Torustiku tihendite läbilaskvus gaaside ja aurude suhtes: Tehniline analüüs

Sissejuhatus

Kas teie kaablitihendite tihendid on täiesti gaasikindlad? Mõtle uuesti. 🤔 Isegi parimad tihendusmaterjalid lubavad teatud määral gaasi ja auru läbilaskmist ning selle nähtuse mõistmine on oluline rakenduste puhul, kus isegi väike leke võib tuua kaasa katastroofi. Alates plahvatusohtlikest keskkondadest naftakeemiatehastes kuni tundlike elektroonikakappideni mõjutavad tihendite läbilaskvusomadused otseselt süsteemi ohutust ja toimivust.

The läbilaskvus¹ tihendite gaaside ja aurude suhtes viitab kiirusele, millega gaasimolekulid tungivad läbi tihendusmaterjalide molekulaarsel tasandil, mõõdetuna konkreetsetes ühikutes, mis kvantifitseerivad massiülekannet pindala, paksuse, aja ja rõhkude erinevuse ühiku kohta. See omadus erineb põhimõtteliselt mehaaniliste lõhede kaudu toimuvast brutolekkest ning nõuab spetsiaalseid katsemeetodeid ja materjalivaliku strateegiaid.

Alles eelmisel kuul võttis meiega ühendust Marcus ühest Müncheni pooljuhtide tootmisüksusest, kes avastas, et nende "hermeetiliselt suletud" juhtpaneelidel esineb niiskusest tingitud tõrkeid. Süüdlane? Veeauru tungimine läbi standardse kummitihendi, mida keegi ei olnud projekteerimisfaasis arvesse võtnud. Selline hooletus võib maksta miljoneid seisakute ja seadmete kahjustuste näol, mistõttu on tihendite läbilaskvuse mõistmine muutunud kriitilistes rakendustes kaablifiltrite määramisel inseneridele hädavajalikuks.

Sisukord

• Mis on gaasi- ja aurude läbilaskvus kaabli tihendites?
• Kuidas võrreldakse erinevate tihendusmaterjalide läbilaskvust?
• Millised tegurid mõjutavad tihendi läbilaskvust?
• Kuidas teostatakse kaablihülsside läbilaskvuse katsetamine?
• Millised on kriitilised rakendused, mis nõuavad madala läbilaskvusega tihendeid?
• Kokkuvõte
• Korduma kippuvad küsimused kaabli tihendi läbilaskvuse kohta

Mis on gaasi- ja aurude läbilaskvus kaabli tihendites?

Gaaside ja aurude läbilaskvus kaabli tihendites on gaasimolekulide molekulaarsel tasandil toimuv transport läbi tihenduselementide puistematerjali, mida reguleerib lahus-difusioonimehhanism² kus gaasid lahustuvad tihendusmaterjalis ja difundeeruvad läbi selle molekulaarstruktuuri.

Molekulaarse läbilaskvuse taga olev teadus

Erinevalt mehaanilisest lekkest nähtavate avade või defektide kaudu toimub läbilaskvus molekulaarsel tasandil läbi tihendusmaterjalide polümeermatriiksi. Protsess hõlmab kolme erinevat etappi:

1. Sorptsioon: Gaasimolekulid lahustuvad tihendusmaterjali pinnale
2. Diffusioon: Lahustunud molekulid rändavad läbi polümeeri maatriksi.
3. Desorptsioon: Molekulid väljuvad vastaspoole pinnalt

Läbilaskvuskoefitsient (P) ühendab endas nii lahustuvuse kui ka difusiooni mõju, mida tavaliselt väljendatakse ühikutes cm³(STP)-cm/(cm²-s-cmHg) või sarnastes mõõtmete analüüsiühikutes.

Läbilaskvus vs. läbilaskvuskiirus

Oluline on eristada neid omavahel seotud, kuid erinevaid mõisteid:

• Läbilaskvus: Geomeetriast sõltumatu materjali omadus
• Läbilaskvuse määr: Tegelik gaasivool läbi konkreetse tihendikonfiguratsiooni

Bepto on välja töötanud spetsiaalsed testimisprotokollid mõlema parameetri mõõtmiseks meie kaablitihendite tihendite puhul, tagades, et meie kliendid saavad oma konkreetsete rakenduste jaoks põhjalikud andmed läbilaskvuse kohta.

