Совместимость материалов: коэффициент набухания FKM в синтетических компрессорных маслах

Введение

Ваши высококачественные уплотнения из FKM преждевременно выходят из строя, и вы не можете понять, почему. 🔍 Уплотнения выглядят разбухшими, мягкими и теряют свою уплотняющую способность в течение нескольких месяцев, а не служат годами. Причина не в дефектах уплотнений, а в химической несовместимости между вашими фторэластомер¹ уплотнения и синтетическое компрессорное масло, смазывающее вашу пневматическую систему.

Скорость набухания FKM (фторэластомера) в синтетических компрессорных маслах значительно варьируется в зависимости от химического состава масла, причем полиальфаолефин (PAO)² масла, вызывающие набухание объема 2-8% (приемлемо), масла на основе полиалкиленгликоля (PAG), вызывающие набухание 8-15% (предельно допустимо), и некоторые синтетические масла на основе эфиров, вызывающие набухание 15-30% (неприемлемо), что разрушает геометрию уплотнения и уплотняющую силу. Испытания на совместимость материалов в соответствии с ASTM D471³ необходимо перед тем, как выбрать уплотнения из FKM для маслосмазываемых пневматических систем, так как чрезмерное разбухание приводит к выдавливанию уплотнения, снижению сжатия и преждевременному выходу из строя, независимо от качества уплотнения.

В прошлом месяце я получил тревожный звонок от Дэвида, инженера по надежности в компании-производителе автомобильных запчастей в Мичигане. Его предприятие недавно перешло на новое синтетическое масло для компрессоров, чтобы повысить энергоэффективность и увеличить интервалы между техническими обслуживаниями. В течение 6 месяцев уплотнения из FKM в их пневматических цилиндрах без штока начали выходить из строя в 10 раз чаще, чем обычно. Уплотнения не изнашивались — они настолько разбухали, что теряли сжатие и начинали выдавливаться из пазов. Мы протестировали его новое масло на наших уплотнительных смесях и обнаружили объемное набухание 18-22% — намного превышающее максимальное значение 10% для надежного уплотнения. Мы переработали его систему с использованием гидрогенизированных нитрильных (HNBR) уплотнений, совместимых с химическим составом его масла, и теперь он вернулся к нормальному сроку службы уплотнений в 3-5 лет.

Оглавление

• Почему FKM разбухает в синтетических маслах и что считается допустимым?
• Какие типы синтетических масел вызывают наибольшее набухание FKM?
• Как проверить совместимость материалов до выхода системы из строя?
• Какие альтернативные уплотнительные материалы лучше подходят для проблемных масел?

Почему FKM разбухает в синтетических маслах и что считается допустимым?

Увеличение объема не всегда плохо, но его избыток снижает производительность. 📊

Разбухание FKM происходит, когда молекулы синтетического масла проникают в полимерную матрицу, раздвигая полимерные цепи и увеличивая объем материала. Контролируемое разбухание 2-10% является приемлемым и может даже улучшить уплотнение за счет поддержания контактного давления, но разбухание, превышающее 15%, вызывает деформацию размеров, снижение твердости (20-30 Берег А⁴ потеря), уменьшение набор для сжатия⁵ сопротивление и потенциальное выдавливание уплотнения из пазов. Степень набухания зависит от содержания фтора в FKM (чем выше содержание фтора, тем выше сопротивление), полярности масла (полярные масла вызывают большее набухание), температуры (каждое повышение температуры на 10 °C удваивает скорость проникновения) и времени воздействия (равновесие достигается через 72–168 часов при рабочей температуре).

Механизм набухания

На молекулярном уровне эластомеры представляют собой сети длинных полимерных цепей, скрепленных между собой поперечными связями. При воздействии масел мелкие молекулы масла могут проникать между полимерными цепями. Если масло химически сходно с полимером (совместимо), проникновение происходит в минимальном объеме. Если масло химически отличается от полимера, но может растворяться в полимерной матрице, возникает значительное набухание.

Полимеры FKM (фторэластомеры) содержат атомы фтора, которые делают их устойчивыми к большинству нефтяных масел. Однако синтетические масла с различной химической структурой могут по-разному взаимодействовать с фторированным полимерным остовом.

