Эластомерные и неэластомерные полимеры, используемые в вакуумных уплотнениях

В табл. 1 дано описание некоторых полимеров, широко используемых в вакуумных уплотнениях, наряду с некоторыми характеристиками каждого материала. Большинство перечисленных материалов являются эластомерами. Эластомеры - это резиноподобные вещества, стремящиеся сохранить свою первоначальную форму после деформации, хотя остается вероятность остаточных деформаций. ПТФЭ (политетрафторэтилен), ПХТФЭ (полихлортрифто- рэтилен) и полиимид эластомерами не являются, но они используются во многих малых клапанах в качестве уплотнений наконечника и корпуса. Шнур вакуумный уплотнительный является одним из уплотнений из эластомеров.

Таблица 1. Полимерные уплотнения с лучшими эксплуатационными характеристиками (рабочей температурой, ожидаемым сроком службы в установленном состоянии и прочностью на разрыв/сопротивлением истиранию)

Название полимера

Торговая марка

Максимальная Температура, С

Срок службы в установленном виде, лет*

Прочность на разрыв/сопротивление истиранию*

Нитрил (Буна-N)

 

85

от 1 до 5

Высокая

Бутил

 

85

от 5 до 10

Высокая

Этилен пропилен

 

100

от 5 до 10

Высокая

Полиуретан

 

90

от 5 до 10

Очень высокая

Фторэластомер

Viton®

150

от 15 до 20

Высокая

Перфторэластомер

Kalez® Chemraz®

250

от 15 до 20

Очень высокая

Силикон

Silastic®

230

от 15 до 20

Низкая

ПТФЭ"

Teflon®

280

Продолжительный

Очень высокая

ПХТФЭ

Kel-F®

200

Продолжительный

Очень высокая

Полнимид

Vespel®

250

Продолжительный

Очень высокая

Примечание: Права собственности на торговую марку :
Viton, Kalez, Teflon, Vespel и Kapton - это зарегистрированные торговые марки DuPont, Уилмингтон. Делавар 19898.
Fluorel и Kel-F - это зарегистрированные торговые марки ЗМ Со., Ст.Пол, Миннесота 55144.
Chemraz - это зарегистрированная торговая марка Greene, Tweed and Со, Inc., Кулпсвилль, Пенсильвания 19443.
Silastic - это зарегистрированная торговая марка Dow-Coming Согр., Мидлэнд, Мичиган 48686.
Envex - это зарегистрированная торговая марка Rogers Corporation, Литония, Джорджия 30058.
* Parker О-ring Handbook (Parker Seal Group, Lexington, KY, 1992).
* ПТФЭ следует использовать в холодном потоке газа при комнатной температуре, проблемы возможны при температурах выше 200 °С.

К сожалению, само наименование материала, находящегося в полимерном уплотнении, не является достаточным описанием для полной его характеристики. Рассмотрим фторэла- стомерный материал Viton®. Термин часто является общим для обозначения готовых эластомеров, хотя это название торговой марки смолы. Производитель уплотнений имеет много собственных формул для уплотнительных колец, которые отвечают требованиям определенной величины остаточных деформаций сжатия, твердости и иногда цвета. Для производства эластомеров под общим термином «витон», производитель может закупить смолу Viton® у компании DuPont или аналогичную смолу Flourel® [2] у компании ЗМ Со. Для улавливания фтористого водорода, выделяющегося во время полимеризации, добавляется оксид металла второй группы, наполнитель, например углеродная сажа или диатомитовая земля, для придания желаемой твердости и заданного уровня остаточных деформаций, а также отверждающее вещество для того, чтобы вызвать полимеризацию. Из-за различия состава материалов, используемых каждым производителем, уплотнения имеют различные свойства [3]. Ситуацию еще больше усложняет существование нескольких полимеров Viton®. В настоящее время в основном используется Viton-Е60С благодаря низкому уровню остаточных деформаций.
При выборе материала полимерного уплотнения для конкретного случая нужно учитывать следующие факторы.

  1. Температурные требования, включая требования для термической обработки системы.
  2. Спецификацию ресурса в установленном состоянии для надежного уплотнения.
  3. Специальное химическое воздействие, внутреннее или внешнее.
  4. Требования по сопротивлению истиранию/прочности на разрыв.
  5. Величину остаточной деформации сжатия.
  6. Проницаемость и характеристики газовыделения.
  7. Возможность повреждения посредством ядерного излучения.
  8. Наличие и стоимость.

