MATERIAŁY NA USZCZELNIENIA

Kontakt:tel: 667 060 212e-mail: kontakt@wwprojekt.plhttp://wwprojekt.pl/

Opracował: Wojciech Wróblewski®

OPIS

Skład materiałów elastomerowychGłównym składnikiem materiałów elastomerowych są kau-czuki, które w postaci nie przetworzonej są substancjami bezpostaciowymi i mają niską temperaturę przemiany szkli-stej. 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 pro-cesów chemicznych bądź fizycznych, tworząc przy rzadszym usieciowaniu elastomery (gumę), a w przypadku gęstszego usieciowania twardą gumę lub ebonit. Kauczuki charaktery-zują się znaczną liczbą nienasyconych wiązań podwójnych, z których tylko część ulega wysyceniu podczas konwencjo-nalnej wulkanizacji siarką z przyśpieszaczami organicznymi. Inną możliwością otrzymywania produktów z niewielką za-wartością wiązań podwójnych jest polimeryzacja z otwarciem pierścieni, które można wulkanizować siarką lub nadtlenka-mi. W technologii kauczuków niezwykle ważne jest wzmac-nianie mieszanek aktywnymi napełniaczami, którymi są sa-dze dla gum czarnych, a koloidalna, mocno zdyspergowana krzemionka dla gum jasnych. Napełniacze wprowadza się do mieszanki gumowej w celu nadania gumie określonych wła-sności fizycznych jak: twardość, wytrzymałość, na rozciąga-nie, odporność na ścieranie. Te dwie grupy składników: kau-czuki i napełniacze decydują zasadniczo o właściwościach elastomerów.Właściwości gumyDo 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 kauczukuSymbol materiału

DIN/ISO 1629

ASTMD 1418

1 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

Lp Nazwa chemiczna tworzywa(polimeru)

Symbol materiału

DIN 7728 część 1

ASTM D 1600

1 Policzterofluoroetylen PTFE PTFE

2 Tłoczywo fenolowo-formaldechydowe PF PF

3 Poliamid PA PA

4 Plioksymetylen (poliacetal) POM POM

5 Polipropylen PP PP

Rodzaje tworzyw sztucznych

Opis i zastosowanie niektórych elastomerów i tworzyw sztucznychGuma NBR posiada najszersze zastosowanie ze wszyst-kich gum. Charakteryzuje się dobrymi własnościami me-chanicznymi jak; wytrzymałość na zerwanie, elastyczność, niskie odkształcenie trwałe przy ściskaniu. Jest najbardziej uniwersalnym materiałem na uszczelnienia techniczne sto-sowane w hydraulice i pneumatyce. Wykonuje się też różne elementy z konfekcji gumowej średnio i wysokoobciążonej. Uszczelnienia z tej gumy mogą być stosowane w kontak-cie z olejami mineralnymi, olejami pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, węglowodorami alifatycznymi jak propan-bu-tan, wodą rozcieńczonymi kwasami, zasadami i solami. Po-nadto 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 specjal-nym można uzyskać odporność do – 50°C. Najczęściej sto-sowana w zakresie twardości 40 ÷ 90oShA.Guma HNBR na bazie uwodornionego kauczuku akryloni-trylowego charakteryzuje się lepszymi własnościami me-chanicznymi 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 aplika-cjach wymagających dużej stabilności własności w zakresie temperatur do +200°C i odporności na agresywnie oddzia-ływujące związki chemiczne jak rozpuszczalniki, ciecze or-ganiczne, 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 tempera-turze do +250°C. Zawartość fluoru zapewnia niepalność, od-porna na ozon i promieniowanie ultrafioletowe. Jako mate-riał o wyjątkowo niskiej przepuszczalności gazów może być stosowana na uszczelnienia do próżni nawet do 10-7 Tora. Najczęściej stosowany zakres twardości 60 ÷ 90oShA.Guma FFKM oparta na kauczuku fluorowym o większej za-wartości fluoru, której odporność chemiczna jest zbliżona do PTFE. Ze względu na bardzo wysoką cenę uszczelnień z FFKM, stosowane są w węzłach uszczelniających o wy-sokich wymaganiach technicznych oraz o wysokim stopniu bezpieczeństwa takich jak: instalacje chemiczne, urządze-nia 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 krótkotrwa-le do +250°C oraz zachowaniem elastyczności w bardzo niskich temperaturach do -60°C, co ma korzystny wpływ na zachowanie trwałości uszczelnień z niej wykonanych. Wy-kazuje również nieznaczne odkształcenia trwałe przy ści-skaniu bardzo dobrą odporność na działanie tlenu, ozonu i promieniowania UV, jest niepalna i ma dobre własności dielektryczne.

