非エラストマー シーリング材の境界を理解する-

シーリング工学における本当の限界は、実際にはシーリング機構の限界です。エラストマーシールは、初期シール力は主に圧縮後の弾性回復に依存し、接触応力は媒体圧力によって増加します。シール不良は、圧縮永久歪が大きくなりすぎて材料の弾性記憶が失われると発生します。一方、PTFE、UHMWPE、PEEK などのエンジニアリング プラスチックは弾性回復特性が低く、特に PTFE は顕著なコールド フローまたはクリープを示します。これらの材料は、「ゴムのように跳ね返る」ことによってシール性能を維持するのではなく、幾何学的設計、プリロード、圧力作動、スプリング、または O- リングの通電によってシール性能を維持します。これが非エラストマー シーリング材の主な制限です。最も重要な問題は、その材料がどれだけ強いかではなく、システム内でどのような機能を担うか、弾性補償を提供するか、あるいは低摩擦、耐摩耗性、耐薬品性、押出抵抗、耐荷重性などの他の機能を担うかどうかです。前者はエラストマーに関連しており、後者はエンジニアリング プラスチックがシーリング用途に参入する理由を示しています。

1. PTFE PTFE は、単なる「高級プラスチック」とみなされるべきではありません。-むしろ、耐薬品性、耐温度性、摩擦低減という 3 つの重要な新領域を同時に前進させる物質です。 AGC データによると、その一般的な使用温度範囲は約 -180 度から +260 度であり、事実上すべての媒体に対して化学的に不活性です。パーカーの調査によると、PTFE の鋼に対する乾式滑り摩擦係数は約 0.10 で、UHMWPE の約 0.25 やバージン PEEK の約 0.35 よりもはるかに低いです。これは、PTFE が高温、強い腐食性、低摩擦の動的状況下でエラストマー ベースのシールの最大性能限界を本質的に高めることを意味します。{11}}

しかし、その制限も同様に重要です。 Parker氏によると、バージンPTFEは室温で持続的な応力下でかなりのクリープを示し、弾性反発は本質的にありません。摩擦は非常に低いですが、耐摩耗性は比較的劣ります。したがって、PTFE を高温ゴム、またはエラストマー O リングの剛性代替品として考えることは無効です。-。エンジニアリングにおける典型的な間違いは、低摩擦を信頼性の高い弾性シール機能と誤解することです。したがって、実際には PTFE が単独で使用されることはほとんどありません。 1 つの方法は、フィラーを変更し、ガラス繊維、炭素繊維、グラファイト、青銅などの材料を追加して、耐クリープ性、耐摩耗性、圧縮強度、抗押出能力を向上させることです。-別のオプションは、スプリング付勢シールやエラストマー付勢設計などの付勢シール構造の採用であり、低圧接触や長期変形を補償するためにスプリングや O{10} リングが使用されます。

工学的な観点から見ると、PTFE は幾何学的または弾性補正のための材料ではなく、媒体適合性、温度、摩擦の限界を突破する材料です。高温、化学的攻撃性、または低摩擦の動的運動が支配的な環境に最適です。大幅な変形コンプライアンスや長期にわたる弾性回復が主な要件である場合、これは理想的ではありません。

2.UHMWPE
PTFE は、UHMWPE と比較して、まったく異なる材料境界を与えます。たとえば、Ensinger PE1000 UHMWPE は、非常に高い衝撃靱性、優れた耐摩耗性と耐磨耗性、高い滑り摩耗挙動、および優れた低温性能を備えています。一般的なパラメータは、約 700 MPa の引張弾性率、約 19 MPa の降伏強度、およびおよそ -260 度から +80 度の使用温度範囲です。

その材料の性質は、耐高温プラスチックの性質ではなく、耐摩耗性と耐衝撃性のエンジニアリングポリマーの性質です。 「UHMWPE は最も丈夫で耐摩耗性のある素材の 1 つです」とパーカー氏は言います。- 「PTFE よりも温度と耐薬品性が制限されており、往復運動や非常に遅い滑りの用途により適しています。摩擦係数は PTFE よりも高くなります。」 Trelleborg は主に、横荷重を吸収し、ピストンやロッドをガイドし、金属同士の接触を防ぐ油圧シリンダのガイド リングやウェア リングとして使用する UHMWPE を販売しています。-

言い換えれば、UHMWPE は耐摩耗性、誘導性、低温での靭性、およびゆっくりとした滑り動作を考慮して設計されており、高温または化学的に過酷な状況で PTFE と競合することはありません。 UHMWPE は、PTFE の低コスト代替品として誤って使用されることがよくあります。ただし、これらの材料の用途は根本的に異なります。 PTFE は極度の耐薬品性、高温、超低摩擦を目的に設計されているのに対し、UHMWPE は耐摩耗性、耐衝撃性、低温耐久性を目的に設計されています。