Информация, приведенная в табл. 1, полезна при выборе эластомеров для уплотнений и силиконовой резины для вакуума на основании максимальной температуры, предлагаемого ресурса для надежного уплотнения и прочности на разрыв/сопротивления истиранию. Во многих случаях применения вакуума химическая стойкость при воздействии технологического газа не является самым критическим фактором в выборе эластомера. В ином случае следует обратиться к соответствующим источникам [3, 4].

Атмосферный озон часто является причиной растрескивания уплотнительного кольца. Нитрильный каучук ни в коем случае не должен использоваться рядом с аппаратурой высокого напряжения или источником ультрафиолетового света, и даже малые количества озона в атмосфере из-за солнечного света могут вызвать растрескивание находящегося под напряжением нитрильного каучука в течение менее чем одного года. Фтор-, перфтор-, уретановые и силиконовые эластомеры обладают стойкостью при воздействии озона.

усилие сжатия

Рис. 1. Определение усилия сжатия и остаточной деформации: а - уплотнительное кольцо малого диаметра с толщиной dв до приложения нагрузки; б - уплотнительное кольцо сжато до толщины d2; в - уплотнительное кольцо после снятия нагрузки, его толщина восстановилась до величины d3

 Усилие сжатия и остаточную деформацию сжатия можно определить, используя схемы на рис. 1. Усилие сжатия С (рис. 1, а и б):

$$C=(d_{1}-d_{2})/D_{1} \cdot 100%. (1)$$

Остаточная деформация при сжатии S определяется как

$$S=(d_{1}-d_{3})/(d_{1}-d_{2}) \cdot 100%. (2)$$

Процедура измерения остаточной деформации сжатия регламентирована стандартом ASTM D395-89, Метод В |5|. Этот стандарт предусматривает, чтобы в испытаниях остаточной деформации при сжатии использовалось уплотнительное кольцо 22214 (диаметр 1 дюйм, толщина 0,139 дюйма), усилие сжатия прикладывалось в течение 22 или 70 ч при заданной температуре, деформация составляла 25%. Остаточная деформация сжатия обычно увеличивается в зависимости от температуры и времени приложения усилия.

В большинстве стыков с эластомерами усилие для поддержания уплотнения обеспечивается упругими свойствами материала. Когда он сжат, это усилие уменьшается. Хотя такой стык может оставаться герметичным, если его не трогать, движение, возникающее в результате вибрации или температурных изменений, может вызвать в нем течь.

В табл. 2 приводится сравнение величин остаточной деформации сжатия нескольких материалов. Кратковременная остаточная деформация не представляет собой проблемы, когда эти эластомеры используются при температурах ниже максимальных температур, приведенных в табл. 1. Однако остаточная деформация сжатия может иметь серьезные последствия, когда уплотнение выдерживается в течение продолжительного времени при температурах, допускаемых в табл. 1.

В целом считается, что остаточная деформация сжатия становится больше по мере увеличения сжатия. Это означает, что желательно использовать минимальное сжатие, создающее надежное уплотнение.

Воздействие ядерного излучения, которое больше некоторой пороговой величины, вызывает увеличение твердости и остаточной деформации сжатия и уменьшение относительного удлинения. На рис. 2, где использованы данные Грина, Твида [6] для перфторэластомера и данные Ван де Вурда и Рестата (7) для других материалов, показаны воздействия гамма- излучения на группу полимеров. У таких материалов, как бутил, фторэластомер и ПТФЭ, снижаются физико-механические свойства, когда они подвергаются повреждению от излучения. Полиуретан и этилен пропилен - это лучшие из эластомеров, хотя разница составляет только приблизительно десятилетие между фторэластомером (низкие физико-механические характеристики) и полиуретаном (более высокие физико-механические характеристики).

Таблица 2. Остаточная деформация сжатия, %, для некоторых эластомеров при определенных температурах испытания

Эластомер

Время (часы)

Температура, °С

20

100

150

200

250

Нитрил*

 

22

-

24

42

100

100

70

 

 

 

 

 

Этилен пропилен*

 

22

-

8

22

47

100

70

 

 

 

 

 

Силикон*

 

22

 

4

6

25

80

70

 

 

 

 

 

Фторэластомер (Viton® Е-60С)**

 

70

-

-

6

25

70

70

 

 

 

 

 

Перфторэластомер

 

(Kalez® 4079)***

 

(Chemraz® 505)*

70

12

 

 

 

 

 

 

 

-

32

-

70

19

-

-

25

-

 

Примечание: испытания уплотнительных колец 2-214 размером 1,0 дюйм х 0,139 дюйма и первичном сжатии на 25% проведены в соответствии с ASTM В-395 В.
* О-ring Handbook (Prtecision Rubber Production Corp., Lebanon, TN, 1984).
** Viton E-60C Data Sheet V-D-3-101 (DuPont Corp, Wilmington, DE.)
*** Kalez Data Sheet 21611 IB (DuPont Corp, Wilmington, DE, 1992).