Tavalised gaasid ja nende läbilaskvusomadused

Erinevad gaasid läbivad identset tihendusmaterjali väga erinevalt:

Hassan, kes juhib vesiniku tootmisüksust Abu Dhabis, sai selle õppetunni omal nahal, kui standardsed EPDM-tihendid tema kaablitihendites võimaldasid märkimisväärset vesiniku läbitungimist, mis tekitas ohutusprobleeme. Tegime koostööd, et määrata kindlaks fluorosüsiniktihendid, mis vähendasid vesiniku läbilaskvust üle 90%, tagades, et tema rajatis vastab rangetele ohutusstandarditele.

Kuidas võrreldakse erinevate tihendusmaterjalide läbilaskvust?

Erinevatel tihendusmaterjalidel on väga erinevad läbilaskvusomadused, kusjuures fluorosüsinikelastomeeridel on tavaliselt kõige madalam gaasi läbilaskvus, millele järgneb nitriilkumm, samas kui silikoon ja looduslik kautšuk on enamiku gaaside suhtes üldiselt kõige läbilaskvamad.

Materjalide jõudluse edetabelid

Bepto materjalilaboris läbiviidud põhjalike katsete põhjal on esitatud järgmine ülevaade, kuidas tavalised kaabli tihendusmaterjalid on gaasitõkke omaduste poolest järjestatud:

Suurepärane barjäärivõime (madal läbilaskvus):

• Fluorsüsivesinikud (FKM/Viton)³: Suurepärane keemiline vastupidavus ja madal läbilaskvus
• Kloropreen (CR/Neopreen): Head üldotstarbelised barjääriomadused
• Nitriil (NBR): Suurepärane süsivesinikukindlus mõõduka läbilaskvusega.

Mõõdukas tõkkejõudlus:

• EPDM: Hea osoonikindlus, kuid suurem gaasi läbilaskvus.
• Polüuretaan: Varieeruv jõudlus sõltuvalt koostisest

Kehv tõkke toimivus (kõrge läbilaskvus):

• Silikoon: Suurepärane temperatuurivahemik, kuid kõrge gaasi läbilaskvus
• Looduslik kautšuk: Head mehaanilised omadused, kuid halb gaasibarjäär

Temperatuuri mõju materjali jõudlusele

Enamiku elastomeeride läbilaskvus suureneb eksponentsiaalselt temperatuuriga. Meie katsed näitavad:

• 25°C kuni 75°C: 3-5x suurem läbilaskvus enamiku materjalide puhul.
• 75°C kuni 125°C: Täiendav 2-3x suurenemine
• Üle 150°C: Dramaatiline kasv, materjalist sõltuv

Keemilise kokkusobivuse kaalutlused

Parimgi tõkkematerjal on kasutu, kui see ei sobi keemiliselt kokku rakenduskeskkonnaga. Oleme näinud juhtumeid, kus insenerid valisid madala läbilaskvusega materjalid, mis ebaõnnestusid keemilise rünnaku tõttu, andes lõppkokkuvõttes halvema tulemuse kui suurema läbilaskvusega, kuid keemiliselt vastupidavad alternatiivid.

Millised tegurid mõjutavad tihendi läbilaskvust?

Tihendi läbilaskvust mõjutavad temperatuur, rõhkude erinevus, tihendi geomeetria, materjali paksus, vananemise mõju ning läbilaskva gaasi või auru spetsiifiline molekuli suurus ja lahustuvus.

Esmased mõjutegurid

Temperatuuri mõju:
Temperatuur on kõige olulisem läbilaskvust mõjutav tegur. Kõrgem temperatuur suurendab molekulide liikumist ja polümeeride ahelate liikuvust, mis loob suurema vaba mahu gaasi difusiooniks. Meie andmed näitavad, et enamiku elastomeeride läbilaskvus kahekordistub iga 10 °C temperatuuri tõusu korral.

Rõhkude erinevus:
Kuigi enamiku gaaside puhul suureneb permeatsioonikiirus lineaarselt koos rõhkude erinevusega, on mõnedel materjalidel kõrge rõhu juures mittelineaarne käitumine, mis on tingitud plastilisatsiooni mõjudest või struktuurimuutustest polümeermatrixis.

Tihendi geomeetria ja paksus:
Läbilaskvuse kiirus on pöördvõrdeline tihendi paksusega. Tihendi paksuse kahekordistamine vähendab läbilaskvuse määra poole võrra, mistõttu on see kriitiline projekteerimisparameeter madala läbilaskvusega rakenduste puhul.

