De doorlaatbaarheid van pakkingbussen voor gassen en dampen: Een technische analyse

Inleiding

Denkt u dat uw wartelafdichtingen volledig gasdicht zijn? Denk er nog eens over na. 🤔 Zelfs de beste afdichtingsmaterialen laten een zekere mate van gas- en dampdoorlaatbaarheid toe en inzicht in dit fenomeen is cruciaal voor toepassingen waar zelfs een minuscuul lek een ramp kan betekenen. Van explosieve atmosferen in petrochemische fabrieken tot gevoelige elektronische behuizingen, de doordringbaarheidseigenschappen van pakkingringen hebben een directe invloed op de veiligheid en prestaties van het systeem.

De permeabiliteit¹ van afdichtingen voor gassen en dampen verwijst naar de snelheid waarmee gasmoleculen op moleculair niveau door afdichtingsmaterialen dringen, gemeten in specifieke eenheden die de massaoverdracht per oppervlakte, dikte, tijd en drukverschil kwantificeren. Deze eigenschap verschilt fundamenteel van grove lekkage door mechanische openingen en vereist gespecialiseerde testmethoden en strategieën voor materiaalselectie.

Vorige maand nog nam Marcus van een halfgeleiderfabriek in München contact met ons op nadat hij ontdekte dat hun "hermetisch afgesloten" bedieningspanelen last hadden van vochtgerelateerde storingen. De boosdoener? Dampdoorlating door standaard rubberen afdichtingen waar niemand rekening mee had gehouden tijdens de ontwerpfase. Daarom is inzicht in de permeabiliteit van afdichtingen essentieel geworden voor ingenieurs die kabelwartels specificeren voor kritieke toepassingen.

Inhoudsopgave

• Wat is gas- en dampdoorlaatbaarheid in kabelwartelafdichtingen?
• Hoe verhouden de verschillende afdichtingsmaterialen zich op het gebied van doorlaatbaarheid?
• Welke factoren beïnvloeden de doorlaatbaarheid van afdichtingen?
• Hoe worden permeabiliteitstesten uitgevoerd voor wartels?
• Wat zijn de kritieke toepassingen waarvoor afdichtingen met een lage doorlaatbaarheid nodig zijn?
• Conclusie
• Veelgestelde vragen over doorlaatbaarheid van wartels

Wat is gas- en dampdoorlaatbaarheid in kabelwartelafdichtingen?

Gas- en dampdoorlaatbaarheid in kabelwartelafdichtingen is het transport op moleculair niveau van gasmoleculen door het bulkmateriaal van afdichtingselementen, dat wordt bepaald door de oplossing-diffusiemechanisme² waarbij gassen in het afdichtingsmateriaal oplossen en door de moleculaire structuur diffunderen.

De wetenschap achter moleculaire permeatie

In tegenstelling tot mechanische lekkage door zichtbare gaten of defecten, vindt permeabiliteit plaats op moleculair niveau door de polymeermatrix van afdichtingsmaterialen. Het proces omvat drie verschillende stappen:

1. Sorptie: Gasmoleculen lossen op in het oppervlak van het afdichtingsmateriaal
2. Diffusie: Opgeloste moleculen migreren door de polymeermatrix
3. Desorptie: Moleculen komen uit het tegenoverliggende oppervlak

De permeabiliteitscoëfficiënt (P) combineert zowel oplosbaarheids- als diffusie-effecten en wordt meestal uitgedrukt in eenheden van cm³(STP)-cm/(cm²-s-cmHg) of vergelijkbare eenheden voor dimensionale analyse.

Doorlaatbaarheid vs. permeatiesnelheid

Het is cruciaal om onderscheid te maken tussen deze verwante maar verschillende concepten:

• Doorlaatbaarheid: Materiaaleigenschap onafhankelijk van geometrie
• Permeatiesnelheid: Werkelijke gasstroom door een specifieke afdichtingsconfiguratie

Bij Bepto hebben we gespecialiseerde testprotocollen ontwikkeld om beide parameters voor onze wartelafdichtingen te meten, zodat onze klanten uitgebreide permeatiegegevens ontvangen voor hun specifieke toepassingen.

