Сумісність матеріалів: коефіцієнти набухання FKM у синтетичних компресорних оливах

Вступ

Ваші високоякісні ущільнювачі FKM передчасно виходять з ладу, і ви не можете зрозуміти, чому. 🔍 Ущільнювачі виглядають набряклими, м'якими і втрачають свою ущільнювальну силу протягом декількох місяців, замість того, щоб служити роками. Причиною цього є не дефект ущільнювачів, а хімічна несумісність між вашими фторкаучук¹ ущільнювачі та синтетичне компресорне масло, що змащує вашу пневматичну систему.

Швидкість набухання FKM (фторкаучуку) в синтетичних компресорних оливах різко варіюється залежно від хімічного складу оливи, причому поліальфаолефін (PAO)² масла, що викликають збільшення об'єму на 2-8% (прийнятно), масла на основі поліалкіленгліколю (PAG), що викликають збільшення об'єму на 8-15% (гранично), та деякі синтетичні масла на основі ефірів, що викликають збільшення об'єму на 15-30% (неприйнятно), що руйнує геометрію ущільнення та силу ущільнення. Випробування сумісності матеріалів згідно з ASTM D471³ є необхідним перед вибором ущільнень FKM для мастильних пневматичних систем, оскільки надмірне розбухання призводить до видавлювання ущільнення, зниження стиснення та передчасного виходу з ладу незалежно від якості ущільнення.

Минулого місяця я отримав тривожний дзвінок від Девіда, інженера з надійності на заводі з виробництва автомобільних запчастин у Мічигані. Його підприємство нещодавно перейшло на нове синтетичне масло для компресорів, щоб підвищити енергоефективність і подовжити інтервали технічного обслуговування. Протягом 6 місяців ущільнення FKM у пневматичних безштоквих циліндрах почали виходити з ладу в 10 разів частіше, ніж зазвичай. Ущільнення не зношувалися — вони настільки набрякали, що втрачали стиснення і починали видавлюватися з пазів. Ми протестували його нове масло на наших ущільнювальних компаундах і виявили об'ємне набрякання 18-22% — що значно перевищує максимальне значення 10% для надійного ущільнення. Ми переробили його систему, використовуючи гідрогенізовані нітрильні (HNBR) ущільнювачі, сумісні з хімічним складом його масла, і тепер він повернувся до нормального терміну служби ущільнювачів 3-5 років.

Зміст

• Чому FKM набухає в синтетичних оливах і що є прийнятним?
• Які типи синтетичних олив викликають найбільше набухання FKM?
• Як перевірити сумісність матеріалів до виходу системи з ладу?
• Які альтернативні матеріали для ущільнювачів краще підходять для проблемних масел?

Чому FKM набухає в синтетичних оливах і що є прийнятним?

Набрякання ущільнювача не завжди є поганим явищем, але його надмірне набрякання знижує продуктивність. 📊

Набухання FKM відбувається, коли молекули синтетичної оливи проникають у полімерну матрицю, розсуваючи полімерні ланцюги та збільшуючи об'єм матеріалу. Контрольоване набухання 2-10% є прийнятним і може фактично поліпшити герметизацію за рахунок підтримання контактного тиску, але набухання, що перевищує 15%, спричиняє деформацію розмірів, зниження твердості (20-30 Берег А⁴ втрата), зменшився компресійний набір⁵ опір та потенційне видавлювання ущільнювача з пазів. Швидкість набухання залежить від вмісту фтору в FKM (вищий вміст фтору = кращий опір), полярності олії (полярні олії спричиняють більше набухання), температури (кожне підвищення на 10 °C подвоює швидкість проникнення) та часу впливу (рівновага досягається через 72–168 годин при робочій температурі).

Механізм набрякання

На молекулярному рівні еластомери являють собою мережі довгих полімерних ланцюгів, з'єднаних між собою поперечними зв'язками. При контакті з маслами невеликі молекули масла можуть проникати між полімерними ланцюгами. Якщо масло хімічно схоже на полімер (сумісне), проникнення відбувається в мінімальному обсязі. Якщо масло хімічно відрізняється від полімеру, але може розчинятися в полімерній матриці, відбувається значне набухання.

Полімери FKM (фторкаучук) містять атоми фтору, які роблять їх стійкими до більшості нафтових масел. Однак синтетичні масла з різною хімічною структурою можуть по-різному взаємодіяти з фторованою полімерною основою.