3. PEEK PEEK は、どちらかというとシーリング システムに使用される構造材料です。 Victrex データによると、PEEK は高温耐性、幅広い耐薬品性、高い機械的強度、優れた寸法安定性、耐加水分解性、耐摩耗性を備えています。たとえば、通常の 450G グレードの引張弾性率は約 4.0 GPa、引張強度は約 98 MPa、連続使用温度は最大 260 度です。

PEEK がソフトコンタクト シーリング材料ではなく、高弾性率の構造ポリマーであることは明らかです。{0}{1}これは主に、バックアップ リング、はみ出し防止コンポーネント、ガイド要素、耐荷重構造部品としてシーリング用途に使用されています。- Trelleborg は、PEEK をガイダンスおよび摩耗用途向けの高弾性エンジニアリング プラスチックとして定義しています。 PEEK バックアップ リングは、高圧下での O- リングまたは X- リングのはみ出しを防止することを目的としています。

PEEK は、耐圧性、ギャップ管理、耐荷重性、寸法安定性の限界を高める力が高く評価されています。ただし、PEEK は万能のシール材ではありません。かなりの変形追従性や公差吸収を必要とする用途にはあまり適していません。摩擦係数は PTFE よりも高いです。-したがって、PEEK は主要なシール要素としてではなく、主に構造/抗押出材料としてみなされるべきです。-

4.PU(TPU)
ポリウレタン (シーリング用途では TPU として知られることが多い) は、一般に油圧動的シーリングの標準材料とみなされます。パーカー氏によれば、TPU は、その卓越した耐摩耗性、熱安定性、耐加水分解性、圧縮永久歪み性能、弾性回復力において、流体動力システムにおいて長年確立されているベンチマークです。-コベストロは、その強力な耐摩耗性、広い柔軟性範囲、優れた弾性、潤滑剤や特定の溶剤に対する良好な耐性に注目しています。

これにより、TPU はエラストマーとエンジニアリング プラスチックの中間となります。優れた弾性、長い摩耗寿命、機械的耐久性を備えているため、高圧動油圧用途での使用に最適です。しかし、その強みは普遍的な耐薬品性や静的シール条件ではなく、動的な油圧シールにあります。

最大の誤解の 1 つは、TPU は素材の 1 つであるということです。そうではありません。 TPU の耐薬品性は、配合、硬度、温度、濃度、暴露時間に大きく依存します。 TPU は強酸や強アルカリによる攻撃を受けやすいです。芳香族炭化水素は膨潤を生じます。ケトンやエステルはかなりの膨潤を引き起こしますが、DMF、DMSO、NMP、THF などの溶媒はそれを溶解します。温度耐性も配合に依存し、MDI システムでは多くの場合約 100 度、PPDI システムでは最大約 135 度です。したがって、PU は固有の境界によって定義されるのではなく、システムに固有の定式化境界によって定義されます。

5. エラストマーとエンジニアリングプラスチックの工学的境界
エンジニアリング プラスチックとエラストマーを組み合わせた場合の基本的な限界は、さまざまな方法で理解できます。エラストマーは主に弾性回復に依存してシール力を生成しますが、PTFE、UHMWPE、PEEK などのエンジニアリング プラスチックは弾性変形に依存せず、代わりに低摩擦、耐摩耗性、耐薬品性、押出抵抗、寸法安定性に関する性能の限界を押し広げます。

PTFE の機能的役割は他の 3 つとは大きく異なります。PTFE は主に化学的、温度、摩擦の制限に使用されます。 UHMWPE は、耐摩耗性、ガイダンス、低温性能、ゆっくりとした滑りのために使用されます。- PEEK は耐荷重性、抗押出性、高圧構造安定性-に使用されます。- PU は、動的な油圧条件下での摩耗寿命の最適化に使用されます。実際には、最も優れたシーリング ソリューションは一般に、代替品ではなくハイブリッドです。たとえば、O- リングは予圧と初期接触力を提供し、PTFE スリーブは摩擦を低減して耐薬品性を高め、PEEK または充填 PTFE バックアップ リングは圧力下での押し出しを防ぎます。-

最も一般的なエンジニアリング上の間違いは、異なるシール装置間で材料を比較することです。 PTFE は高級なゴムではなく、PEEK は汎用プラスチックではなく、UHMWPE は PTFE の安価なバージョンではなく、PU は単なる NBR の硬質版ではありません。したがって、主要な破損モードが何であるかを知っていれば、材料の境界を見つけることができます。