ПРОИЗВОДСТВО УПЛОТНЕНИЙ ИЗ ЭЛАСТОМЕРОВ И ФТОРОПЛАСТОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Производство уплотнений из эластомеров и фторопластов

со см о см

сч

о ш т

X

<

т о х

X

Борисов Николай Николаевич

менеджер проекта производства, ООО "Треллеборг Силинг Со-люшнс", nnik13@mail.ru

Технологические свойства какой-либо конструкции или детали определяются не одним каким-либо свойством, а всей совокупностью свойств. Желание повысить свойства ведут к постоянным разработкам новых технологий, что делают более износостойкие и обладающие еще лучшим набором свойств детали/конструкции и пр. На месте не стоят и используемые для этого материалы, свойства которых расширены в сравнении с более старыми аналогами.

Технологичность оценивают технологи предприятия-проектировщика, завода-изготовителя или специализированных предприятий на всех стадиях проектного процесса. На технологичность также оказывает влияние объем выпуска детали/конструкции/изделия.

В современных конструкциях широко применяют алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, стали, а также неметаллические конструкционные материалы, в частности, эластомеры и фторопласты.

Для того, чтобы определиться с выбором материала детали/изделия, необходимо учитывать многие параметры самой конструкции, в которой они будут использованы: это размер конструкции, нагрузка на деталь или изделие, уровень тепла, который будет на нее оказываться, а также особенности изделия: насечки, отверстия, сечение, уровень напряжения в отдельно взятых участках. При выборе материала, нужно уделять особенное внимание таким параметрам, как твердость, прочность всей конструкции. Особенное внимание необходимо уделить максимальной и минимальной весовой эффективности используемого материала (она определяется удельными прочностью ст р и твердостью Е/р). Для различных материалов данный показатель также отличается.

Важнейшим параметром любой конструкции является ее надежность. Она закладывается конструкцией и учитывается технологией. Строгие требования ставят к комплексу качеств применяемых материалов. Это не только весовая эффективность, но и высокая надежность, что так важно для производства уплотнителей в автомобильной и нефтехимической промышленности.

Ключевые слова: уплотнители, автомобильная промышленность, нефтегазовая промышленность, производство уплотнителей, эластомеры, фторопласты.

Впечатляющая номенклатура неметаллических материалов, разнообразие их химической природы, происхождение и структура обеспечивают более широкий спектр их технических свойств, чем у металлов и сплавов. Пластмассы, резину, стекло, керамику и другие неметаллические материалы перерабатывают на изделия в основном методами пластической деформации: прессованием, выливанием, выталкиванием, экструзией и т.п., а также напылением, шпатлеванием. Эти методы характеризуются большой производительностью и значительно меньшими отходами [1, с. 77].

Мировая наука о полимерах развивается сегодня по двум основным направлениям. Первое направление (традиционное) - охватывает большую часть современных исследований в отрасли химии и физикохимии высокомолекулярных соединений, направлено на создание новых полимеров методами полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения. Другое направление - это химическое модифицирование полимеров с целью создания полимерных материалов. Сюда относят все типы и виды полимеризации и поликонденсации с использованием традиционных и новых мономеров, традиционных и новых каталитических систем, позволяющих получать линейные и сетчатые полимеры, а в более обобщенном виде - эластомеры, термоэластопла-сты, термопласты, реактопласты, усиленные и армированные полимеры, покрытия, пленки, лаки и др.

Таким образом, в целом была решена задача создания новых конструкционных и других полимерных материалов практически для всех отраслей современной техники, начали решаться также проблемы, связанные с использованием полимеров. Сюда же стоит отнести и решение проблемы производства уплотнений из эластомеров и фторопластов для автомобильной и нефтегазовой промышленности. Характеристики и свойства эластомеров показаны в таблице 1.

Таким образом, в целом была решена задача создания новых конструкционных и других полимерных материалов практически для всех отраслей современной техники, начали решаться также проблемы, связанные с использованием полимеров в медицине, электронике, оптике и ряд смежных проблем. Сюда же стоит отнести и решение проблемы производства уплотнений из эластомеров и фторопластов для автомобильной и нефтегазовой промышленности.

