A legtöbb elasztomert érinti bizonyos szintű öregedés az életciklusa során. A gyakorlatban ez annyit tesz, hogy a gumi idővel veszíteni kezd fizikai képességeiből. Ide tartozik például a gyengülés, melynek oka a kémiai összetétel megváltozása.
Magas hő, kemikáliák, fény
A gumikban különböző reakciók indulnak meg a különböző hő-, fény, vagy egyéb hatások nyomán. Ezek a:
Mechanikai és elektromos terhelés
Habár mindennapos, hogy ionizáló sugárzás, öregedés, mechanikai igénybevétel és elektromos hatások érik ezeket az elasztomereket, ezek az impulzusok komoly megterhelést jelentenek az anyag számára, amelyek akár fizikai vagy kémiai változásokat is okozhatnak benne. A gumi összetételének megváltozásával a mechanikai tulajdonságai is másképp alakulnak.
Hő hatására történő öregedés
A gumik öregedését és élettartamának csökkenését számos tényező gyorsíthatja. Ilyen például a túlzott terhelés vagy a reakcióképes gázok, pl.: ózon alkalmazása. Ezek repedéseket, elszenesedést, fakulást eredményezhetnek a termék felületén. Antioxidánsok, UV stabilizátorok és antiozonátok hozzáadásával viszont lassítható ez a folyamat, így könnyebben észlelhetjük a hibát és kicserélhetjük a problémás alkatrészt, mielőtt az valóban meghibásodna.
Az oxidáció bizonyos esetekben a gumi megkeményedését, más esetben pedig épp ellenkezőleg, a lágyulását okozhatja, az elasztomer szerkezetétől függően. Előbbi sokkal gyakoribb, mivel a fény hatására keletkező szabadgyökök új keresztkötéseket hoznak létre, ami csökkenti a gumi rugalmasságát.
Ezeket a kémiai folyamatokat „lánckeményedésnek” vagy „lánchasadásnak” hívjuk. Hogy végül milyen típusú romlás következik be, azt a polimer kémiai összetétele határozza meg.
A következőkben bemutatunk 6 esettanulmányt, melyekből jól látható, hogy hogyan befolyásolja az öregedés a gumialkatrészek teljesítményét, hogyan hibásodnak meg és hogy miként kerülhetjük el őket.
További esettanulmányokat itt talál
Egy kórház központi rendszerét 100 mm átmérőjű fémcsövekkel építették fel. A tervek alapján akár 0,6 MPa nyomáson is működnie kell 85°-os vízhőmérsékleten 60 megerősített gumiharanggal.
Mire használják ebben az esetben a gumiharangot?
A csőrendszer tengelyirányban tágul, mely tengelyirányú tágulását és összehúzódását biztosítja ez az alkatrész, mivel ezt a fajta mozgást csak a gumiharangok képesek elviselni.
A telepítést követő két évben 20 harang megrepedt, vagy teljesen elszakadt. A meghibásodást csak akkor észlelték, amikor a nyarat követően először bekapcsolták a rendszert.
A gumi típusának meghatározásához infravörös spektroszkópiát alkalmaztak. Az anyagot természetes gumi, illetve polipropilén keverékeként azonosították. A meghibásodott alkatrészek furatánál a gumi olyannyira törékennyé vált, hogy az alkatrészeket a szivattyúzott víz erodálta végül. Az elemzés során szilícium, cink és réz-oxidok keverékét találták a csövek felületén. A helyi vízellátásról pedig kiderült, hogy magas koncentrációban tartalmazza ezt az egyveleget.
A természetes gumi és polipropilén keveréknek hosszú élettartamot kell biztosítania 85°C -os vízben is. Ugyanakkor ismeretes, hogy számos gumi és műanyag (például poliolefinek és nejlonok) esetében bizonyos fémionok felgyorsítják az oxidációt a reakció katalizálásával, ami gyengítheti az ellenálló képességet.
85°C-on a rézionok magas száma jelentősen lecsökkenti a gumikeverék tartósságát. A rendszer újraindításakor nyilvánvalóvá vált a szivárgás, mivel a csővezetékek hőtágulása minimális volt, míg a gumialkatrészeké maximális, ami egyértelműen hasadásra utal.
Kicserélték a gumiharangokat egy olyan keverékből készült modellre, amely ellenáll a katalizált termo-oxidatív öregedésnek.
Mire használjuk a rugalmas tömlőket?
Rugalmas tömlőket elsősorban a folyadékok nyomás alatt történő továbbítására használjuk. A szerkezetet acélhuzallal megerősített gumi rétegek képezik. A megerősítés összetétele elsősorban a tömlő méretétől, illetve az üzemi nyomástól függ.
