Газовыделение эластомеров и пластмасс

Экспериментально установлено [2], что скорость газовыделения эластомеров и пластмасс после удаления летучего органического вещества (пластификатора) определяется главным образом диффузией поглощенных молекул газа и воды из внутренних слоев материала к открытой поверхности, где молекулы могут выделяться непосредственно из открытых пор или перемещаться посредством поверхностной диффузии в участки адсорбции на открытой поверхности, с которой они вскоре испаряются. Молекулы азота и кислорода, первоначально поглощенные на непосредственно открытой поверхности, десорбируются в течение менее чем 1 с при комнатной температуре, так как энергия адсорбции на эластомерах и пластмассах составляет менее 10 ккал/моль. Аналогичным образом, молекулы воды на открытой поверхности десорбируются быстро из большинства эластомеров и пластмасс (но не из силиконовых эластомеров). Однако молекулы воздуха и воды, растворившиеся в объемном материале посредством диффузии через капиллярные поры до испарения, удаляются весьма медленно при комнатной температуре из-за малого диаметра капилляров и «процесса случайного блуждания», который представляет собой природу диффузии вдоль капиллярной поры.

Диффузия газа в твердом веществе подчиняется закону Фика [8]

$$\frac{d}{dx}(D_{1}\frac{dC}{dx}) + \frac{d}{dy}(D_{2}\frac{dC}{dy}) + \frac{d}{dz}(D_{3}\frac{dC}{dz}) = \frac{dC}{dt} (35)$$

где С - концентрация (количество молекул в кубическом сантиметре) газа в твердом веществе в точке (х, у, z); D1, D2 и D3 - это коэффициенты диффузии, см2 * с-1, значения которых могут колебаться в зависимости от точки нахождения (х, у, z) и направления градиента концентрации; t - это время, с.

Материал в форме листа толщиной wm можно считать полубесконечной твердой поверхностью с равномерной концентрацией Q при времени нуль и постоянном коэффициенте диффузии Dm для n-ого газа. Когда открытая поверхность внезапно подвергается очень низкому давлению посредством быстрой откачки вакуумной камеры, содержащей материал, распределение концентрации вдоль оси х, перпендикулярной поверхности, в момент времени /. можно выразить следующим образом:

$$C(x, t)=C_{0}erf[x/2(D_{nm}t)^{1/2}], (36)$$

где erf является погрешностью, которая приводится в таблицах в различных математических справочниках [9].

Для молекул газа, которые адсорбируются на стенках капиллярных пор в твердом веществе со сроком адсорбции та и диффундируют по капилляру посредством десорбции, после чего следует столкновение со стенкой и реадсорбиия, коэффициент диффузии приблизительно выражается [2]:

$$D_{nm}=(\lambda^{2}/4)/[\lambda/u_{nm}) + \tau_{a}], (37)$$

где X - среднее расстояние в направлении х, преодолеваемое молекулой между столкновениями со стенкой капилляра, см; — средняя молекулярная скорость при температуре Тm твердого вещества.

Свободная скорость газовыделения (молекулы с-1*см-2) тогда выражается следующим образом:

$$N(t)= D_{nm}[ \delta C(x,t)/\delta x]_{x=0}, (38)$$

где градиент концентрации оценивается как х = 0, что соответствует площади открытой поверхности и t > πλ2/16Dnm. Подстановка уравнения (36) в уравнении (38) дает:

$$N(t)=C_{0}(D_{nm}/ \pit)^{1/2} (39)$$

и тогда свободная скорость газовыделения (мм рт. ст,*л с-1*см-2) равняется

K_{th}=(R_{v}T/60N_{a})C_{0}(D_{nm}/ \pi t_{h})^{1/2}, (40)$$

где Rv = 62,36 мм рт. ст. *л * К-1 - молярная газовая постоянная в вакуумных технических единицах; Т - абсолютная температура газа в вакуумной камере, Nа = 6,02*1023 - число Авогадро (число молекул в одном моле газа); th - время, которое не может быть меньше (πλ2/16Dnm)/3600, ч.