1

Słabe własności mechaniczne jak wytrzymałość na zerwanie, rozdzierność, a także niska odporność na ścieranie ograni-czają możliwość stosowania jej na uszczelnienia pracujące w warunkach dynamicznych. Wykazuje dosyć znaczną prze-puszczalność gazów. Stosowana na uszczelnienia najczę-ściej w zakresie twardości 50 ÷ 80oShA.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, ole-jów mineralnych i syntetycznych oraz smarów. Jest odporna na czynniki atmosferyczne, ozon, i promieniowanie UV. Tem-peraturowy zakres pracy wynosi od -80 do +230oC.Guma EPDM o twardości w zakresie 50 ÷ 80oShA charakte-ryzuje się doskonałą odpornością na starzenie atmosferycz-ne, działanie ozonu, płynów chłodniczych, płynów hamulco-wych 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 +130oC specjalne odmiany do +150oC. Najczęściej jest stosowana na uszczelnienia konfekcję gumową do instalacji wodnych, pralek oraz hamulcowych instalacji samochodo-wych.Guma CR posiada wysoką odporność na ozon, starzenie atmosferyczne, płomienie, znaczną ilość czynników chłod-niczych typu freony, niski współczynnik przenikania gazów, dużą wytrzymałość mechaniczną oraz zmęczeniową. Wy-kazuje średnią odporność na oleje i smary ropopochodne. Temperaturowy zakres jej stosowania wynosi -40 do +130oC. Stosowana na mieszki sprężyste i osłony, budowlane profile uszczelniające, pokrycia dachowe, taśmociągi. Występuje w zakresie twardości 60 ÷ 70oShA.Guma ACM temperaturowy zakres stosowania wynosi od -25 do + 150oC przy krótkotrwałej pracy nawet do +170oC, wykazuje dobrą odporność na tlen ozon i oleje, nie jest wraż-liwa na siarkę i chlor. Nadaje się zatem do pracy w kontakcie z olejami silnikowymi i przekładniowymi oraz smarami zawie-rającymi dodatki uszlachetniające. Wykazuje duże odkształ-cenia trwałe przy ściskaniu, co ogranicza jej stosowanie mię-dzy innymi na pierścienie typu O-ring. Najczęściej używana o twardości 60 ÷ 80oShA.Guma NR posiada wysoką wytrzymałość na zerwanie i roz-dzieranie, wysoką elastyczność i wytrzymałość zmęczenio-wą oraz dobrą zdolność tłumienia drgań. Ponadto wykazuje wysoką odporność na niskie temperatury. Dobre własności sprężyste umożliwiają zastosowanie w odbojach, spręży-nach gumowych, zawieszeniach samochodowych. Tempera-turowy zakres pracy wynosi od -50 do +70oC. Posiada dobre własności sprężyste w zakresie twardości 60 ÷ 70ºShA.Guma SBR własności mechaniczne gumy SBR są porówny-walne do własności mechanicznych gumy z kauczuku natu-ralnego. Wykazuje dobrą odporność na działanie czynników atmosferycznych, jest dosyć odporna na ścieranie .Stosowa-na jest na mieszki i osłony, przelotki kablowe. Temperaturowy zakres stosowania wynosi od – 50 do +100oC. 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 mecha-niczne. Ze względu na w/w zalety materiał ten jest stosowany do produkcji uszczelnień mających zastosowanie w wysoko-ciśnieniowej hydraulice siłowej oraz pneumatyce. Wykonuje się elementy konstrukcyjne: koła zębate, panewki łożysko-we, zderzaki, pasy napędowe, wirniki pomp odśrodkowych,