Így választották ki a megfelelő tömlőket ehhez az alkalmazáshoz
A gumikeveréket mindig a szállítandó folyadék és a környezeti feltételek alapján kell kiválasztani. Víz továbbításához egy speciális tömlőt alkalmaztak, amely 0,7-0,8 MPa nyomásra és 20-80°C közötti hőmérsékletre lett kalibrálva.
A meghibásodást a tömlőn keletkezett repedés okozta. Mivel mindegyik tömlő ugyanilyen típus, arra következtethetünk, hogy a probléma nem izolált, a többi alkatrész esetében is jelentkezhet.
A tömlő konstrukciója viszonylag egyszerű volt, kis furattal. Szalagfűrésszel kettéválasztották, majd megállapították, hogy mindössze egy extrudált cső található benne, belső megerősítés nélkül. A szerkezetet kívülről egy drótfonatú réteg borította, és kapott egy spirális megerősítést. Ezt eltávolítva láthatóvá vált a drót egész felülete, amely javarészt hibátlan volt, ám az egyik végszerelvény közelében korrózió jeleit találtak rajta. A korrózió alapján könnyedén azonosíthatták a szivárgási pontot.
Megállapították, hogy a gumi elkopott. A tömlő gyors hajlítása repedést okozott a belső felületen, amely az idő előrehaladtával más részeken is jelentkezett. Kielemezték a gumikeveréket is, amely polimer bázisú nitril és sztirol-butadién gumi elegye volt 80/20, illetve 60/40 közötti arányban.
Hő hatására keletkező törések
Az anyag törékenysége arra utal, hogy hő hatására elöregedett és öregedésnek indult. Az öregedés ugyanis a szakítószilárdság elvesztését eredményezi. A tömlő felszakadása akkor következhet be, amikor a belső felület feszültség alatt áll. például görbületekben, mert a nyomás meghaladja a gumi csökkent nyúlékonyságát. Ha ezen felül szennyeződés is jelen van, az tovább csökkenti a tömlő szilárdságát.
Hozzáadott SBR miatti alacsonyabb üzemi hőmérséklet
A nitrilgumi maximális hőmérséklete 100-120°C. Viszont, ha SBR-rel keverjük, az csökkenti a maximális üzemi hőmérsékletet, melynek mértéke a hozzáadott SBR-mennyiségtől függ. Az azonosított keverék esetében a maximális üzemi hőmérséklet nagyjából 70-80°C körül mozog.
Az egyértelmű konklúzió, hogy ez a gumikeverék nem képes hosszú távon 80°C-os üzemi hőmérsékletet elviselni. Jelentős öregedés vette kezdetét a termikus hatásoknak köszönhetően, melynek következményeképpen csökkent az anyag nyúlóképessége és elszakadt.
Tanulság
A gumiharangokat elsősorban bővítésre vagy szűkítésre használjuk
Egy 80 mm átmérőjű acélcsövet használó ipari fűtési rendszer, amely gumiharanggal van összekötve, meghibásodott 18 hónapos szolgálat után. A rendszer 120°C-os vizet szállított 0,5 MPa nyomáson. A termék korábban sikeresnek bizonyult hasonló alkalmazásokban és alkalmazási körülmények között.
Megvizsgálták a felhasznált gumit, amely kénnel keményített EPDM-nek bizonyult, amely kormot, nafténes feldolgozó olajat és szervetlen töltőanyagokat tartalmazott.
A fel nem használt harangban 22%-os olajtartalmat mértek, míg a meghibásodott példány esetében 11 és 9% volt a nafténes olaj szintje. A kéntartalom esetében 2,5%, 5,8% és 6,1%-ot mértünk, a szakítószilárdság pedig 600, 450 és 90%-os volt.
Az olaj ilyen szintű párolgása nem váratlan ilyen magas üzemi hőmérsékleten. Tény, hogy ez hozzájárul a szakítószilárdság csökkenéséhez, ugyanakkor ez önmagában még nem túl jelentős. A meghibásodott alkatrész belső és külső rétege hasonló olajtartalommal rendelkezett, ugyanakkor csak a külső oldal esetében tapasztaltak súlyos romlást a szerkezeti tulajdonságokban. Ez hő hatására történő öregedésre utal, mivel általában a belső réteg gyorsabban bomlik a levegővel való érintkezés miatt.
Túl magas kéntartalom
A kénnel megerősített EPDM maximális, folyamatos üzemi hőmérséklete 120°C. Ugyanakkor ez csak egy megfelelően formulált és feldolgozott vegyület esetében igaz. A meghibásodott gumi esetében viszont túl magas volt a kéntartalom, a felesleges kén pedig pro-oxidálószerként hat az öregedés folyamatára – tehát felgyorsítja.