Sekundaarsed tegurid

Vananemine ja keskkonnakoormus:
UV-kiirguse, osooni ja kemikaalide kokkupuude võivad muuta polümeeri struktuuri, mis tavaliselt suurendab aja jooksul läbilaskvust. Soovitame kriitiliste rakenduste puhul tihendi lagunemise jälgimiseks teha perioodilisi läbilaskvuse teste.

Kokkupressioon ja pingeseisund:
Mehaaniline kokkusurumine võib vähendada läbilaskvust, vähendades vaba mahtu polümeermatrixis, kuid liigne kokkusurumine võib põhjustada pingepragusid, mis suurendavad läbilaskvust mehaaniliste teede kaudu.

Niiskus ja niiskusesisaldus:
Veeaur võib plastifitseerida paljusid elastomeere, suurendades läbilaskvust teistele gaasidele. See on eriti oluline välitingimustes või kõrge õhuniiskusega keskkondades.

Reaalse maailma rakenduse näide

Marcus Müncheni pooljuhtide tootmisüksusest, mida ma varem mainisin, avastas, et nende niiskusprobleemid ei seisnenud ainult veeauru läbilaskmises. Niiskus suurendas ka nende tihendite läbilaskvust teistele saasteainegaasidele, tekitades kaskaadiefekti, mis ohustas nende puhta ruumi keskkonda. Me lahendasime selle probleemi, määrates nende kaablitihendites integreeritud kuivatuskambritega fluorosüsiniktihendid.

Kuidas teostatakse kaablihülsside läbilaskvuse katsetamine?

Kaablifiltrite läbilaskvuse katsetamine toimub standardiseeritud meetoditega, nagu näiteks ASTM D1434⁴ või ISO 2556, mis mõõdavad konkreetsete gaaside püsivat läbilaskekiirust läbi tihendusmaterjalide kontrollitud temperatuuri, rõhu ja niiskuse tingimustes.

Standardsed katsemeetodid

ASTM D1434 - standardne katsemeetod gaasi läbilaskvuse määramiseks:
Selle meetodi puhul kasutatakse manomeetrilist meetodit, mille puhul mõõdetakse gaasi rõhu suurenemist katsekeha madalrõhu poolel. Katse annab läbilaskvuskoefitsiendid standardühikutes ja see on laialt tunnustatud insenerarvutustes.

ISO 2556 - Plastid - Gaasi ülekandekiiruse määramine:
Sarnane ASTM D1434-le, kuid proovide ettevalmistamise ja arvutamise meetodid on veidi erinevad. Seda standardit kasutatakse rohkem Euroopa turgudel.

ASTM F1249 - veeauru läbilaskvuse määr:
See meetod on spetsiaalselt kavandatud veeauru läbilaskvuse katsetamiseks ja on oluline selliste rakenduste puhul, kus niiskuse sissetung on esmane probleem.

Meie testimisvõimalused Beptos

Oleme investeerinud moodsasse läbilaskvuse testimise seadmesse, mis võimaldab meil:

• Katsetamine temperatuuridel -40°C kuni +200°C
• Hinnata rõhkude erinevusi kuni 10 baari.
• Mõõdab enam kui 20 erineva gaasi ja auru läbilaskvust.
• Kiirendatud vananemisuuringute läbiviimine, et prognoosida pikaajalist toimivust.

Katseproovi ettevalmistamine

Proovide nõuetekohane ettevalmistamine on täpsete tulemuste saamiseks kriitilise tähtsusega:

1. Materjali konditsioneerimine: 24-tunnine tasakaalustamine katsetingimustes
2. Paksuse mõõtmine: Mitu punkti ühtsuse tagamiseks
3. Pinna ettevalmistamine: Puhtad, defektivabad pinnad
4. Paigaldamine: Korralik tihendamine servade mõju vältimiseks

Andmete tõlgendamine ja aruandlus

Katsetulemused tuleb nõuetekohaselt normaliseerida ja esitada asjakohaste ühikutega. Pakume oma klientidele põhjalikke aruandeid, sealhulgas:

• Teatavate gaaside läbilaskvuskoefitsiendid
• Temperatuurisõltuvuse andmed
• Võrdlus tööstusharu võrdlusnäitajatega
• Soovitused rakendusspetsiifiliste nõuete kohta

Millised on kriitilised rakendused, mis nõuavad madala läbilaskvusega tihendeid?

