הבנת הגבול של חומרי איטום שאינם-אלסטומרים
השאר הודעה
הגבול האמיתי בהנדסת איטום הוא למעשה הגבול של מנגנוני האיטום. כוח האיטום הראשוני של אטמים אלסטומריים תלוי בעיקר בהתאוששות האלסטית לאחר הדחיסה, והלחץ הבינוני יגביר עוד יותר את מתח המגע. אם ערכת הדחיסה תהיה גדולה מדי והחומר מאבד את הזיכרון האלסטי שלו, האיטום ייכשל. לעומת זאת לפולימרים טכניים כגון PTFE, UHMWPE ו-PEEK יש התאוששות אלסטית נמוכה ביסודו ו-PTFE בפרט מראה זרימה או זחילה קרה ניכרת. אז חומרים אלה אינם פועלים על ידי "הצמדה לאחור כמו גומי" אלא על עיצוב גיאומטרי, עומס מראש, הפעלת לחץ, קפיצים או אנרגיית טבעות O- לביצועי איטום. זה מגדיר את גבול הליבה של חומרי איטום שאינם -אלסטומרים: שאלת המפתח היא לא כמה חזק החומר, אלא איזה תפקיד הוא ממלא במערכת - האם הוא מספק פיצוי אלסטי, או האם הוא מספק פונקציות כגון חיכוך נמוך, עמידות בפני שחיקה, עמידות כימית, עמידות שחול או נשיאת עומס-. הראשון הוא באלסטומרים והשני הוא הסיבה לכך שפלסטיקה הנדסית מוצאת את דרכם ליישומי איטום.
1. PTFE אין לחשוב על PTFE כאל רק "פלסטיק גבוה-", אלא כחומר שפורץ בו-זמנית שלושה גבולות חשובים: עמידות כימית, עמידות בטמפרטורה וחיכוך נמוך. מחקרי AGC מראים שיש לו טווח טמפרטורת שירות רגיל של בסביבות -180 מעלות עד +260 מעלות והוא אינרטי מבחינה כימית כמעט לכל סוגי המדיה. מקדם החיכוך ההחלקה היבש של PTFE על פלדה הוא בערך 0.10 לפי נתוני פרקר, שהוא נמוך בהרבה מ-UHMWPE (~0.25) ו-PEEK בתולה (~0.35). משמעות הדבר היא ש-PTFE מעביר ביעילות את גבול הביצועים העליון של אטמים מבוססי אלסטומרי-במצבים דינמיים בטמפרטורה גבוהה, קורוזיבי חמור ובמצבים דינמיים בעלי חיכוך נמוך.
אבל חסרונותיו משמעותיים לא פחות. פרקר אומר של-PTFE בתולה יש הרבה זחילה בטמפרטורת החדר עם עומס קבוע ולמעשה אין לו התאוששות אלסטית. החיכוך נמוך מאוד אך התנגדות הבלאי די נמוכה. לפיכך לא נכון להתייחס ל-PTFE כגומי בטמפרטורה גבוהה או כמקבילה קשה לטבעות O- אלסטומריות. טעות הנדסית טיפוסית היא שילוב חיכוך מופחת עם היכולת לספק איטום אלסטי יציב. לכן PTFE מנוצל רק לעתים רחוקות ביישומים אמיתיים. דרך אחת היא לשנות את חומר המילוי על ידי שימוש בחומרים כמו סיבי זכוכית, סיבי פחמן, גרפיט או ברונזה כדי לשפר את עמידות הזחילה, עמידות בפני שחיקה, חוזק לחיצה ויכולת אנטי-שחול. שיטה אחרת היא שימוש במבני איטום מונעים כמו קפיצים-אטמים מופעלים או עיצובים מופעלים-אלסטומר, שבהם קפיצים או טבעות O- מפצות על מגע בלחץ נמוך-ועיוות-לטווח ארוך.