wyrzutniki do wykrojników i tłoczników itp. Temperaturowy zakres pracy wynosi od – 40 do + 80oC specjalne odmiany w olejach mineralnych do +105oC. Najczęściej stosowana w zakresie twardości 60 ÷ 95oShA.Guma ECO charakteryzuje się dobrą odpornością na czyn-niki atmosferyczne, ozon, oleje i smary mineralne, oleje roślinne i zwierzęce, węglowodory alifatyczne, paliwa, go-rącą wodę. Ponadto wykazuje niską przepuszczalność ga-zów i odporność na palenie. Stosowana między innymi do uszczelnień układów chłodzenia w samochodach. Tempe-raturowy zakres pracy wynosi – 40 do +140oC.Guma AEM odznacza się dobrą odpornością na agresyw-ne 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 wy-nosi – 40 do +150oC krótko trwale do +175oC.Tworzywa sztuczneTworzywa sztuczne w odróżnieniu do gum posiadają od-mienny charakter utwardzania oraz formowania. W odnie-sieniu do techniki uszczelniania mamy do czynienia z na-stępującymi tworzywami:• plastomery termoplastyczne – termoplasty• tworzywa termoutwardzalne – duroplasty• elastomery termoplastyczne – elastoplastyElastomery TPE sieciują fizycznie w przeciwieństwie do kauczuków ulegających nieodwracalnemu sieciowaniu che-micznemu.TPE-E (YBBO) elastomer termoplastyczny na bazie polie-stru 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 olejeSilnie utleniające kwasy powodują pęcznienie. Temperatu-rowy zakres pracy od -40 do +120°CTworzywo PTFE (duroplast). Policzterofluoroetylen jest jednym z najbardziej odpornych tworzyw sztucz-nych pod względem termicznym oraz chemicznym. Zaletą tego two-rzywa jest mały współczynnik tarcia oraz szeroki zakres temperatury stosowania od – 200 do +260oC. Odporność na niskie temperatury umożliwia zastosowanie polimeru do uszczelniania ciekłych gazów. Pod względem odporno-ści chemicznej policzterofluoroetylen przewyższa wszyst-kie znane tworzywa, jest niepalny i nierozpuszczalny we wszystkich znanych rozpuszczalnikach, nie absorbuje wody, jedynie jest nieodporny na stopione metale alkalicz-ne jak sód, potas, a także fluor gazowy oraz fluorowodór. W czystej postaci posiada ograniczone zastosowanie ze względu na małą odporność na ścieranie, podatność na de-formację 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

