Comprender los límites de los materiales de sellado sin-elastómeros

La verdadera frontera en la técnica de sellado es, de hecho, la frontera de los mecanismos de sellado. La fuerza de sellado inicial de los sellos elastoméricos depende principalmente de la recuperación elástica después de la compresión, y la presión media aumentará aún más la tensión de contacto. Si la deformación por compresión se vuelve demasiado grande y el material pierde su memoria elástica, el sello fallará. Por el contrario, los polímeros técnicos como PTFE, UHMWPE y PEEK tienen una recuperación elástica fundamentalmente baja y el PTFE en particular muestra una considerable fluencia en frío o fluencia. Por lo tanto, estos materiales no funcionan "retrocediendo como el caucho", sino según el diseño geométrico, la precarga, la activación por presión, los resortes o la energización de la junta tórica para lograr un rendimiento de sellado. Esto define el límite central de los materiales de sellado sin elastómeros: la pregunta clave no es qué tan fuerte es el material, sino qué papel desempeña en el sistema -, ya sea que proporcione compensación elástica o si proporcione funciones como baja fricción, resistencia al desgaste, resistencia química, resistencia a la extrusión o soporte de carga. El primero se encuentra en los elastómeros y el segundo es la razón por la que los plásticos de ingeniería encuentran su camino en las aplicaciones de sellado.

1. PTFE El PTFE no debe considerarse simplemente como un "plástico-de alta gama", sino como una sustancia que supera simultáneamente tres límites importantes: resistencia química, resistencia a la temperatura y baja fricción. Los estudios de AGC muestran que tiene un rango de temperatura de servicio normal de alrededor de -180 grados a +260 grados y es químicamente inerte a prácticamente todos los medios. El coeficiente de fricción por deslizamiento en seco del PTFE sobre acero es de aproximadamente 0,10 según los datos de Parker, que es mucho más bajo que el UHMWPE (~0,25) y el PEEK virgen (~0,35). Esto significa que el PTFE supera efectivamente el límite superior de rendimiento de los sellos basados ​​en elastómeros-en situaciones dinámicas de alta temperatura, severamente corrosivas y de baja fricción.

Pero sus deficiencias son igualmente significativas. Parker dice que el PTFE virgen tiene mucha fluencia a temperatura ambiente con una carga constante y esencialmente no tiene recuperación elástica. La fricción es muy baja pero la resistencia al desgaste es bastante pobre. Por lo tanto, no es correcto considerar el PTFE como un caucho de alta temperatura o como un equivalente duro de las juntas tóricas elastoméricas. Un error típico de ingeniería es combinar la fricción reducida con la capacidad de proporcionar un sello elástico estable. Por lo tanto, el PTFE rara vez se utiliza solo en aplicaciones reales. Una forma es cambiar el relleno utilizando materiales como fibra de vidrio, fibra de carbono, grafito o bronce para mejorar la resistencia a la fluencia, la resistencia al desgaste, la resistencia a la compresión y la capacidad anti-extrusión. Un método diferente es el empleo de estructuras de sellado energizadas, como sellos energizados por resorte-o diseños energizados por elastómero-, donde los resortes o las juntas tóricas compensan el contacto de baja-presión y la deformación a largo plazo-.

Desde un punto de vista de ingeniería, el PTFE debe considerarse como un material que supera los límites de compatibilidad de medios, temperatura y fricción, y no como un material que proporciona compensación geométrica o elástica. Es más adecuado para situaciones de alta temperatura, exposición a productos químicos agresivos o movimiento dinámico con poca fricción. Sin embargo, no es la mejor opción si el requisito principal es un gran cumplimiento de deformaciones o una recuperación elástica a largo plazo.

2. UHMW-PE
El UHMWPE representa un límite material completamente distinto en comparación con el PTFE. Por ejemplo, Ensinger PE1000 tiene una tenacidad al impacto muy alta, buena resistencia al desgaste y a la abrasión, un potente comportamiento de desgaste por deslizamiento y un rendimiento superior a bajas temperaturas. Los parámetros típicos son un módulo de tracción de aproximadamente 700 MPa, un límite elástico de aproximadamente 19 MPa y una temperatura de servicio de alrededor de -260 grados a +80 grados.

No es un plástico resistente a altas temperaturas en su naturaleza material, sino un polímero técnico resistente al desgaste y a los impactos. Parker afirma que "el UHMWPE es uno de los materiales más duros y resistentes al desgaste, pero tiene una resistencia química y a la temperatura más limitada que el PTFE y es más adecuado para aplicaciones alternativas o de deslizamiento muy lento con un mayor coeficiente de fricción que el PTFE. La principal oferta de UHMWPE de Trelleborg es como material para anillos guía y anillos de desgaste en cilindros hidráulicos, donde absorbe cargas laterales, guía pistones o varillas y elimina el contacto metal-con-.

En otras palabras, el UHMWPE está diseñado para ser resistente al desgaste, guía, tenacidad a bajas temperaturas y movimiento de deslizamiento lento, no para competir con el PTFE en entornos de alta temperatura o químicamente agresivos. A menudo se piensa que el UHMWPE es un sustituto barato del PTFE, pero en realidad sus funciones son fundamentalmente diferentes. El PTFE está diseñado para una resistencia química extrema, altas temperaturas y una fricción ultra-baja, mientras que el UHMWPE está diseñado para una resistencia al desgaste, resistencia al impacto y tenacidad a bajas temperaturas.