מנקודת מבט הנדסית, יש להתייחס ל-PTFE כחומר הפורץ את גבולות תאימות המדיה, הטמפרטורה והחיכוך, ולא כחומר המספק פיצוי גיאומטרי או אלסטי. הוא מתאים ביותר למצבים של טמפרטורה גבוהה, חשיפה כימית אגרסיבית או תנועה דינמית עם מעט חיכוך. עם זאת, זו לא האפשרות הטובה ביותר אם הדרישה העיקרית היא עמידה בדפורמציה גדולה או התאוששות אלסטית לטווח ארוך.
2. UHMW-PE
UHMWPE מייצג גבול חומרי לחלוטין בהשוואה ל-PTFE. לדוגמה, ל-Ensinger PE1000 קשיחות פגיעה גבוהה מאוד, עמידות בפני שחיקה ושחיקה טובה, התנהגות בלאי החלקה חזקה וביצועים מעולים בטמפרטורה נמוכה. פרמטרים אופייניים הם מודול מתיחה של כ-700 MPa, חוזק תפוקה של כ-19 MPa וטמפרטורת שירות של סביבות -260 מעלות עד +80 מעלות.
זה לא פלסטיק עמיד בטמפרטורות גבוהות באופיו החומרי אלא פולימר טכני עמיד בפני שחיקה ועמיד בפני פגיעות. פרקר קובע כי "UHMWPE הוא אחד החומרים הקשים והעמידים ביותר בפני שחיקה, אך יש לו טמפרטורה ועמידות כימית מוגבלת יותר מ-PTFE והוא מתאים יותר ליישומי הזזה הדדיים או איטיים מאוד עם מקדם חיכוך גבוה יותר מ-PTFE. היצע ה-UHMWPE העיקרי של Trelleborg הוא כחומר לטבעות הנחיה, טבעות מובילות ובלאי צילינדרים בולטים, בו מובילים או טבעות צילינדרים הידראוליות. מוטות ומבטל מגע מתכת-ל-מתכת.
במילים אחרות, UHMWPE נועד להיות עמיד בפני שחיקה, הנחייה, קשיחות בטמפרטורה נמוכה ותנועת החלקה איטית, לא להתחרות ב-PTFE בטמפרטורה גבוהה או בהגדרות כימיות קשות. UHMWPE נחשב לרוב כתחליף זול ל-PTFE, אך תפקידם למעשה שונה מהותית. PTFE מיועד לעמידות כימית קיצונית, טמפרטורה גבוהה וחיכוך- נמוך במיוחד, בעוד UHMWPE מיועד לעמידות בפני שחיקה, עמידות בפני פגיעות וקשיחות בטמפרטורה נמוכה.
3. PEEK PEEK הוא חומר מבני יותר במערכות איטום. נתוני Victrex אומרים של-PEEK קיבולת טמפרטורה גבוהה, עמידות כימית נרחבת, חוזק מכני גבוה, יציבות מימדית יוצאת דופן, עמידות להידרוליזה ועמידות בפני שחיקה. לדרגת 450G הטיפוסית, למשל, יש מודול מתיחה של בערך 4.0 GPa, חוזק מתיחה של כ-98 MPa וטמפרטורות שירות רציפות של עד 260 מעלות.
PEEK הוא בהחלט לא חומר איטום רך-למגע, אלא פולימר מבני עם מודולס גבוה. הוא משמש בעיקר ביישומי איטום כמו-טבעות גיבוי, התקני נגד-שחול, אלמנטים מנחים ורכיבים מבניים נושאי עומס. ליישומי הדרכה ובלאי, Trelleborg מסווגת את PEEK כפלסטיק הנדסי עם מודולוס גבוה. טבעות -גיבוי PEEK פותחו במיוחד כדי למנוע שחול של טבעות O- או X- בלחץ גבוה.
היתרון של PEEK הוא בכך שהוא מרחיב את גבולות ההתנגדות ללחץ, בקרת פערים, יכולת נשיאת עומס ויציבות הממדים. אבל PEEK אינו חומר איטום ישים אוניברסלי. הוא אינו אידיאלי עבור יישומי עמידה בעיוותים גדולים או ספיגת סובלנות ויש לו מקדם חיכוך גדול יותר מאשר PTFE. לכן מומלץ להתייחס ל-PEEK כחומר מבני ואנטי-שחול אך לא כאלמנט איטום מרכזי.