Приемлемый и проблемный диапазоны волнения

Ускорение температуры

Скорость набухания увеличивается экспоненциально с ростом температуры. Уплотнение, демонстрирующее набухание 8% при 23 °C, может проявить набухание 15-18% при 80 °C в том же масле. Именно поэтому испытания на совместимость должны проводиться при фактических рабочих температурах, а не только при комнатной температуре.

Влияние температуры на скорость набухания:

• 23 °C (комнатная температура): базовая скорость набухания
• 40 °C: 1,5–2 раза выше базового уровня
• 60 °C: 2,5–3 раза выше базового уровня
• 80 °C: 4–5 раз выше базового уровня
• 100 °C: 6–8 раз выше базового уровня

Последствия в реальном мире

В компании Bepto мы проанализировали сотни неисправных уплотнений из маслосмазываемых пневматических систем. Чрезмерное разбухание приводит к предсказуемым типам отказов:

Экструзия уплотнений: Разбухшие уплотнения становятся слишком большими для своих пазов и выдавливаются в зазоры, что приводит к разрывам и быстрой поломке.

Потеря компрессии: По мере разбухания и размягчения уплотнения теряют силу сжатия, необходимую для поддержания контактного давления на уплотняемых поверхностях.

Постоянная установка: Разбухшие уплотнения приобретают постоянную деформацию и не возвращаются к исходным размерам даже после прекращения воздействия масла.

Ускоренный износ: Размягченный уплотнительный материал быстрее изнашивается под воздействием трения, что сокращает срок службы на 60-80%.

Какие типы синтетических масел вызывают наибольшее набухание FKM?

Не все синтетические масла одинаковы с точки зрения совместимости с FKM. 🧪

Синтетические масла на основе полиальфаолефина (PAO) вызывают минимальное набухание FKM (типично 2-6%) благодаря своей углеводородной структуре, схожей с минеральными маслами, что делает их наиболее безопасным выбором для уплотнений из FKM. Масла на основе полиалкиленгликоля (PAG) вызывают умеренное набухание (8-15%) и требуют тщательного тестирования. Синтетические масла на основе эфиров, включая диэфиры, полиолэфиры и фосфатные эфиры, вызывают сильное набухание FKM (15-35%) и, как правило, несовместимы. Пакеты присадок к маслу, содержащие полярные соединения, могут увеличить набухание еще на 3-8% сверх эффекта базового масла, что делает необходимым проведение фактических испытаний на совместимость с полностью сформулированным маслом.

Сравнение химического состава синтетических масел

Почему масла PAO работают лучше всего

Синтетические масла PAO производятся путем полимеризации альфа-олефинов (производных этилена) в более крупные молекулы углеводородов. Полученная структура химически схожа с минеральным маслом, но более однородна и чиста. Это сходство означает, что масла PAO взаимодействуют с FKM аналогично минеральным маслам, вызывая минимальное набухание.

Я работал с Ребеккой, инженером-технологом на предприятии по переработке пищевых продуктов в Калифорнии. Для ее производства требовались синтетические компрессорные масла, отличающиеся превосходной окислительной стабильностью и длительными интервалами между заменами. Изначально она выбрала синтетическое полиолэфирное масло из-за его превосходных свойств при высоких температурах. Через 8 месяцев уплотнения из FKM во всей ее пневматической системе вышли из строя.

Мы протестировали ее масло по сравнению со стандартными соединениями FKM и измерили объемное расширение 24-28% при рабочей температуре 70 °C — полностью несовместимо. Мы порекомендовали перейти на синтетическое масло PAO пищевого качества с аналогичными эксплуатационными характеристиками. После замены масла и уплотнений ее система проработала более 3 лет без сбоев, связанных с уплотнениями.

Проблема пакета добавок

Совместимость базового масла — это только часть уравнения. Современные масла для компрессоров содержат пакеты присадок 5-15%, в том числе:

• Антиоксиданты: Обычно совместим с FKM
• Противоизносные присадки: Диалкилдитиофосфат цинка (ZDDP) может увеличить набухание на 2-5%.
• Моющие средства: Сульфонаты кальция или магния, умеренное увеличение набухания
• Диспергаторы: Полиизобутиленсукцинимиды могут значительно увеличить набухание.
• Депрессанты температуры застывания: Переменная совместимость
• Ингибиторы пенообразования: Обычно на силиконовой основе, минимальное воздействие

Поэтому нельзя предсказать совместимость только по типу базового масла — необходимо протестировать готовую масляную смесь.