A meghibásodás az összetétel hibájából adódik, amely veszélyezteti a termék hőhatásokkal szembeni ellenállását.
Példa tömítésre
Egy cég nagy mennyiségű TPE csövet szállított és telepített 1990-től. Ugyanakkor 1993-tól kezdtek gyarapodni a meghibásodások, 1994-ben pedig megszűnt a termelés a sok hiba következtében. Ugyan az anyaggal kapcsolatban nem jelentettek problémát, néhány javaslat szerint a szerelvényeket szorosabbra húzták, nagyobb nyomást gyakorolva így a gumira. Egy mérnöki tanácsadó szerint azonban nem volt szükség erre szigorításra, amit a termékszállító nem tudott hiteles magyarázatként elfogadni.
A meghibásodott alátéteket megvizsgálták, és nagy arányban találtak rajtuk repedéseket. Az alátétek kompressziós értékét 85°C-os vízben elemezték és az összenyomódás mértéke megközelítette az üzemben használt értéket. Ilyen körülmények között 90%-os kompressziót figyeltek meg. Más, azonos expozíciós körülmények között végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy a nyomaték kevesebb, mint 10%-ra csökkent, az alátétek pedig erősen megmerevedtek.
A hőre lágyuló elasztomerekről köztudott, hogy magas a kompressziós értéke a többi hőre keményedő gumihoz képest. Emiatt ritkán alkalmazzák magas hőmérsékletű, hosszú távú, nyomás alatti alkalmazásokhoz.
Hidrolitikus öregedés
Közismert tény, hogy az észtercsoportokat tartalmazó polimerek csak kis mértékben ellenállóak a hidrolitikus öregedéssel szemben. A szakirodalom szerint még stabilizátor hozzáadásával sem nevezhető alkalmasnak 50°C feletti hőmérsékletű vízben való használatra. Az alátét ráadásul nem tartalmazott stabilizátort sem.
A tömítésben lecsökkent a nyomás és repedések alakultak ki, ami szivárgást okozott. Mindkettőt felgyorsította a hidrolitikus öregedés.
Ki a felelős a meghibásodásért?
Ebben az esetben a hiba nem az anyagban, sokkal inkább az emberi tényezőkben keresendő, akik kiválasztották ezt az anyagot. A formázó nagy hírnevet szerzett magának speciális TPE-ből öntött csövek szállítójaként. Ez arra utal, hogy feltehetően tisztában voltak az anyag korlátaival is. Ugyanakkor általában ezek az eszközök vagy környezeti hőmérsékleten kerülnek használatba, vagy csak rövid ideig vannak kitéve magas hőmérsékletnek, mielőtt újrapréselődnek. A formázó valószínűleg ezért nem tudott a kompressziós beállításokkal vagy hidrolízissel kapcsolatos előforduló problémákról. A szóban forgó TPE jóváhagyást kapott ivóvízzel való érintkezéshez, amelyet úgy értelmeztek, hogy „vízzel való használatra engedélyezett”.
Mivel a gyártó magabiztos volt az anyagválasztás kérdésében, nem kérdezte meg a szállítótól, hogy ez a legjobb választás-e, hanem a legjobb TPE-minőség iránt érdeklődött. Az ajánlott fokozat (legnagyobb keménység hidrolitikus stabilizátor nélkül) azt sugallja, hogy az alkalmazást nem megfelelően írták vagy értelmezték, a termék pedig tesztelés nélkül került forgalomba.
A termék szállítója EPDM csövekre váltott. Ez sikeresnek bizonyult.
Tudjon meg többet az autóiparban használt EPDM tömlőkről itt!
Egy 6 méteres cirkáló hajó kigyulladt a zsúfolt kikötőben. Ezt megelőzően a jármű 2 évig használaton kívül várakozott a kikötőben. Szerencsére a helyi alkosok eloltották a tüzet, mielőtt az elérhette volna a többi hajót. A cirkáló azonban komoly sérüléseket szenvedett és körülbelül 20 000 font összegű biztosítási kártérítési vizsgálatot indítottak a gyulladás okát kiderítendő.
A tűz a motortérből indult. A vizsgálat során kiderült, hogy a fedélzeti töltőnyílás és a benzintartály közötti gumitömlő nincs biztonságosan csatlakoztatva a tartálycsaphoz. Ugyanakkor az nem derült ki, hogy ez a tűz oka vagy a következménye volt.