Наиболее распространенными видами полимеров, что способны к самоорганизации, являются функциональные молекулярные полимеры, способные к самоорганизации в жидком состоянии или жидкокристаллические полимеры. Такие системы производятся уже много лет, однако эта отрасль интенсивно развивается и сегодня. Известно, что мезоморфные полимеры способны уплотнять фазы, обладающие одновременно свойствами кристаллов и изотропных жидкостей. Сложная молекулярная структура определяет их способность к самоорганизации, вследствие чего возникают разнообразные супромолекулярные структуры. Эти системы способны к созданию ультратонких пленок (до монослоя) субмикронной толщины. Архитектура таких моле-

кул сложная - это могут быть линейные цепи, вмещающие мезогенные группы в основной или боковой цепи, с разнообразным размещением мезогенов в разных участках макромолекули, комбинированные полимеры с мезогенами одновременно в основной и боковых цепях, гибридные полимеры, которые содержат разнообразные мезогены, и пр. [4, с. 134]

Таблица 1

Таблица характеристик и областей применения эластоме-

Наиме- Силикон EPDM Витон NBR РТРЕ

нование VMQ/сили- этилен- РРМ/фтор Пербута- политет-

коновый пропилен- каучу нан/нитриль- рафторэти-

каучук диеновый ный каучук лен

каучук

Рабочая Стойкость Пригод- Пригод- Пригодность к Физиологи-

темпера- к воде до ность к ность к длительной чески не

тура +100°С длитель- длитель- эксплуатации вызывает

Кратковре- ной ной экс- в пределах от опасений до

менная эксплуата- плуатации -25 200°С

пригод- ции в пре- в пределах Кратковремен-

ность к делах - от -20°С ная пригод-

стерилиза- 40°С до до +200°С. ность к

ции паром +140°С. Кратковре- стерилизации

до 120°С- Пригод- менная паром до

130°С ность к пригод- 130°C-140°C.

стерилиза- ность к До +110 Крат-

ции стерилиза- ковременная

паром до ции пригодность к

130°С паром до стерилизации

130°С- паром до

140°С 130°C-140°C.

Особен- Выдержи- Хорошая Хорошая Хорошая Хорошая

ности вает высо- стойкость стойкость стойкость стойкость

и об- кие против против против набу- против набу-

ласть темпера- набухания набухания хания при хания

приме- турные при кон- при кон- контакте: - с практически

нения нагрузки. такте: - с такте:- с алифатиче- для всех

Хорошая разбавлен- минераль- скими частей.

стойкость к ными ными мас- углеводоро- Гладкая и не

воздей- неорганиче- лами. - с дами липкая по-

ствию хо- скими и расти- (пропан, бу- верхность,

лода. органиче- тельными тан, благодаря

Хорошая скими кис- маслами и бензин). - с чему не

пригод- лотами, живот- жирами на приставание

ность к основани- ными жи- базе частиц не

пищевым ями, поляр- рами. - с минерального происходит.

продуктам. ными пластич- масла Химическая

Обладает органиче- ными стойкость

диэлектри- скими сре- смазками. выше, чем у

ческими дами, - с топли- всех

свой- окислитель- вом других эла-

ствами. Хо- ными сре- стомеров.

рошая дами, Практиче-

стойкость к щелочами и ские не

воздей- кетонами. - воспламеня-

ствию с горячей ется

алкоголем водой и па-

ром до

130°С

ресную проблему представляет собой двухмерное фазовое распределение площади молекулярных слоев и возникновение высокосегрегированных микрофаз, совместное существование различных типов молекулярной упаковки и структуры поверхности раздела, а также структуры поверхностных доменов. Проблемы структурного дизайна взаимосвязаны с молекулярным дизайном создания эластомеров [4, с. 152].

Фторопласты - это вид пластмасс, общей особенностью которых являются такие характеристики, как низкая плотность (до 2103 кг/м3); низкая теплопроводность (0,1-0,3 Вт/(мК); высокие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства; возможность к силовому расширению. Силовые пластики, к которым относятся фторопласты, по прочности могут быть равны и даже превышать прочность стали. Также у фторопластов высокие технологические свойства. К их недостаткам можно отнести, разве что, невысокую стойкость к тепловому воздействию, а также низкая упругость в сравнении с металлами, а также они менее износостойкие [2, с. 7].

Фторопласт относится к виду неполярных термопластов. Фторопласт-4 (фторлон-4) - это политетрафторэтилен (—CF2— CF2 -) п. Фторопласт-4 представляет из себя аморфно-кристаллический полимер, степень его кристалличности составляет 45-85%. Долгое время он может находиться при высокой температуре 2б0°. Температура его плавление превышает 435°С, что делает его очень хорошим материалом для изготовления уплотнений. Фторо-пласт-4 устойчив к действию кислот, щелочей, окислителей, а также растворителей. Данный материал износостойкий и только под действием расплавленных металлов и элементарного фтора он теряет свои свойства и становится нестабильным. Также данный материал отличается крайне низким коэффициентом трения (р=0,04), не зависящим от температуры. Это выгодно отличает уплотнители из фторопласта-4 от уплотнителей из других материалов. [2, с. 9-10].