Региональные и брендовые различия

Даже масла, продаваемые под одним и тем же общим названием (например, “синтетическое компрессорное масло PAO”), могут иметь разные составы у разных производителей или в разных регионах. Составы масел, производимых в Европе, Азии и Северной Америке, часто различаются по химическому составу присадок, чтобы соответствовать местным нормам и стандартам производительности.

В компании Bepto мы ведем базу данных по тестированию совместимости, в которой содержится более 150 распространенных масел для компрессоров от ведущих мировых производителей. Когда клиенты указывают марку и класс масла, мы часто можем сразу же предоставить рекомендации по совместимости с нашими уплотнительными материалами.

Как проверить совместимость материалов до выхода системы из строя?

Профилактика требует тестирования, а не догадок. 🔬

Испытание на совместимость материалов в соответствии с ASTM D471 включает погружение образцов уплотнений в реальное компрессорное масло при максимальной рабочей температуре на 70 часов (минимум), а затем измерение увеличения объема, изменения твердости и сохранения прочности на разрыв. Профессиональное тестирование стоит $200-500 за каждую комбинацию масла и материала, но позволяет избежать $10 000-50 000+ затрат, связанных с отказом системы и простоем. Простое полевое испытание можно провести, погрузив запасные уплотнения в нагретые образцы масла на 168 часов и измерив изменения размеров, хотя лабораторные испытания дают более точные и юридически обоснованные результаты для критически важных применений.

Стандартный метод испытания ASTM D471

Тест на совместимость по отраслевому стандарту проводится в соответствии с следующим протоколом:

1. Подготовка образцов

• Вырезать стандартизированные тестовые образцы из уплотнительного материала
• Измерьте начальные размеры, вес и твердость.
• Запись базовых свойств

2. Испытание погружением

• Погрузите образцы в испытательное масло при максимальной рабочей температуре.
• Стандартная продолжительность: минимум 70 часов (желательно 168 часов)
• Поддерживайте температуру ±2 °C на протяжении всего испытания.

3. Измерения после погружения

• Удалите образцы, промокните поверхность маслом
• Измерьте в течение 30 минут после удаления
• Запишите изменение объема, веса, твердости
• Дополнительно: испытание на прочность при растяжении, испытание на удлинение

4. Интерпретация результатов

• Рассчитать процент увеличения объема
• Оценить изменение твердости (дурометр Shore A)
• Оценить физическое состояние (растрескивание, размягчение, липкость)

Альтернативные полевые испытания

Для клиентов, которым нужны быстрые ответы без лабораторных затрат, мы рекомендуем этот упрощенный полевой тест:

Необходимые материалы:

• 3-5 запасных уплотнений из каждого материала, подлежащего испытанию
• Образец фактического компрессорного масла (минимум 500 мл)
• Источник тепла, поддерживающий температуру испытания (духовка, нагревательная плита с регулировкой температуры)
• Стеклянные емкости с крышками
• Штангенциркули или микрометр
• Дурометр (измеритель твердости по Шору A)

Процедура:

1. Измерьте и запишите начальные размеры и твердость уплотнения.
2. Погрузите уплотнения в нагретое масло на 168 часов (1 неделю)
3. Удалите, промокните насухо и сразу измерьте размеры и твердость.
4. Рассчитать процентное изменение

Критерии приемлемости:

• Увеличение объема <10%: приемлемо
• Потеря твердости <10 по шкале Шора A: приемлемо
• Отсутствие видимых трещин, липкости или сильного размягчения

Когда проводить тестирование

Перед проектированием системы: На этапе проектирования протестируйте все возможные материалы уплотнений на совместимость с указанными маслами.

После замены масла: При каждой смене марки или типа масла компрессора повторно проверяйте совместимость, даже если новое масло является “эквивалентным”.”

После отказа уплотнений: При возникновении необъяснимых поломок уплотнений проведите испытание реальных проб масла, взятых на месте эксплуатации — с течением времени деградация или загрязнение масла могут изменить его совместимость.

Квалификация нового поставщика: При отборе новых поставщиков уплотнений убедитесь, что их материалы соответствуют требованиям совместимости с вашими конкретными маслами.