3. PEEK PEEK es un material más estructural en sistemas de sellado. Los datos de Victrex dicen que PEEK tiene capacidad para altas temperaturas, amplia resistencia química, alta resistencia mecánica, excelente estabilidad dimensional, resistencia a la hidrólisis y resistencia al desgaste. El grado típico 450G, por ejemplo, tiene un módulo de tracción de aproximadamente 4,0 GPa, una resistencia a la tracción de aproximadamente 98 MPa y temperaturas de servicio continuo de hasta 260 grados.

Definitivamente, PEEK no es un material de sellado de contacto-suave, sino un polímero estructural de alto módulo. Se utiliza principalmente en aplicaciones de sellado como-anillos de respaldo, dispositivos anti-extrusión, elementos guía y componentes estructurales que soportan carga. Para aplicaciones de guiado y desgaste, Trelleborg clasifica el PEEK como un plástico de ingeniería de alto módulo. Los anillos de respaldo PEEK-están especialmente desarrollados para evitar la extrusión de juntas tóricas o X-rings bajo alta presión.

La ventaja del PEEK es que amplía los límites de resistencia a la presión, control de espacios, capacidad de carga y estabilidad dimensional. Pero PEEK no es un material de sellado de aplicación universal. No es ideal para aplicaciones de absorción de tolerancias o cumplimiento de grandes deformaciones y tiene un mayor coeficiente de fricción que el PTFE. Por lo tanto, se recomienda considerar el PEEK como un material estructural y anti-extrusión, pero no como un elemento clave de sellado.

4. TPU (PU)
El poliuretano a menudo se denomina TPU en aplicaciones de sellado y es un material estándar en el sellado dinámico hidráulico. Parker TPU ha sido el punto de referencia en sistemas de energía hidráulica durante mucho tiempo, ofreciendo una excepcional resistencia al desgaste, estabilidad térmica, resistencia a la hidrólisis, rendimiento de compresión y recuperación elástica. Covestro destaca también su gran resistencia a la abrasión, amplio rango de flexibilidad, alta elasticidad y buena resistencia a aceites y determinados disolventes.

Esto coloca al TPU en una posición intermedia entre los elastómeros y los plásticos de ingeniería. Tiene una elasticidad excelente y mejora en gran medida la vida útil y la durabilidad mecánica, especialmente para aplicaciones hidráulicas dinámicas de alta-presión. Pero su verdadera fortaleza está específicamente en el sellado hidráulico dinámico, no en la resistencia química universal o en las condiciones de sellado estático.

Uno de los conceptos erróneos más comunes es pensar en un TPU como un material único y homogéneo, ya que su resistencia química depende en gran medida de la formulación, dureza, temperatura, concentración y período de exposición. Los ácidos y álcalis fuertes atacarán el TPU, los hidrocarburos aromáticos harán que se hinche, las cetonas y los ésteres causarán un hinchamiento considerable, y el DMF, DMSO, NMP y THF son solventes para el TPU. La formulación también desempeña un papel en la resistencia a la temperatura. Los sistemas basados ​​en MDI normalmente están a 100 grados, mientras que los sistemas basados ​​en PPDI están alrededor de 135 grados. Por lo tanto, PU no está determinado por un límite constante, sino por límites de formulación dependientes del sistema.

5. Límite de ingeniería entre elastómeros y plásticos de ingeniería
La barrera subyacente entre los plásticos de ingeniería y los elastómeros se puede entender de varias maneras. Los elastómeros son los principales responsables de la fuerza de sellado a través de la recuperación elástica, mientras que los plásticos de ingeniería como PTFE, UHMWPE y PEEK no dependen de la deformación elástica, sino que superan los límites de rendimiento con baja fricción, resistencia al desgaste, resistencia química, resistencia a la extrusión y estabilidad dimensional.

Sus roles funcionales están bien diferenciados. El PTFE se ocupa principalmente de los límites químicos, de temperatura y de fricción. UHMWPE se ocupa de la resistencia al desgaste, la guía, el rendimiento a bajas temperaturas y el deslizamiento lento. PEEK se utiliza para soportar cargas, anti-extrusión y estabilidad estructural a alta presión. El PU está optimizado para una vida útil bajo condiciones hidráulicas dinámicas. En la práctica, las mejores soluciones de sellado no suelen ser los sistemas de sustitución, sino los sistemas híbridos. Por ejemplo, una junta tórica proporciona precarga y fuerza de contacto inicial, una funda de PTFE proporciona una fricción reducida y una resistencia química mejorada, y un anillo de respaldo de PEEK o PTFE relleno-inhibe la extrusión bajo presión.

El error de ingeniería más común es comparar materiales para diferentes métodos de sellado. El PTFE no es un caucho-de alta gama, el PEEK no es un plástico universal, el UHMWPE no es un PTFE barato y el PU no es solo un NBR más duro. Una vez que se reconoce el modo de falla dominante, el límite material es evidente.