Уплотнение седла из силикона и EPDM: практические различия помимо параметров

Уплотнительный элемент длительное время находится в предварительно сжатом состоянии в сочетании с воздействием среднего давления и температуры окружающей среды. Ползучесть (медленная деформация при длительном напряжении) и способность материала к остаточной деформации при сжатии напрямую определяют, выйдет ли из строя уплотнение седла клапана. Различия между ними особенно очевидны в условиях длительного статического или высокочастотного давления. Силиконовая резина лучше справляется с долговременной деформацией. Экспериментальные данные показывают, что в условиях испытаний 70 часов × 150 ℃ степень остаточной деформации при сжатии силиконовых уплотнений седла клапана составляет всего 15–25 %, в то время как уплотнения седла клапана из EPDM имеют степень деформации 25–40 % при более низкой температуре (70 часов × 100 ℃). Это означает, что в сценариях статического уплотнения при высоких температурах (например, в небольших высокотемпературных измерительных клапанах, компонентах герметичных мембранных насосов, миниатюрных парогенераторах) силикон может сохранять свою способность к эластичному восстановлению в течение длительного времени, даже при длительном давлении, и с меньшей вероятностью приведет к значительному увеличению точного уплотнительного зазора из-за остаточной деформации. Стабильность кремниево-кислородных связей в его молекулярной структуре делает материал менее склонным к разрыву молекулярной цепи или скольжению под постоянным напряжением, со значительно более низкой скоростью ползучести, чем у EPDM, что соответствует точным требованиям к уплотнению небольших седел клапанов и уплотнительных элементов для клапанов. На долговременную деформацию резины EPDM больше влияет рабочая среда. Во влажных и жарких средах (например, в клапанах горячей воды, паровых трубах) уплотнения седла из EPDM обладают превосходной устойчивостью к водяному пару (коэффициент поглощения < 1%), а их устойчивость к деформации даже лучше, чем у силикона, из-за его небольшого расширения при воздействии давления. Однако при контакте с неполярными средами, такими как минеральное масло, EPDM подвергается объемному расширению (степень расширения > 50%), а деформация становится необратимой после длительного воздействия давления, напрямую повреждая уплотнительную структуру. Кроме того, способность EPDM к восстановлению деформации чувствительна к температуре, и он затвердевает и растрескивается при температуре выше 100 ℃, что требует добавления антиоксидантов. В противном случае способность контролировать деформацию в условиях длительного воздействия высоких температур резко снизится.

Основой уплотнения седла клапана является целостность линии уплотнения (поверхность контакта между сердечником клапана и седлом клапана), а ее удерживающая способность зависит от износостойкости материала, прочности на разрыв и синергии упругого восстановления, а не от одного параметра твердости. Различия в характеристиках между двумя материалами значительны при различных частотах открытия и закрытия и в условиях окружающей среды. Резина EPDM имеет большее преимущество в сопротивлении износу уплотнительной линии. Его диапазон твердости по Шору составляет 40–90, предел прочности на разрыв 10–20 МПа, степень удлинения при разрыве 300–600 %, а в небольших точных клапанах с частым открытием и закрытием (таких как мини-герметичный клапан, миниатюрные прецизионные запорные клапаны, прецизионные задвижки малого диаметра, направляющие регулирующие клапаны) уплотнения седла из EPDM могут эффективно противостоять фрикционному износу между сердечником клапана и седлом клапана и менее может вызвать такие проблемы, как царапины или разрывы точной линии уплотнения. На открытом воздухе или в средах с высокой концентрацией озона (например, небольшие прецизионные жидкостные клапаны), хотя EPDM требует добавления антиозонанта, из-за насыщения его молекулярной цепи, линия уплотнения менее склонна к растрескиванию из-за эрозии озона, а адгезия сохраняется более стойко, отвечая требованиям к уплотнению небольших седел прецизионных клапанов. Преимущество силиконовой резины в уплотнительной линии заключается в низком трении и низкотемпературной адгезии. Диапазон его твердости еще ниже (20-80 Шор А), а изменения эластичности при низких температурах невелики. Он по-прежнему может сохранять низкий коэффициент трения при температуре -50°C, что делает его пригодным для не требующих смазки низкотемпературных клапанов (например, в системах холодовой цепи). Линия уплотнения может плотно прилегать к поверхности сердечника клапана и вряд ли потеряет контакт из-за низкотемпературного затвердевания. Однако прочность силиконовой резины на разрыв сравнительно невелика (всего 4-10 МПа), а сопротивление раздиру слабое. Если среда содержит примеси (например, ржавчину или частицы трубопровода), линия уплотнения может поцарапаться, и царапины трудно устранить путем эластичного восстановления после длительного использования. Целостность уплотнительной линии также легко повреждается со временем. Кроме того, силиконовые уплотнения седла слегка порошкообразуют под воздействием длительного ультрафиолетового излучения, что приводит к снижению прилегания линии уплотнения. Это особенно важно для наружных клапанов без защиты.