2

wytrzymałością zmęczeniową, stabilnością kształtu i wy-miarów w temperaturze –30 do +90ºC, zdolność tłumienia drgań mechanicznych. Wykazuje dobrą odporność na oleje, rozpuszczalniki, smary i paliwa. Dzięki dużej twardości po-wierzchniowej 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 następu-jącymi własnościami: wysoką wytrzymałością, odpornością na ścieranie, zdolnością do pracy na sucho, wysoką odpor-nością na starzenie. Górna temperatura pracy wynosi +120 ÷ +140ºC. Występuje w kilku odmianach Poliamid 6, Poliamid 6,6, Poliamid 6,10, Poliamid 11. Sto-sowany jest na elementy konstrukcyjne np: pierścienie pro-wadzące do cylindrów hydraulicznych i pneumatycznych, pierścienie oporowe do uszczelnień. Wadą tworzyw poliami-dowych jest niska stabilność temperaturowa oraz duża na-siąkliwość, głównie substancji na bazie roztworów wodnych.Tworzywa PF (duroplasty) fenolowoformaldehydowe są two-rzywami termoutwardzalnymi na bazie żywic nowolakowych oraz rezolowych w reakcji fenolu i formaldehydu. Odmiany tworzyw różnią się wypełniaczami oraz dodatkami wzmac-niającymi. Własności mechaniczne i chemiczne nadają się do szerokiego stosowania jak wysokoobciążone pierścienie prowadzące do cylindrów hydraulicznych. Odpowiednio prze-tworzone komponenty wytrzymują temperatury do +300°C.Tworzywo PP (termoplast) - polipropylen jest polimerem od-pornym na gorącą wodę i detergenty. Toleruje wrzącą wodę w krótkich okresach czasu do 120°C. Stosuje się na uszczel-nienia wargowe w przemyśle chemicznym oraz do wykona-nia elementów konstrukcyjnych w pompach samochodach i sprzęcie gospodarstwa domowego.Klasyfikacja oraz oznaczenia gum wg ASTM D 2000W celu skrótowego opisania rodzajów oraz własności ela-stomerów, wprowadzono określone zasady tych zapisów. Ni-żej pokrótce opisano zasady klasyfikacji oznaczeń gum wg ASTM D 2000 pt. Klasyfikacja produktów gumowych stoso-wanych w technice.Sposób oznaczania według własności podstawowych:

klasyfikator typ gumy klasa gumy twardośćnominalna

wytrzymałość na zerwanie

(liczba) (litera) (litera) (cyfra) x 10 w ShA

(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 gumyTemperatura

testu [°C]

Dopuszczalne zmiany

parametrów1 A 70

Wytrzymałość:ΔRr=±30%

Wydłużenie:ΔEr=-50%Twardość:

ΔH=15°ShA

2 B 1003 C 1254 D 1505 E 1756 F 2007 G 2258 H 2509 J 275

10 K 300Klasa gumy określa dopuszczalne zmiany objętości w ole-ju ASTM 3 w czasie 70h oraz temperaturze odpowiadającej określonemu typowi gumy wg poniższej tabeli, ale nie wyż-szej 150°C.

Lp Klasa gumy

Dopuszczalne zmiany objętości w ASTM 3 ΔVmax [%]

1 A nie określona2 B 1403 C 1204 D 1005 E 806 F 607 G 408 H 309 J 20

10 K 10Własności uzupełniające zawarte są w powyższej normie.Kryteria doboru materiałów do uszczelnień oraz węzłów uszczelniających.Najważniejszym kryterium decydującym o wyborze mate-riału 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 wykona-nia 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 kon-takcie z określonymi mediami. Badania prowadzi się naj-częściej na znormalizowanych próbkach ewentualnie na gotowym wyrobie stosując ciecz roboczą lub ciecze wzor-cowe w temperaturze zbliżonej do temperatury pracy w czasie 72 godzin lub w badaniach długoterminowych 168 godzin. Wymagania dla poszczególnych rodzajów elasto-merów dotyczące zachowanych własności w cieczach stan-dardowych zawarte są w normach materiałowych jak ASTM D2000 czy PN-81/C-94153. Za negatywny wynik odporno-ści 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 więk-sze niż ± 10°ShA. Odporność chemiczna poszczególnych gum zawarta jest w poniższej tabeli:

Odczynniki chemiczne N

R

BR

CR

SB

R

IIR NB

R

EPD

M

CS

M

EA

M

AC

M

EC

O

AU

MV

Q

FKM

FVM

Q

Węglowodory parafinowe 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 aroma-tyczne C C C C C C C C C C C C C A B

Węglowodory chlorowane 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 przekła-dniowe 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 (rozcień-czone) A A A A A A A A B C B C B A C

Alkalia (rozcień-czone) 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

3

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 więk-szość uszczelnień pracuje w cieczach opartych o ropopochodne lub oleje syntetyczne. W poniższym diagramie przedstawiono olejood-porność poszczególnych gum.