Основные технические характеристики различных фторопластов показаны в таблице 2.

Таблица 2

Основные технические характеристики различных фторопластов [2, с. 8]

Таким образом, создание таких полимеров является задачей молекулярного дизайна. Молекулярный дизайн определяет возможность структурного дизайна в виде дисков, колоннообразных структур и многих других форм сложной конфигурации. Развитие таких полимерных систем требует решения многих физико-химических проблем. К ним относятся: фазовые превращения в ультратонких пленках, организации супромолекулярного порядка на поверхности и динамика процесса, физические свойства в предельных условиях на поверхности. Еще есть нерешенные проблемы, которые связаны с ионными, водородными взаимодействиями в таких системах, с определением роли баланса между гидрофильными и гидрофобными свойствами. Очень инте-

Наименование Плотность, кг/м3 Температура эксплуатации, °С Удельное сопротивление, Ом*м Разрушающее напряжение (растяжение), МПа

Ф-2 1780 -45/ +150 1010-1013 44-55

Ф-3 2090-2160 -195/ +190 1015-1017 35-43

Ф-4 2150-2240 -260/ +160 1017-1018 16-35

Ф-40 1700 -200/ +200 1016 27-50

Одним из важных недостатков данного материала является то, что он выделяет фтор, являющийся токсичным. Однако, этого можно избежать, не используя высокую температуру при его изготовлении и использовании. Фторо-пласт-4 можно широко использовать в автомобильной, нефтегазовой и пр. видах промышленности, а также на различных производствах. Из данного материала изготавливают уплотнения, прокладки, манжеты, втулки, подшипники, насосы, мембраны, трубы и др. виды изделий. Также фторопласт-4 является основой для изготовления фтор-лона - ткани, которая не подвержена действию огня, огнеупорная ткань. Ее используют для того, чтобы шить спецодежду, а также различного рода изделия [2, с. 11].

X X

о го А с.

X

го m

о

ю

2 О

м

CJ

fO CN О

cs

СЧ

о ш m

X

<

m О X X

Фторопласт-3 - это полярный термопласт - политри-фторхлоретилен (—CF 2 —CFCl—) п. Данный материал, в сравнении с предшественником, имеет другой состав на молекулярном уровне. Это делает фторопласт-3 более мягким, пластичным, а также помогает в дальнейшей переработке этого материала в изделие и, после его износа, обратно в материал. Фторопласт-3, имеет кристалличность около 80-85%, а закаленный - 30-40%. Интервал рабочих температур - от 105 до 70°С. Фторопласт-3 износоустойчив, а также устойчив к воздействию щелочных растворителей, органики, а также кислот и окислителей. Модифицированный политрифторхлоретилен-фторопласт-3М обладает рабочей температурой 150-170°С). Также он значительно легче формируется, чем фторопласт-4 и намного более эластичен [2, с. 11]

Фторопласт-3 широко используется в промышленности и производстве. Из данного материала изготавливают уплотнения, уплотнители, шланги, клапаны, трубы. Также из них делают защитное покрытие для металла. Он служит основой изготовления других фторопластов, полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена и др.

Уплотнения - это очень важная часть любого оборудования, от которых, в частности, зависит его герметичность и/или показатели трения. Качество и технические характеристики уплотнений улучшаются. Уплотнители из года в год совершенствуются, улучшаются их характеристики касательно стойкости к температурным перепадам и воздействию высоких, а также низких температур, стойкость к давлению, скорости, а также к условиям окружающей внешней и внутренней среды. Они взаимодействуют с новыми видами покрытий (HVOF и пр.), а также растет срок службы уплотнений, что ведет к снижению убытков производства от простоя оборудования. Идеальные уплотнители, к которым стремится современная наука - это уплотнители, которые с момента их изготовления и установки будут служить на протяжении всего срока эксплуатации изделия без замен [5, с. 104].