A tömlő anyagát kivizsgálva megállapították, hogy olyan EPDM gumiból készült melyben feldolgozási segédanyagként ásványi olaj is fellelhető. Az olajtartalmat 8%-ra becsülték a csatlakozók között, a töltőnyílás csiptetője fölött beszerzett mintákban pedig 36%-ra. A gumi keménysége 80 és 45 IRHD volt a csíptető alatt és felett.
A tömlőt eredetileg nitrilként tüntették fel, ám a cirkáló történetének egy ismeretlen pontján feltehetően kicserélték az EPDM modellre. Ez az anyag nem ajánlott benzines vagy más alifás folyadékokkal való érintkezéshez. A benzin az EPDM-et közel 100%-os egyensúlyi szintre duzzasztja, ugyanakkor csökkenti a keménységét.
Emellett az ásványolaj sem ajánlott adalékanyagként a benzinnel érintkező elasztomerekhez. A benzin ugyanis kimossa az olajat, így az zsugorodni és keményedni kezd. A gumi gyártáskori ásványolaj-tartalma nem ismert, de ésszerűen feltételezhető, hogy meghaladta a 36%-ot.
A benzinnel való érintkezéskor a következő eseménysorozat indult el:
A hálózati gáz 5 Mpa nyomáson történő szállításához használt szelepek nitrilgumi hüvelyeket hosszú évek óta sikeresen alkalmazzák számos különböző berendezésben. Azonban ebben az esetben az alkalmazásban gyakori, idő előtti meghibásodások fordultak elő. Az alkalmazás mindössze egy méretet használt a hüvelyszelepekből. A nyomás ugyan nem volt kóros, a hőmérséklet 38°C-ra emelkedett a megszokott 10-12°C helyett. Ennek fényében nem meglepő, hogy a szelepek robbanásveszélyes dekompressziót szenvedtek az abszorbeált gáz nyomáscsökkenésének következtében kialakult tágulás miatt.
Ugyanakkor a hibák üzemi nyomáson keletkeztek, majd hasadások keletkeztek a hüvely külső oldalán. Kívülről szemlélve úgy tűnt, hogy a hüvely belseje több helyen is felhabzott.
A sérülések mindkét felületen egy keskeny kerületi sávban keletkeztek, a külső felületen lévő hasadékok pedig szemben helyezkedtek el a belső felület habzó részével.
A felhasznált keverék részletei rendelkezésre álltak, így ebből megtudhattuk, hogy az anyagot nem arra optimalizálták, hogy ellenálljon az elöregedésnek hosszú távon. Emellett tartalmazott egy olajbázisú lágyítót is, ami valószínűleg nem volt kompatibilis az anyaggal.
A kémiai elemzés során kiderült hogy a habzó régióból származó minta ugyanolyan összetételű, rosszul diszpergált anyag, mint az ömlesztett. Ráadásué nem tartalmazott semmilyen töltőanyagot – vagyis agglomerátumokat vagy más, idegen anyagokat.
A szakítószilárdság és a nyúlás változó értékeket mutatott, ami egyértelműen helyi hibákra utal. Mindkettő nagy mértékben leromlott magas hőmérsékleten. A diszperziót is kevésbé ítéltük jónak más dinamikus alkalmazásokhoz képest.
A vizsgálat során arra a következtetésre jutottunk, hogy a hasadékok az anyag elfáradásának következtében alakultak ki. A habzást az adszorbeált gázok tágulása okozta. A sérülés területe megegyezett a legnagyobb gázsebességű régióval. A gáznyomás-eloszlások itt bizonyos idő elteltével eltolódnának és jelentősen megváltoznának. Viszont az elnyelt gázok tágulása matt ingadozó feszültségek elöregedéssel járó repedéseket okoztak a szelep falán, amelyek a benne lévő húzóerő diktált irányába terjedtek. Ez elsősorban a rossz minőséghez és a diszperziós szinthez köthető, és tovább nehezítette a helyzetet a hüvelyszelep nem megfelelő mérete mérete és a működési feltételek.
A habzás kialakulásának fő okát nem lehetett pontosan meghatározni, de arra lehet következtetni, hogy azok a különösen gyenge területeken alakultak ki, amelyek a legnagyobb lokalizált törzsek régiójában találhatók. A meggyengült felületek, a diszperzió, az öntőforma kitöltése és a kikeményedési hibák kombinációjából adódhatnak, amelyek előnyösen elnyelik a gázt. Az ilyen méretű szelephüvely formázása és az adott üzemeltetési körülmények, amelyek nagyobb mértékű helyi hőmérséklet-emelkedést eredményezhetnek, majd meghibásodásokat okozhatnak az adott berendezésben.