радиационное разрушение

Рис. 2. Радиационное разрушение полимеров в зависимости от гамма-излучения

Газовыделение и проницаемость полимеров, используемых в уплотнениях

Уплотнительные кольца представляют собой значительный источник газов в вакуумной системе. Часть газа вызывается газовыделением, и эту часть можно сократить посредством термической обработки. На рис. 3 показана скорость газовыделения как функция времени после начала откачки для нескольких распространенных полимеров. Данные приведены из работ Дейтона [8], Хейта [9] и Тима [10]. Другим источником газа являются течи через уплотнение. Количество газа в единицу времени, просачивающееся через блок материала площадью А и толщиной d, когда давление газа равняется р1 снаружи и р2 изнутри, выражается следующим уравнением:

$$Q=KA(P_{1}-P_{2})/d, (3)$$

где К - это постоянная проницаемости.

Если А выражено в квадратных сантиметрах, d в сантиметрах, давление в мм рт. ст., время в секундах, a Q в см3 • с-1, тогда К будет измеряться в см3 • с-1 • см-2 • см • мм рт. ст.-1.

В табл. 3 содержатся значения А"для группы эластомеров и распространенных газов. В некоторых случаях дается диапазон значений, поскольку данные, которые можно найти в литературе, не являются последовательными. Значения могут иметь разброс из-за экспериментальной погрешности или из-за того, что образцы были разными. Однако таблица позволяет сравнить проницаемость этих полимеров. Проницаемость является умеренной для фтор и бутил эластомеров и значительно больше для нитрильных и особенно для силиконовых каучуков. Преимущество ПХТФЭ в малых клапанах, используемых для обработки газа, очевидно.

скорость газовыделения

Рис. 3. Скорости газовыделения при комнатной температуре для некоторых полимеров, широко используемых в вакуумных уплотнениях. Нанесенные на график данные взяты из литературы. Образцы полимеров первоначально проходили процесс газовыделения в вакууме, затем были подвергнуты действию воздуха помещения. Кривые показывают скорости газовыделения как функцию времени в течение последующей откачки. Скорости уменьшаются на один-два порядка в течение интервала от 1 до 10 ч, однако умеренная термообработка вызывает тридцатикратное уменьшение, как показывает сравнение с двумя кривыми фторэластомера

Проницаемость атмосферных газов часто определяет базовое давление вакуумной системы, в которой используются полимерные уплотнения. В качестве примера, показывающего значение проницаемости, рассмотрим систему из коррозионностойкой стали с площадью внутренней поверхности 1 м2, имеющую пять фторэластомерных уплотнительных колец диа-метром 8 дюймов и номинальным поперечным сечением 1/8 дюйма. Пусть эффективная быстрота откачки остаточных газов будет составлять 100 л/с. Расчет для определения порядка цифр даст ориентировочное значение давления через 10 ч после термической обработки при 150 °С. Скорость газовыделения фторэластомера, используемого в качестве уплотнения, в атмосферу при данных допущениях составляет 10-8 мм рт. ст. • л с-1 • см-2, по данным де Чернатони (11) и Дейтона [8, 12]. Скорость газовыделения термически обработанной коррозионно- стойкой стали, по Янгу [ 13], может быть принята равной 10-12 мм рт. ст. • л • с-1 см-2. Площадь поверхности уплотнительных колец составляет приблизительно 3,5 • 10-6 см2, так что общая газовая нагрузка, связанная с этими уплотнениями, составляет 3,5 • 10-6 мм рт. ст. • л • с-1. Газовая нагрузка, связанная с коррозионностойкой сталью, составляет 10-8 мм рт. ст. • л • с-1. Равновесное давление - P=Q/S. Доля, вносимая в общее давление газовыделением из уплотнений, равняется 3,5 • 10-8 мм рт. ст., в то время как доля, вносимая всей поверхностью камеры, составляет только 10-10 мм рт. ст. Если система была бы изготовлена с помощью металлических уплотнений, тогда газовая нагрузка, связанная с уплотнениями, была бы незначительной, а предельное давление составляло бы приблизительно 10~ш мм рт. ст. Очевидно, что эластомерные уплотнения часто являются ограничительным фактором в определении предельного остаточного давления вакуумной системы.