Таким образом, эластомеры и пластмассы, скорость газовыделения которых контролируется диффузией одного типа молекул с сроком адсорбции тц, величина а в уравнении (2) составляет приблизительно 'А, а свободная скорость газовыделения в течение 1 ч зависит от первоначальной молекулярной концентрации С0 в соответствии с выражением

$$K_{th}=(R_{v}T/60N_{a})C_{0}(D_{nm}/ \pi t_{h})^{1/2}C_{0} (41)$$

где коэффициент диффузии колеблется в зависимости от абсолютной температуры, Тт, твердого вещества в соответствии со следующим

$$D_{nm} = d_{nm}exp(-H_{nm}/jRT_{m}). (42)$$

Значения коэффициента диффузии для газов, диффундирующих через неметаллические материалы, приводятся в табл. 5, а значения постоянных dlun и Н— в табл. 3. Коэффициент растворимости (см3/(см3* мм рт. ст.-1)) для n-ого газа в m-ом материале при температуре Тm выражается следующим уравнением:

$$s_{nm}=0.1(a_{nm}/d_{nm})exp[-(E_{nm} - H_{nm})/jRT_{m}] (43)$$

так как можно доказать что

$$U_{nm}=10s_{nm}D_{nm} (44)$$

Первоначальная молекулярная концентрация газа С0 (молекул/см3) в уравнении (41) будет представлять собой сумму концентраций газов в силу их растворения в материале во время воздействия атмосферы. Если время воздействия продолжительное, так что равновесие достигается при преобладающей температуре, концентрация n-ого газа будет составлять:

$$C_{n0}=(760/273) \cdot 10^{-3}(N_{2}/R_{v})s_{n0}P^{1/j}_{n0}, (45)$$

где sn0 - это величина коэффициента растворимости snm для n-ого газа при первоначальном давлении рn0 и температуре T= Т0.

Таблица 5. Коэффициенты диффузии газов в неметаллических материалах

Материал

Газ

Температура, °С

 Dnm, см2

Неоприн

H2

27

1,8*10-6

Неоприн

N2

27

1,9*10-7

Пербунан

H2

25

4,1*10-6

Пербунан

N2

25

2,5*10-7

Пирекс

Не

20

4,5*10-11

Каучук (вулканизированный)

H2

25

8,5*10-6

Каучук (вулканизированный)

N2

25

1,5*10-6

Каучук (вулканизированный)

O2

25

2,1*10-6

Каучук (вулканизированный)

CO2

25

1,1*10-6

Таблица 6. Коэффициенты растворимости наиболее распространенных газов в типичных материалах вакуумных камер

Материалы

Газ

Температура,°С

snm/(см3/(см3 * мм рт. ст-1)

Железо (а)

Н2

300

2,9 * 10-4

Неоприн G

H2

25

3,8 * 10-5

Неоприн G

N2

25

4,7 * 10-5

Неоприн G

O2

25

9,9 *10-5

Неоприн

А

36

2.0 * 10-4

Пербунан

Н2

25

3,7 * 10-5

Пербунан

N2

25

4.6 * 10-5

Пербунан

O2

25

1.0 * 10-4

Пирекс

Не

500

1,1 * 10-5

Каучук (натуральный)

N2

25

6,8 * 10-5

Каучук (натуральный)

O2

25

1,3 * 10-4

Конечно, кроме атмосферных газов, растворенных в твердом эластомере или пластмассе, обычно будет присутствовать некоторое количество остаточного пластификатора, но давление паров пластификатора может быть таким низким, что скорость газовыделения определяется главным образом содержанием растворенных газов. В табл. 6 приводятся значения коэффициентов растворимости распространенных газов в типичных твердых веществах. Не нужно забывать, что и вакуумные шланги подвержены этим процессам. Поскольку эксперименты показали [2], что вероятность сорбции е„т для распространенных газов, сталкивающихся с открытой поверхностью эластомера и диффундирующих на некоторое расстояние через вход в открытую капиллярную пору, составляет менее 10-7 так что представляет собой незначительную величину, которой можно пренебречь по сравнению с Sn когда Sr/Am > 10-4, тогда Kfl приблизительно равняется чистой скорости газовыделения из эластомеров в большинстве систем.

Уравнение (39) должно быть справедливым до тех пор, пока th > thm:

$$t_{hm}=[ \pi(w_{m}/20)^{2}/16D_{nm}]/7200, (46)$$

где wm - это толщина листа эластомера, находящегося под воздействием вакуума с обеих сторон, мм [2].

Когда th > fhm, скорость газовыделения должна спадать относительно экспоненциально в зависимости от времени откачки по мере того, как содержание газа в эластомере уменьшается более чем наполовину.

Для того что бы узнать какая силиконовая резина для вакуума подходит к Вашим условиям свяжитесь с нашими специалистами через сайт или по телефону.

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.