต้แรงกดดัน

ข้อผิดพลาดทางวิศวกรรมที่พบบ่อยที่สุดคือการเปรียบเทียบวัสดุสำหรับวิธีการปิดผนึกแบบต่างๆ PTFE ไม่ใช่ยางคุณภาพสูง- PEEK ไม่ใช่พลาสติกอเนกประสงค์ UHMWPE ไม่ใช่ PTFE ราคาถูก PU ไม่ใช่แค่ NBR ที่แข็งกว่าเท่านั้น เมื่อทราบถึงโหมดความล้มเหลวหลักแล้ว ขอบเขตของวัสดุก็จะปรากฏชัดเจน