Таблица 3. Постоянная проницаемости К\ для распространенных полимеров уплотнений и нескольких газов для температур в диапазоне 20—30 °С

 

Полимер

К - 1010

Не

N2

CO2

H2O

Нитрил (Буна-N)2-3

1.0

0,024

0,75

100

Бутил2-3-4

0,86

0,032

0,52

4-20

Этилен пропилен2-3-5-6

2,6-3,9

0,44

0,92

7-70

Полиуретан2-3

0,47

0,049

1,4-4,0

35-1,250

Фторэластомер2-3-5-7-8

1,2-2,3

0,03-0,07

0,3-0.8

5,2

Перфторэластомер Kalez9

Chemraz10

11,2

14,3

 0,30

0,88

 2,5

-

 

 

-

Силикон 2-3-5- 11

31-33

10-16

60-300

400-1 000

ПТФЭ (Teflon)2-3-12

6,8

0,14-0,32

1,2

3,6

ПХТФЭ (Kel-F)13

0.22

0,0005

0,014

0,01

Полиимид (Kapton)8

0,25

0,0039

0,26

-

1 Единицы измерения: ста. см3v• с-1 • см-2 • мм рт. ст.-1
2 Parker О-ring Handbook (Parker Seal Group, Lexington, KY, 1992).
3 A. Leibovitz, Modern Plastic. 43 (1966), 139.
4J. E. Ayer, D. R Schmitt, and R. M. Mayfield. J. Polimer Sci, 3 (1960) I.
5 H.-P. Weise, К. H. Ecker. H. Kowalewsky, and Th. Wolk. Vuoto, 20 (1990) 225.
6 A. W. Myers, J. A. Myer, С. E. Rogers, V. Stannet, and M. Swarc. Tappi, 44 (1961) 58.
7 L. Laurenson, and T. M. Dennis. J. Vac. Sci, A3 (1985) 1707.
8 W. G. Perkins. J. Vac. Sci. Techol., 10 (1973) 543.
9 KALREZ Data Sheet 2I3509C, DuPont Corp. Wilmington, DE, 1994.
10 CHEMRAZ WSP 789, Greene, Tweed & Co, Kulpsville, PA, 1989.
11 J. A. Barrie, in Diffusion in Polymers, J. Crank and G. S. Park, eds (Academic Press, New York, 1968
12 R. A. Pasternak, M. V. Christensen, J. Heller. Macromolecules, 3 (1970) 366.
13 K.EL-F 81 Plastic Data Sheet, 3M Industrial Products Div., St. Paul, MN, 1989.

Проницаемость является важным фактором в другом конкретном случае: когда используется детектор течей спектрометра с гелием в качестве поискового газа для проверки стыков с полимерными уплотнениями и когда проницаемость может вызвать ложные сигналы. После того, как уплотнительное кольцо будет находиться под действием гелия в течение приблизительно одной минуты, будет видно, как малый сигнал начнет быстро увеличиваться. Еще один расчет для определения порядка цифр позволит проверить, что следует ожидать сигнал проницаемости гелия. Рассмотрим уплотнительное кольцо из фторэластомера диаметром 100 мм и поперечным сечением 3,5 мм (0,139 дюйма). Предположим, что эффективная толщина равняется 3,0 мм, и что '/ площади находится под действием гелия при атмосферном давлении. Из табл. 3 постоянная проницаемости для гелия равняется приблизительно 2 • 10-10 см3 • с-1 см-2• см • мм рт. ст.-1. Тогда равновесная скорость проницания составляет 4 • 10-6 стд. см3 • сек-1. Это большая течь.

Будучи насыщенным гелием, полимерное уплотнение продолжает выделять газ в течение продолжительного времени, вызывая изменяющийся высокий фон, который затрудняет проведение дальнейших испытаний на утечки. По этой причине желательно конструировать детекторы течей без уплотнений из эластомера в критических зонах, где масс-анализатор будет находиться под действием выделившегося газа.

Загрязнение частицами представляет собой серьезную проблему в производстве интегрированных схем. Уплотнительные кольца, подверженные трению в динамических уплотнениях, могут образовывать частицы. Возможно, что источником этих частиц являются наполнители, использованные при приготовлении составов. Средства уменьшения количества частиц, образующихся в уплотнениях, рассматриваются Де Лаурентисом, By, Зальфельдером и Урицким (14).

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.