Промышленные клапаны часто сталкиваются с воздействием температурных колебаний, вызванных перепадами температур день-ночь и чередованием пуска и остановки. Сможет ли материал сохранять герметизирующие свойства при резких изменениях температуры, зависит от его устойчивости к низкотемпературной хрупкости, стабильности и обратимости характеристик при высоких температурах. Силиконовая резина имеет более широкую адаптируемость к холодному и горячему циклированию и более высокую предельную устойчивость. Его стандартная марка имеет температурный диапазон от -60°C до 200°C, а температура специального фенольно-силиконового каучука может достигать -100°C. Обладает кратковременной устойчивостью к высоким температурам до 250°C. При экстремальных температурных циклах (например, в миниатюрных клапанах аэрокосмической отрасли с температурой от -40°C до 180°C, клапанах малого диаметра в прецизионном холодильном оборудовании и компонентах микрогерметичных гидравлических насосов) силиконовые уплотнения седел клапанов по-прежнему могут сохранять эластичность и целостность уплотнительной линии. Эксперименты показали, что силиконовая резина не имеет значительного критического температурного сдвига при холодном и горячем циклировании. Даже при охлаждении до температуры, близкой к температуре стеклования, характеристики герметизации могут полностью восстановиться после нагрева, а утечка обратима без постоянного нарушения герметизации из-за повторяющихся перепадов температур. Это соответствует строгим требованиям к стабильности уплотнения небольших и точных седел клапанов и герметичных диафрагм. Характеристики каучука EPDM при холодных и горячих циклах существенно ограничиваются температурой. Его долговременная термостойкость составляет всего 120°C, а кратковременная пиковая температура составляет 150°C. Он склонен к старению и затвердеванию при температуре выше 100°C. При циклическом использовании высоких температур (например, в миниатюрных прецизионных терморегулирующих клапанах >120 °C и клапанах малого диаметра в прецизионном холодильном оборудовании) линия уплотнения постепенно теряет эластичность из-за старения материала, а скорость утечек увеличивается с количеством циклов. При низких температурах критическая температура хрупкости стандартной марки EPDM составляет -50°C, и ниже этой температуры сила уплотнения резко снижается, что приводит к образованию каналов утечки, и для поддержания уплотнения требуется смазка. Однако силиконовая резина может сохранять стабильную силу уплотнения при температуре -60°C. При среднетемпературном цикле (от -20°C до 60°C, например, в бытовых небольших прецизионных трубных клапанах кондиционирования воздуха и седлах клапанов миниатюрных водяных насосов) уплотнения седел из EPDM имеют лучшую экономическую эффективность, а стабильность их уплотняющих характеристик не сильно отличается от стабильности силиконовой резины, и они обладают лучшей устойчивостью к циклическому воздействию влажного тепла.

Ни один из материалов не имеет абсолютного превосходства. Выбор должен строго соответствовать температурному диапазону, типу среды и частоте открытия и закрытия рабочих условий, а не слепо гоняться за «высокоэффективными параметрами»: Сценарии, в которых предпочтителен силиконовый каучук: уплотнение в широком диапазоне температур (от -60°C до 200°C), уплотнение для небольших высокотемпературных прецизионных инструментов/клапанов, уплотнение для низкотемпературных прецизионных седел клапанов, не требующих смазки (например, миниатюрных клапанов в системах холодовой цепи) и уплотнение для малых высокотемпературных статические насосы с требованиями долговременного контроля деформации. Необходимо избегать использования полярных растворителей (таких как ацетон) и сред, содержащих примеси, чтобы не поцарапать точную линию герметизации. Сценарии, в которых предпочтительна резина EPDM: циклическое уплотнение при средней температуре (от -50°C до 100°C), уплотнение во влажной/паровой среде небольших насосов (таких как герметичный насос для перекачки жидкости, миниатюрные седла клапанов циркуляции горячей воды, прецизионные клапаны малого диаметра для градирен), уплотнение для высокочастотного открытия и закрытия небольших клапанов с чистой средой (таких как обычные промышленные прецизионные запорные клапаны, обратные и обратные клапаны), а также чувствительные к затратам, требует высоких требований к техническому обслуживанию, уплотнение клапана небольшого насоса на открытом воздухе. Необходимо избегать неполярных сред, таких как минеральное масло и топливо.

Разница в уплотнении седла клапана между силиконовой резиной и резиной EPDM заключается в основном в степени соответствия характеристик молекулярной структуры материала условиям работы. Силиконовая резина, обладающая превосходным долговременным контролем деформации и способностью адаптироваться к широкому температурному диапазону, подходит для суровых и экстремальных условий работы; в то время как EPDM, с его преимуществами износостойкости, устойчивости к влажному теплу и высокой экономической эффективности, имеет преимущество в повседневных условиях. При выборе следует отказаться от мышления «превосходство параметров» и сосредоточиться на долгосрочных характеристиках при фактическом использовании, чтобы достичь баланса между надежностью уплотнения и стоимостью. Если вы все еще не уверены, вы можете связаться с нами для консультации: Jack_Pan@doitrubber.com