4. TPU (PU)
פוליאוריתן מכונה לעתים קרובות TPU ביישומי איטום והוא חומר סטנדרטי באיטום דינמי הידראולי. Parker TPU היה הרף במערכות כוח נוזלים במשך זמן רב, ומציע עמידות בפני שחיקה יוצאת דופן, יציבות תרמית, עמידות להידרוליזה, ביצועי ערכת דחיסה והתאוששות אלסטית. קובסטרו מציינת גם את עמידות השחיקה הנהדרת, טווח הגמישות הרחב, הגמישות הגבוהה והעמידות הטובה בפני שמנים וממיסים מסוימים.
זה מציב את ה-TPU במיקום האמצעי בין אלסטומרים ופלסטיקה הנדסית. יש לו גמישות מעולה ומשפר מאוד את חיי הבלאי ואת העמידות המכנית, במיוחד עבור יישומים הידראוליים דינמיים בלחץ גבוה-. אבל החוזק האמיתי שלו הוא במיוחד באיטום הידראולי דינמי, לא בעמידות כימית אוניברסלית או בתנאי איטום סטטיים.
אחת התפיסות השגויות הנפוצות ביותר היא לחשוב על TPU כחומר הומוגני יחיד, שכן העמידות הכימית שלו תלויה מאוד בניסוח, קשיות, טמפרטורה, ריכוז ותקופת החשיפה. חומצות ואלקליות חזקות יתקפו את TPU, פחמימנים ארומטיים יגרמו לו להתנפח, קטונים ואסטרים יגרמו לנפיחות ניכרת, ו-DMF, DMSO, NMP ו-THF הם ממסים ל-TPU. לפורמולה יש גם תפקיד בעמידות לטמפרטורה. מערכות מבוססות MDI הן בדרך כלל ב-100 מעלות בעוד שמערכות מבוססות PPDI הן בסביבות 135 מעלות. לפיכך, PU לא נקבע על ידי גבול קבוע אחד, אלא על ידי גבולות ניסוח תלויי מערכת.-
5. מגבלה הנדסית בין אלסטומרים לפלסטיקה הנדסית
ניתן להבין את המחסום הבסיסי בין פלסטיק הנדסי ואלסטומרים בכמה דרכים. האלסטומרים אחראים בעיקר לכוח האיטום באמצעות התאוששות אלסטית, בעוד שפלסטיקה הנדסית כגון PTFE, UHMWPE ו-PEEK אינם מסתמכים על דפורמציה אלסטית, אלא דוחפים את גבולות הביצועים עם חיכוך נמוך, עמידות בפני שחיקה, עמידות כימית, עמידות בשיחול ויציבות מימדית.
התפקידים התפקודיים שלהם מובחנים היטב. PTFE עוסק בעיקר בגבולות כימיקלים, טמפרטורה וחיכוך. UHMWPE עוסק בעמידות ללבוש, הנחייה, ביצועי טמפרטורה נמוכה והחלקה איטית. PEEK משמש לנושא עומס, נגד-שחול ויציבות מבנית בלחץ גבוה. PU מותאם לחיי בלאי בתנאים הידראוליים דינמיים. בפועל פתרונות האיטום הטובים ביותר הם לרוב לא החלפה אלא מערכות היברידיות. לדוגמה, טבעת O- מספקת עומס מראש וכוח מגע ראשוני, שרוול PTFE מספק חיכוך מופחת ועמידות כימית משופרת, וטבעת גיבוי של PEEK או PTFE מלאה- מעכבת שחול בלחץ.
הטעות ההנדסית הנפוצה ביותר היא השוואת חומרים לשיטות איטום שונות. PTFE אינו גומי-יוקרתי, PEEK אינו פלסטיק אוניברסלי, UHMWPE אינו PTFE זול, PU אינו רק NBR קשיח יותר. ברגע שמזהים את מצב הכשל הדומיננטי, הגבול החומרי ברור.