Veel voorkomende gassen en hun permeatie-eigenschappen

Verschillende gassen vertonen enorm verschillende permeatiesnelheden door identieke afdichtingsmaterialen:

Hassan, die een waterstofproductiefaciliteit in Abu Dhabi beheert, leerde deze les op de harde manier toen standaard EPDM-afdichtingen in zijn kabelwartels aanzienlijke waterstofpermeatie doorlieten, waardoor veiligheidsproblemen ontstonden. We werkten samen om fluorkoolstofafdichtingen te specificeren die de waterstofpermeatie met meer dan 90% verminderden en ervoor zorgden dat zijn faciliteit aan de strenge veiligheidsnormen voldeed.

Hoe verhouden de verschillende afdichtingsmaterialen zich op het gebied van doorlaatbaarheid?

Verschillende afdichtingsmaterialen vertonen sterk variërende permeabiliteitskarakteristieken, waarbij fluorkoolstofelastomeren doorgaans de laagste gaspermeatiesnelheden bieden, gevolgd door nitrilrubber, terwijl siliconen natuurrubber over het algemeen de hoogste permeabiliteit voor de meeste gassen vertonen.

Ranglijst materiaalprestaties

Op basis van onze uitgebreide tests in het materiaallaboratorium van Bepto is dit de rangorde van veelgebruikte afdichtingsmaterialen voor kabeldoorvoer op het gebied van gasbarrière-eigenschappen:

Uitstekende barrièreprestaties (lage doorlaatbaarheid):

• Fluorkoolstof (FKM/Viton)³: Uitstekende chemische weerstand en lage permeabiliteit
• Chloropreen (CR/Neopreen): Goede barrière-eigenschappen voor algemeen gebruik
• Nitril (NBR): Uitstekend bestand tegen koolwaterstoffen met matige permeabiliteit

Matige barrièreprestaties:

• EPDM: Goede weerstand tegen ozon maar hogere gasdoorlaatbaarheid
• Polyurethaan: Variabele prestaties afhankelijk van de formulering

Slechte barrièreprestaties (hoge doorlaatbaarheid):

• Silicone: Uitstekend temperatuurbereik maar hoge gasdoorlaatbaarheid
• Natuurlijk rubber: Goede mechanische eigenschappen maar slechte gasbarrière

Temperatuureffecten op materiaalprestaties

Bij de meeste elastomeren neemt de doorlaatbaarheid exponentieel toe met de temperatuur. Onze tests tonen aan:

• 25°C tot 75°C: 3-5x toename in permeabiliteit voor de meeste materialen
• 75°C tot 125°C: Extra 2-3x toename
• Boven 150°C: Dramatische stijgingen, materiaalafhankelijk

Chemische compatibiliteit

Het beste barrièremateriaal is nutteloos als het niet chemisch compatibel is met de omgeving van de toepassing. We hebben gevallen gezien waarin technici materialen met een lage doorlaatbaarheid selecteerden die het begaven als gevolg van chemische aantasting en uiteindelijk slechtere prestaties leverden dan chemisch resistente alternatieven met een hogere doorlaatbaarheid.

Welke factoren beïnvloeden de doorlaatbaarheid van afdichtingen?

De permeabiliteit van afdichtingen wordt beïnvloed door temperatuur, drukverschil, geometrie van de afdichting, materiaaldikte, verouderingseffecten en de specifieke moleculaire grootte en oplosbaarheid van het permeërende gas of de damp.

Primaire beïnvloedende factoren

Invloed van temperatuur:
Temperatuur is de belangrijkste factor die de doorlaatbaarheid beïnvloedt. Hogere temperaturen verhogen de moleculaire beweging en de beweeglijkheid van de polymeerketen, waardoor een groter vrij volume ontstaat voor gasdiffusie. Uit onze gegevens blijkt dat de doorlaatbaarheid van de meeste elastomeren ruwweg verdubbelt voor elke 10°C temperatuurstijging.

Drukverschil:
Terwijl de permeatiesnelheid voor de meeste gassen lineair toeneemt met het drukverschil, vertonen sommige materialen niet-lineair gedrag bij hoge druk als gevolg van plastificeringseffecten of structurele veranderingen in de polymeermatrix.