Kriitilised rakendused, mis nõuavad madala läbilaskvusega tihendeid, hõlmavad ohtlike alade paigaldusi, farmaatsiatoodete puhtad ruumid, pooljuhtide tootmine, toiduainete töötlemine modifitseeritud atmosfääris ja kõik rakendused, kus gaasijälgede saastumine võib ohustada ohutust või toote kvaliteeti.

Plahvatuskindlad ja ohtlike alade rakendused

Plahvatusohtlikes keskkondades võib isegi vähene tuleohtliku gaasi läbilaskmine tekitada ohutusriski. Meie plahvatuskindlates kaabeldihendites kasutatakse spetsiaalseid fluorosüsiniktihendeid, mis hoiavad läbilaskvuse määra alla kriitiliste piirväärtuste isegi aastatepikkuse kasutuse järel.

Peamised nõuded:

• Vesiniku läbilaskvus < 10-⁸ cm³/s enamiku rakenduste puhul.
• Pikaajaline stabiilsus karmides keemilistes keskkondades
• Vastavus ATEX, IECEx ja NEC standarditele

Farmaatsiatööstus ja biotehnoloogia

Puhaste ruumide keskkondades on vaja säilitada spetsiifiline atmosfäärikoosseis minimaalse saastumisega. Veeauru ja hapniku läbilaskmine võib ohustada steriilseid tingimusi ja toote stabiilsust.

Hassani kogemused ulatuvad naftakeemiatööstusest kaugemale - ta nõustab ka farmaatsiaettevõtteid kogu Lähis-Idas. Kuveidis aitasime määrata kaablifiltrid vaktsiinide tootmisrajatisele, kus isegi vähene hapniku läbilaskmine võib kahjustada temperatuuritundlikke tooteid. Meie lahendus hõlmas kohandatud fluorosüsiniktihendeid, mille mõõdetud hapniku läbilaskvuse määr on 50 korda väiksem kui standardmaterjalidel.

Pooljuhtide tootmine

Ülipuhtad keskkonnad pooljuhtide tootmisel ei talu saastumist. Outgassing⁵ ja läbilaskmine kaabli tihenditest võib tuua sisse osakesi ja keemilisi saasteaineid, mis vähendavad tootlikkust.

Kriitilised parameetrid:

• Väljalaskekiirused < 10-⁸ Torr-L/s-cm²
• Minimaalne iooniline saastumine
• Osakeste teke < 0,1 osakest/cm²-tunnis

Toiduainete ja jookide töötlemine

Modifitseeritud atmosfääri pakendamine ja kontrollitud kääritamisprotsessid nõuavad täpset gaasikoostist. Kaabli tihendite kaudu toimuv läbilaskmine võib neid atmosfääre muuta, mõjutades toote kvaliteeti ja säilivusaega.

Analüütilised ja laboriseadmed

Täppisanalüütilised instrumendid nõuavad sageli kontrollitud atmosfääri või vaakumitingimusi. Isegi väike õhu läbilaskmine võib kahjustada mõõtmise täpsust ja seadme töövõimet.

Kokkuvõte

Kaabli tihendite gaaside ja aurude läbilaskvuse mõistmine on oluline inseneridele, kes töötavad kriitilistes rakendustes, kus atmosfäärikontroll on esmatähtis. Gaaside molekulaarsel tasandil toimuv transport läbi tihendusmaterjalide järgib etteaimatavaid füüsikalisi seadusi, kuid materjalide nõuetekohane valik, katsetamine ja kasutamine nõuavad põhjalikke tehnilisi teadmisi. Bepto põhjalikud läbilaskvuse testimise võimalused ja ulatuslik materjalide andmebaas tagavad, et meie kliendid saavad kaablifiltrid, mille tihendusvõime vastab nende konkreetsetele nõuetele. Olenemata sellest, kas tegemist on plahvatusohtlike keskkondade, puhasruumide või täpsete analüütiliste rakendustega, võib õige tihendusmaterjal ja nõuetekohane läbilaskvuse iseloomustus tähendada vahet süsteemi edu ja kuluka ebaõnnestumise vahel.

Korduma kippuvad küsimused kaabli tihendi läbilaskvuse kohta