Dla wyrobów gumowych pracujących w otoczeniu atmosfe-rycznym, lub przy dostępie ozonu istotnym jest odporność na te czynniki

Odporność temperaturowa ma wpływ na własności ma-teriału w wysokich temperaturach, co sprowadza się prak-tycznie do wyznaczenia tych samych parametrów jak przy badaniu odporności chemicznej tj. zmiany twardości i zmia-ny własności wytrzymałościowych. Długotrwałe działanie podwyższonej temperatury powoduje nieodwracalne zmia-ny pogorszenia własności mechanicznych spowodowanych starzeniem gumy. Temperatura rozkładu większości ela-stomerów wynosi około 400°C, jednak zakres górny stoso-wania kauczuków wynosi do 220°C. Starzenie gumy może zachodzić wskutek dopływu ciepła z zewnątrz wynikającego z warunków pracy lub też w przypadku wyrobów poddawa-nych wielokrotnym odkształceniom wskutek wydzielania się ciepła w masie gumy. Dlatego ważne jest, aby uszczelnienia narażone na działanie odkształceń dynamicznych były wyko-nywane z materiałów odznaczającymi się dużą odpornością na starzenie cieplne niską histerezą i dobrym przewodnic-twem 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 po-przez 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 twardo-ści 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 ma-teriał są podstawowe własności fizyko-mechaniczne jak: twardość gumy, która związana jest z jej modułem sprę-żystości, wytrzymałość na zerwanie, wydłużenie względne przy zerwaniu, wytrzymałość na rozdzieranie, odkształce-nie trwałe przy ściskaniu, odporność na ścieranie, histere-za, przewodnictwo elektryczne itp.Twardość gumy określana jest przez szybki pomiar jej sztywności. Skala twardości, która stosowana jest do oce-ny większości rodzajów gumy, została opracowana na pod-stawie teoretycznej zależności między zagłębieniem sfe-rycznego 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 zasadni-czo 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 odpowied-nie 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)°ShAKońcówki 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 obcią-żeń zewnętrznych stosuje się materiały o twardości 80 do 95°ShA, natomiast dla uszczelnień średnio i nisko obciążo-nych stosuje się twardości 40 do 70°ShA. Twardość gumy ma istotny wpływ na wciskanie się uszczelnień zaciskowych w szczelinę zabudowy zwłaszcza w warunkach występowa-nia ciśnień pulsacyjnych lub w ruchu posuwisto–zwrotnym. Na wykresie poniżej przykładowo przedstawiono zależność zjawiska wtłaczania od pulsacyjnego ciśnienia, szeroko-ści 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 pul-sacyjnymi, co zwiększa szczelinę w momencie maksymal-nego „piku” ciśnienia. Spadek ciśnienia powoduje zwarcie szczeliny, a tym samym przytrzymanie

4

„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 za-stosowanie materiału o określonej twardości, co ma wpływ na naciski stykowe. Dla uszczelnień do pneumatyki należy zastosować gumę o niższej twardości ze względu na wyma-gane niskie opory ruchu. Gumy o niższej twardości posiadają mniejszy moduł sprężystości poprzecznej, co wiąże się z niż-szymi naciskami stykowymi. Na wykresie poniżej przedsta-wiono zależności nacisków stykowych od rodzaju i twardości gumy w odniesieniu do pierścieni typu O-ring:

Wytrzymałość na zerwanie w zależności od bazy kauczu-kowej i twardości materiału uzyskuje się w granicach od 4 do 40MPa i powyżej. Oznaczenie wytrzymałości gumy po-lega na rozciąganiu, aż do zniszczenia, standardowej próbki gumy w kształcie wiosełka umieszczonej w uchwytach ma-szyny wytrzymałościowej, gwarantującej stałą prędkość roz-ciągania z możliwością rejestracji siły rozciągającej „F”

w momencie zerwania próbki. Fizycznym wymiarem wy-trzymałości jest 1 MPa lub 1 N/mm2. Kształt próbki pokaza-ny 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 [mm2]Porównanie wytrzymałości poszczególnych gum:

Wytrzymałość na zerwanie jest istotnym parametrem dla uszczelnień: -wysokoobciążonych ciśnieniem stałym lub pulsacyjnym, -o rozwiniętej powierzchni od strony medium uszczelnia-nego będącym pod ciśnieniem na przykład uszczelnienia wargowe.Wytrzymałość na zerwanie zmienia się wraz z oddziaływa-niem chemicznym jak i temperaturowym. Zmiany te wyzna-czane są przy określaniu parametrów starzenia w powietrzu jak i oddziaływaniu cieczy wzorcowych. Spadek wytrzyma-łości na rozciąganie pod wpływem działania temperatury dla poszczególnych odmian elastomerów przedstawia wy-kres poniżej:

W celu uzyskania materiałów o wyższej wytrzymałości sto-suje 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. Przy-kładowe rozwiązania konstrukcyjne poniżej:

5

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 wydłuże-niem dla przykładowej gumy pokazana jest na wykresie.

Wydłużenie względne przy zerwaniu ma wpływ na monto-walność uszczelnień głównie w zabudowie tłokowej i po-krywowej. Jest to istotne dla uszczelnień o małej średnicy wewnętrznej i dużym wymiarze przekroju, montowanych w zabudowie niedzielonej. Wydłużenie względne gum w zależ-ności od bazy kauczukowej wynosi Er = 100 ÷ 500%.

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 dyna-micznie w warunkach wysokich odkształceń sprężystych.Odkształcenie trwałe po ściskaniu Ect w warunkach stałe-go odkształcenia jest to stosunek różnicy między początkową wysokością próbki ho, a wysokością ht mierzoną po określo-nym czasie (22, rzadziej 72h) i przebywaniu w maksymalnej temperaturze powietrza dla danej gumy, od momentu usunię-cia przyłożonej siły ściskającej do różnicy między początkową wysokością próbki, a wysokością próbki odkształconej hs

o określony procent (najczęściej 25%) jej wysokości po-czątkowej. Przyrząd umożliwiający badanie odkształcenia próbek jest pokazany na poniższym rysunku.

Odkształcenie to ma decydujący wpływ na poprawność dzia-łania uszczelnień zaciskowych. Wpływ ten jest bardziej wydat-ny dla uszczelnień pracujących sprężystością przekroju (np. uszczelnienia typu O-ring) niż dla uszczelnień pracujących sprężystością kształtu (np. uszczelnienia wargowe). Zbyt wy-sokie odkształcenie trwałe przy ściskaniu może powodować utratę zacisku przez uszczelnienie. Uszczelnienia pracujące dynamicznie zwłaszcza w ruchu postępowo-zwrotnym wyma-gają materiałów o niskim odkształceniu trwałym w podwyższo-nych temperaturach, ponieważ stosowane zaciski w węzłach uszczelniających są dwukrotnie niższe niż w uszczelnieniach statycznych. Dla uszczelnień pracujących ruchowo odkształ-cenie trwałe przy ściskaniu Ect winno wynosić 30% max, nato-miast dla uszczelnień statycznych pracujących przy zaciskach w granicach 25 do 30% nie powinno przekraczać 50%. Warto-ści 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 tempe-ratury 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.