В компании Bepto мы предлагаем бесплатное тестирование на совместимость для клиентов, которые используют наши безшпиндельные цилиндры в системах с масляной смазкой. Пришлите нам образец масла и подробную информацию о применении, и мы протестируем его на совместимость с нашими уплотнительными материалами и предоставим подробный отчет о совместимости в течение 2 недель.

Какие альтернативные уплотнительные материалы лучше подходят для проблемных масел?

Если FKM несовместим, существуют другие варианты. 🔧

Гидрогенизированный нитрил (HNBR) обладает отличной совместимостью с большинством синтетических масел, включая PAG и многие эфиры, с типичными показателями набухания 5-12% в широком диапазоне химических составов масел, что делает его лучшей универсальной альтернативой FKM. Перфторэластомер (FFKM) обеспечивает универсальную химическую стойкость с набуханием <3% практически во всех маслах, но стоит в 10-15 раз дороже FKM. Полиуретановые уплотнения хорошо работают с PAO и минеральными маслами (набухание 3-8%) и обладают превосходной износостойкостью, хотя их высокотемпературные характеристики ограничены (<90 °C) по сравнению с 200 °C у FKM.

Сравнение альтернативных материалов

HNBR: универсальное решение

Гидрогенизированный нитрильный каучук (HNBR) получают путем гидрогенизации стандартного нитрильного каучука, что насыщает полимерную цепь и значительно улучшает термостойкость, озоностойкость и химическую совместимость. HNBR сохраняет превосходную маслостойкость нитрила, добавляя при этом совместимость с более агрессивными синтетическими маслами.

Преимущества HNBR:

• Широкая совместимость с маслами (PAO, PAG, многие эфиры)
• Хороший диапазон температур (от -40 до 150 °C)
• Отличные механические свойства
• Разумная стоимость (на 20-40% больше, чем NBR)
• Доступны различные степени твердости

Ограничения HNBR:

• Не подходит для экстремальных температур (>150 °C)
• Умеренная химическая стойкость (не универсальная, как у FFKM)
• Слегка ниже износостойкость, чем у полиуретана

Дерево решений по выбору материалов

Выбирайте FKM, когда:

• Использование смазок на основе PAO или минерального масла
• Требуется работа при высоких температурах (>100 °C)
• Требуется отличная химическая стойкость
• Совместимость подтверждена в ходе тестирования

Выбирайте HNBR, когда:

• Использование синтетических масел на основе PAG или эфиров
• Диапазон температур от -40 до 150 °C
• Требуется широкая совместимость с маслами
• Требуется экономически эффективное решение

Выбирайте FFKM, когда:

• Требуется универсальная химическая совместимость
• Экстремальные температуры (>200 °C)
• Нулевая терпимость к отказу уплотнения
• Бюджет допускает 10-15-кратную надбавку по сравнению с FKM

Выбирайте полиуретан, когда:

• Использование PAO или минеральных масел
• Максимальная износостойкость
• Рабочая температура <90 °C
• Абразивная среда присутствует

Процесс выбора материалов Bepto

Когда клиенты обращаются к нам по поводу маслосмазываемых пневматических систем, мы следуем систематическому подходу:

1. Определите масло: Марка, тип и класс компрессорного масла
2. Определение условий эксплуатации: Диапазон температур, давление, частота циклов
3. Проверьте нашу базу данных: Сравните с нашими более чем 150 записями о совместимости масел
4. Рекомендуемые материалы: Предложите 2-3 совместимых варианта с компромиссными решениями.
5. Предложение тестирования: Бесплатное тестирование на совместимость, если масло отсутствует в нашей базе данных
6. Документация по поставкам: Предоставить испытательные данные и сертификаты на материалы.

Благодаря такому консультативному подходу наши клиенты достигают увеличения срока службы уплотнений на 40–60% по сравнению с универсальными запасными частями OEM — мы подбираем химический состав уплотнений с учетом реальных условий эксплуатации, а не просто поставляем “стандартные” уплотнения.

Заключение

Совместимость уплотнений FKM с синтетическими компрессорными маслами зависит от химического состава и должна быть проверена путем испытаний, а не предполагаться, поскольку несовместимые комбинации масла и уплотнений приводят к быстрому выходу из строя независимо от качества уплотнений или методов установки. 🎯

Часто задаваемые вопросы о совместимости FKM с синтетическими маслами