Afdichtingsgeometrie en -dikte:
De permeatiesnelheid is omgekeerd evenredig met de afdichtingsdikte. Een verdubbeling van de afdichtingsdikte halveert de permeatiesnelheid, waardoor dit een kritieke ontwerpparameter is voor toepassingen met een lage permeabiliteit.

Secundaire factoren

Veroudering en milieublootstelling:
Blootstelling aan UV-straling, ozon en chemisch contact kunnen de polymeerstructuur veranderen, waardoor de permeabiliteit na verloop van tijd toeneemt. We raden periodieke permeabiliteitstests aan voor kritische toepassingen om de degradatie van de afdichting te controleren.

Compressie en spanningstoestand:
Mechanische compressie kan de permeabiliteit verminderen door het vrije volume in de polymeermatrix te verkleinen, maar overmatige compressie kan spanningsscheuren veroorzaken waardoor de permeatie via mechanische paden toeneemt.

Vochtigheid en vochtgehalte:
Waterdamp kan veel elastomeren plastificeren, waardoor de doorlaatbaarheid voor andere gassen toeneemt. Dit is vooral belangrijk in buitentoepassingen of omgevingen met een hoge vochtigheidsgraad.

Voorbeeld van toepassing in de echte wereld

Marcus van de halfgeleiderfabriek in München die ik eerder noemde, ontdekte dat hun vochtproblemen niet alleen te maken hadden met permeatie van waterdamp. De vochtigheid verhoogde ook de permeabiliteit van hun afdichtingen voor andere verontreinigende gassen, waardoor een cascade-effect ontstond dat hun cleanroomomgeving in gevaar bracht. We losten dit op door fluorkoolstofafdichtingen met geïntegreerde droogkamers te specificeren in hun kabelwartels.

Hoe worden permeabiliteitstesten uitgevoerd voor wartels?

Permeabiliteitstests voor kabelwartels worden uitgevoerd met gestandaardiseerde methoden zoals ASTM D1434⁴ of ISO 2556, die de stationaire transmissiesnelheid meten van specifieke gassen door afdichtingsmaterialen onder gecontroleerde omstandigheden van temperatuur, druk en vochtigheid.

Standaard testmethoden

ASTM D1434 - Standaard testmethode voor het bepalen van de gasdoorlaatbaarheid:
Deze methode maakt gebruik van een manometrische techniek waarbij de gasdrukopbouw wordt gemeten aan de lagedrukzijde van een testmonster. De test levert doorlatendheidscoëfficiënten in standaardeenheden en wordt algemeen aanvaard voor ingenieursberekeningen.

ISO 2556 - Kunststoffen - Bepaling van de gastransmissiesnelheid:
Vergelijkbaar met ASTM D1434 maar met iets andere prepareer- en berekeningsmethoden. Deze standaard wordt vaker gebruikt in Europese markten.

ASTM F1249 - Doorlaatbaarheid van waterdamp:
Deze methode is speciaal ontworpen voor het testen van de waterdampdoorlaatbaarheid en is van cruciaal belang voor toepassingen waarbij het binnendringen van vocht een primaire zorg is.

Onze testmogelijkheden bij Bepto

We hebben geïnvesteerd in ultramoderne apparatuur waarmee we permeabiliteitstesten kunnen uitvoeren:

• Test bij temperaturen van -40°C tot +200°C
• Evalueer drukverschillen tot 10 bar
• Meet doorlaatbaarheid voor meer dan 20 verschillende gassen en dampen
• Versnelde verouderingsstudies uitvoeren om de prestaties op lange termijn te voorspellen

Voorbereiding testmonster

Een goede voorbereiding van het monster is cruciaal voor nauwkeurige resultaten:

1. Materiaal conditionering24 uur evenwicht bij testomstandigheden
2. Diktemeting: Meerdere punten om uniformiteit te garanderen
3. Voorbereiding van het oppervlak: Schone, defectvrije oppervlakken
4. Montage: Goede afdichting om randeffecten te voorkomen

Gegevensinterpretatie en -rapportage

Testresultaten moeten op de juiste manier worden genormaliseerd en gerapporteerd met de juiste eenheden. We voorzien onze klanten van uitgebreide rapporten, inclusief:

• Doorlaatbaarheidscoëfficiënten voor specifieke gassen
• Gegevens temperatuurafhankelijkheid
• Vergelijking met benchmarks in de sector
• Aanbevelingen voor toepassingsspecifieke vereisten

Wat zijn de kritieke toepassingen waarvoor afdichtingen met een lage doorlaatbaarheid nodig zijn?