Scieralność - Pod wpływem działania mechanicznych ma-teriałów trących powierzchnia gumy ulega zużyciu wskutek odrywania się od niej drobnych cząstek. Podczas ściera-nia 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 wytrzyma-łość na rozdzieranie, a więc mniejszą podatność na odry-wanie cząstek gumy są odporne na ścieranie. Przykładem tego jest elastomer poliuretanowy wykazujący zdecydowa-nie 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

6

przeciwstarzeniowych, które powodują wydzielanie substan-cji mazistych z gumy oraz zmniejszenie jej zużycia. Porów-nanie odporności na ścieranie podstawowych elastomerów zawiera diagram poniżej:

Histereza dynamiczna jest to różnicą między energią me-chaniczną włożoną w celu odkształcenia próbki a energią uzyskaną w wyniku powrotu próbki gumy do kształtu pierwot-nego. Strata energii mechanicznej wskutek tarcia wewnętrz-nego 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 ma-teriału jest większa. Wielkość histerezy ma istotne znacze-nie dla uszczelnień pracujących dynamicznie np. w ruchu obrotowym, które poddawane są wymuszonym odkształce-niom spowodowanym np. biciem promieniowym wałka. Przy zbyt wysokiej histerezie następuje odrywanie się krawędzi uszczelniającej od powierzchni wałka i tym samym utratą ich szczelności.

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, wyko-nując pomiar energii kulki przed odbiciem i po. Elastyczność rośnie ze wzrostem temperatury a maleje ze wzrostem twar-dości gumy. Porównanie elastyczności gum poniżej:

Wytrzymałość zmęczeniowa - Podczas zmiennych cyklicz-nych 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: cie-pło, środowisko chemiczne, promienie UV, które mogą przy-śpieszać proces zmęczenia mechanicznego. Odporność na wielokrotne zginanie odnosi się do uszczelnień osłonowych oraz przeponowych, czyli do mieszków i membran zmienno-obciążonych.Przewodnictwo elektryczne – elastomery w zależności od typu są: dobrymi izolatorami, półprzewodnikami albo prze-wodnikami.• izolatory posiadają opór właściwy > 109Ωxcm - należą do nich SBR, IIR, EPDM, MVQ,• antystatyki zachowują sie jak półprzewodniki posiadają opór właściwy = 105 ÷ 109 Ωxcm – należą do nich NBR i CR,• przewodniki elektryczne < 105 Ωxcm - specjalne gumy z wy-soką zawartością sadzy przewodzącej z dodatkiem grafitu.Porównanie poszczególnych gum pod względem oporno-ści elektrycznej w diagramie obok. W zależności od węzłów uszczelniających stosuje się odpowiednie gumy pod wzglę-dem przewodnictwa elektrycznego. Dla zbiorników z paliwem, gazem oraz w instalacjach chemicznych stosuje się antysta-tyki w celu umożliwianiu „przepłynięcia” ładunków elektrosta-tycznych. Dla przelotek lub dławików oraz przepustów elek-trycznych należy stosować gumy o dobrych własnościach izolacyjnych. Do klawiatur komputerowych oraz innych syste-mów sterujących stosuje się gumy wysokoprzewodzące.

Przepuszczalność gazów - wszystkie elastomery po-zwalają na przenikanie gazów poprzez przejście przez ich strukturę. Przenikanie gazów następuje od strony wyższe-go ciśnienia do niższego. Tempo przepuszczalności gazów zależy od typu gazu, rodzaju elastomeru, temperatury i róż-nicy ciśnień. Ogólna zależność określająca prędkość prze-nikania gazów:

L = K x A x (p1 – p2) x hgdzie:L – prędkość przenikania gazu [cm3/s]K - jest współczynnik przenikania (przenikalność) [cm3 x cm / s x cm2 x bar]x10-8

A – powierzchnia przenikania [cm2](p1 – p2) - różnica ciśnień [bar]h - grubość uszczelnienia [cm]

Materiał

Czynniki przenikająceHe O2 H2O para N2 CO2

K - współczynnik przenikania (przenikalność)[cm3 x cm / s x cm2 x bar] x 10-8

NBR 8 2,5 760 0,1 25EPDM 25–30 16–18 – 6–7 85VMQ 250 75–450 8000 200 2000

FVMQ 140 80 – 40 400FKM 9–22 1–2 40 0,05–0,7 5

FFKM 60–80 6–8 90–100 8–12 –PTFE – 0.04 – 0,14 0,12

PA 1,9 0,1 – 0,03 0,2

7