В автомобильной и нефтегазовой промышленности широко используются уплотнители. Наиболее встречаемый вид - динамические уплотнители, которые используют для сведения к минимуму таких показателей, как трение, воздействие температурного режима (в основном, высоких температур), а также в целом ориентированы повышение качества и безопасности производственного процесса. В связи с этим, одним из важных требований к материалам, из которых изготавливают уплотнения, является долговечность, высокая надежность, стойкость к температурам вплоть до экстремальных показателей, совместимость с другими материалами и в целом с рабочей средой определенного производства, а также высокий ресурс эксплуатации. Также одним из наиболее важных аспектов, на которые пристально обращает внимание современное производство уплотнений, является тенденция к переходу на наиболее новые и совершенные смазочные материалы, которые производятся из минеральных масел. Важным трендом в развитии уплотнений вращающихся узлов является разработка бессмазочных систем или систем с незначительной смазкой. Разрабатываются новые материалы и их комбинации для уплотнения возвратно-поступательных механизмов [5, с. 107].

Основная проблема при малых давлениях - способ получения уплотнительного эффекта, требуется принудительная активация уплотнения, которая может быть выполнена с помощью эластомерного кольца либо металлической пружины. Важно также, чтобы усилие стра-гивания было минимально возможным. При сверхвысоких давлениях главная проблема - экструзия уплотнения в зазор. Чтобы ее предотвратить, используется специальная конфигурация уплотнений, разработанная на основе моделирования их поведения под воздействием высокого давления, либо устанавливаются противоэкс-трузионные кольца из твердых материалов.

Литература

1. Баткис Г.С., Максимов В.А. Торцовые бесконтактные уплотнения роторов компрессорных машин: учеб. пособие. Казань: Изд-во КГТУ, 2019. - 160 с.

2. Бузник В.М. Состояние отечественной химии фтор-полимеров и возможные перспективы развития // Российский химический журнал. 2019. - Т. I_II. - № 3. - С. 7-12

3. Замышляева О.Г. Методы исследования современных полимерных материалов: учебно-методическое пособие. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2019. - 90 с.

4. Корнеев А.Е., Буканов А.М., Шевердяев О.Н. Технология эластомерных материалов. М.: Эским, 2020. - 288 с.

5. Новиков Е.А. Газодинамические уплотнения. Казань: Изд-во КНИТУ, 2020. - 252 с.

Production of seals made of elastomers and fluoroplastics Borisov N.N.

Trelleborg Sealing Solutions LLC

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

The technological properties of any structure or part are determined not by any one property, but by the whole set of properties. The desire to improve properties leads to the constant development of new technologies, which make parts/structures more wear-resistant and having an even better set of properties, etc. The materials used for this purpose are also not in place, the properties of which are expanded in comparison with older analogues. Technologicality is evaluated by the technologists of the design company, the manufacturer or specialized enterprises at all stages of the design process. The manufacturability is also influenced by the volume of production of the part / structure /product. Aluminum, magnesium and titanium alloys, steels, as well as non-metallic structural materials, in particular, elastomers and fluoroplastics, are widely used in modern structures. In order to decide on the choice of the material of the part / product, it is necessary to take into account many parameters of the design itself in which they will be used: this is the size of the structure, the load on the part or product, the level of heat that will be exerted on it, as well as the features of the product: notches, holes, cross-section, voltage level in individual sections. When choosing a material, you need to pay special attention to such parameters as hardness, strength of the entire structure. Special attention should be paid to the maximum and minimum weight efficiency of the material used (it is determined by the specific strength a p and hardness E/p). This indicator also differs for different materials. The most important parameter of any design is its reliability. It is laid down by design and taken into account by technology. Strict requirements are placed on the complex of qualities of the materials used. This is not only weight efficiency, but also high reliability, which is so important for the production of seals in the automotive and petrochemical industries. Keywords/ seals, automotive industry, oil and gas industry, production of

seals, elastomers, fluoroplastics. References

1. Batkis G.S., Maksimov V.A. Mechanical non-contact seals of rotors of com-

pressor machines: textbook. allowance. Kazan: Publishing House of Kazan State Technological University, 2019. - 160 p.

2. Buznik V.M. The state of domestic chemistry of fluoropolymers and possi-

ble development prospects // Russian Chemical Journal. 2019. - T. LII. -No. 3. - S. 7-12

3. Zamyshlyaeva O.G. Methods for the study of modern polymeric materials:

teaching aid. Nizhny Novgorod: Nizhny Novgorod State University, 2019.

4. Korneev A.E., Bukanov A.M., Sheverdyaev O.N. Technology of elasto-

meric materials. M.: Eskim, 2020. - 288 p.

5. Novikov E.A. Gas dynamic seals. Kazan: Publishing House of KNRTU,

2020. - 252 p.