Kritische toepassingen waarvoor afdichtingen met een lage doorlaatbaarheid nodig zijn, zijn installaties in gevaarlijke omgevingen, farmaceutische cleanrooms, halfgeleiderproductie, voedselverwerking onder gemodificeerde atmosferen en alle toepassingen waarbij verontreiniging met sporengassen de veiligheid of productkwaliteit in gevaar kan brengen.

Explosieveilige toepassingen en toepassingen in gevaarlijke omgevingen

In explosieve omgevingen kunnen zelfs minieme hoeveelheden permeatie van brandbaar gas veiligheidsrisico's opleveren. Onze explosieveilige kabelwartels maken gebruik van speciale fluorkoolstofafdichtingen die ervoor zorgen dat de permeatie onder de kritische drempelwaarden blijft, zelfs na jarenlang gebruik.

Belangrijkste vereisten:

• Waterstofpermeatie < 10-⁸ cm³/s voor de meeste toepassingen
• Langdurige stabiliteit in zware chemische omgevingen
• Voldoet aan ATEX-, IECEx- en NEC-normen

Farmaceutische en biotechnologie

Cleanroomomgevingen vereisen het handhaven van specifieke atmosferische samenstellingen met minimale verontreiniging. Waterdamp en zuurstofpermeatie kunnen de steriele omstandigheden en productstabiliteit in gevaar brengen.

Hassans ervaring reikt verder dan de petrochemie - hij adviseert ook farmaceutische bedrijven in het Midden-Oosten. In Koeweit hielpen we bij het specificeren van kabelwartels voor een productiefaciliteit voor vaccins waar zelfs een klein beetje zuurstofdoorlating de temperatuurgevoelige producten zou kunnen aantasten. Onze oplossing bestond uit op maat gemaakte fluorkoolstofafdichtingen met gemeten zuurstofpermeatiesnelheden die 50x lager waren dan die van standaardmaterialen.

Productie van halfgeleiders

Ultrazuivere omgevingen in halfgeleiderfabrieken kunnen geen vervuiling verdragen. Uitstoot⁵ en permeatie van kabelwartelafdichtingen kunnen deeltjes en chemische verontreinigingen introduceren die de opbrengst verlagen.

Kritische parameters:

• Uitgassnelheden < 10-⁸ Torr-L/s-cm²
• Minimale ionische vervuiling
• Deeltjesvorming < 0,1 deeltjes/cm²-uur

Voedsel- en drankverwerking

Verpakken onder gemodificeerde atmosfeer en gecontroleerde fermentatieprocessen vereisen nauwkeurige gassamenstellingen. Permeatie door wartelafdichtingen kan deze atmosferen veranderen en de productkwaliteit en houdbaarheid beïnvloeden.

Analytische en laboratoriumapparatuur

Voor analytische precisie-instrumenten zijn vaak gecontroleerde atmosferen of vacuümomstandigheden nodig. Zelfs kleine hoeveelheden luchtpermeatie kunnen de meetnauwkeurigheid en de prestaties van het instrument in gevaar brengen.

Conclusie

Inzicht in de permeabiliteit van kabelafdichtingen voor gassen en dampen is essentieel voor ingenieurs die werken in kritieke toepassingen waar atmosferische controle van het grootste belang is. Het transport van gassen op moleculair niveau door afdichtingsmaterialen volgt voorspelbare natuurkundige wetten, maar een juiste materiaalselectie, testen en toepassing vereisen diepgaande technische kennis. Bij Bepto zorgen onze uitgebreide testmogelijkheden voor doorlaatbaarheid en onze uitgebreide materialendatabase ervoor dat onze klanten wartels ontvangen met afdichtingsprestaties die zijn afgestemd op hun specifieke eisen. Of u nu te maken hebt met explosieve atmosferen, cleanroomomgevingen of analytische precisietoepassingen, het juiste afdichtingsmateriaal en de juiste karakterisering van de permeabiliteit kunnen het verschil betekenen tussen een succesvol systeem of een kostbare mislukking.

Veelgestelde vragen over doorlaatbaarheid van wartels