Прийнятні та проблемні діапазони хвиль

Об'ємний набряк %	Зміна твердості	Вплив на продуктивність	Надійність ущільнення	Необхідні дії
0-5%	0-5 за шкалою Шор А	Мінімальний, може поліпшити герметизацію	Чудово.	Немає — ідеальна сумісність
5-10%	5-10 за шкалою Шора А	Незначна зміна розмірів	Добре.	Моніторинг під час обслуговування
10-15%	10-20 за шкалою Шора А	Помітне пом'якшення	Маргінал	Розгляньте альтернативні матеріали
15-25%	20-30 за шкалою Шора А	Значне спотворення	Бідолаха.	Негайно замініть матеріал ущільнювача
>25%	>30 за шкалою Шора А	Сильне погіршення якості	Неприйнятно	Повна несумісність

Прискорення температури

Швидкість набухання зростає експоненціально з підвищенням температури. Ущільнення, яке демонструє набухання 8% при 23 °C, може проявити набухання 15-18% при 80 °C в тому ж маслі. Ось чому випробування на сумісність необхідно проводити при фактичних робочих температурах, а не тільки при кімнатній температурі.

Вплив температури на швидкість набухання:

• 23 °C (кімнатна температура): базовий коефіцієнт набухання
• 40 °C: 1,5–2 рази вище базового рівня
• 60 °C: 2,5–3 рази вище базового рівня
• 80 °C: 4-5 разів вище базового рівня
• 100 °C: 6-8 разів вище базового рівня

Наслідки в реальному світі

У компанії Bepto ми проаналізували сотні несправних ущільнень з мастильних пневматичних систем. Надмірне розбухання створює передбачувані режими відмови:

Екструзія ущільнень: Набряклі ущільнювачі стають занадто великими для своїх пазів і випирають у зазори, що призводить до розривів і швидкого виходу з ладу.

Втрата стиснення: У міру розширення і розм'якшення ущільнювачі втрачають силу стиснення, необхідну для підтримання контактного тиску на ущільнювальні поверхні.

Постійний набір: Набряклі ущільнювачі зазнають постійної деформації і не повертаються до своїх початкових розмірів навіть після закінчення впливу масла.

Прискорений знос: Пом'якшений матеріал ущільнення швидше зношується під дією тертя, що скорочує термін експлуатації на 60-80%.

Які типи синтетичних олив викликають найбільше набухання FKM?

Не всі синтетичні оливи однакові за сумісністю з FKM. 🧪

Синтетичні оливи на основі поліальфаолефіну (PAO) викликають мінімальне набухання FKM (зазвичай 2-6%) завдяки своїй вуглеводневій структурі, схожій на мінеральні оливи, що робить їх найбезпечнішим вибором для ущільнень FKM. Оливи на основі поліалкіленгліколю (PAG) викликають помірне набухання (8-15%) і вимагають ретельного тестування. Синтетичні оливи на основі ефірів, включаючи діефіри, поліолефіни та фосфатні ефіри, викликають сильне набухання FKM (15-35%) і, як правило, несумісні. Комплекси присадок до олив, що містять полярні сполуки, можуть збільшити набухання на додаткові 3-8% понад ефект базової оливи, що робить необхідним проведення фактичних випробувань на сумісність з повністю сформульованою оливою.

Порівняння хімічного складу синтетичних олив

Тип масла	Хімічна структура	Типове розширення FKM при 100 °C	Рейтинг сумісності	Поширені програми
Мінеральна олія	Нафтові вуглеводні	2-5%	Чудово.	Загальнопромислові
ПАО (поліальфаолефін)	Синтетичні вуглеводні	3-7%	Чудово.	Високоефективні компресори
ПАР (поліалкіленгліколь)	Гліколі, пов'язані ефіром	10-18%	Середній-Поганий	Холодильне обладнання, деякі компресори
Діестер	Органічні ефіри	18-28%	Бідолаха.	Авіація, високотемпературні застосування
Поліол ефір	Складні ефіри	20-35%	Дуже погано	Турбінні оливи, холодильні
Силікон	Полісилоксани	5-12%	Добре-Задовільно	Харчовий клас, екстремальні температури
Фосфатний ефір	Органофосфати	25-40%	Неприйнятно	Вогнестійка гідравліка

Чому олії PAO працюють найкраще

Синтетичні оливи PAO виробляються шляхом полімеризації альфа-олефінів (похідних етилену) у більші молекули вуглеводнів. Отримана структура хімічно схожа на мінеральну оливу, але є більш однорідною та чистою. Ця схожість означає, що оливи PAO взаємодіють з FKM подібно до мінеральних олив, викликаючи мінімальне набухання.

Я працював з Ребеккою, інженером-технологом на харчовому підприємстві в Каліфорнії. Для її виробництва були потрібні синтетичні компресорні оливи, що відрізняються високою окислювальною стабільністю та тривалими інтервалами між замінами. Спочатку вона вибрала синтетичну поліол-ефірну оливу через її чудові властивості при високих температурах. Протягом 8 місяців уся пневматична система з ущільненнями з FKM вийшла з ладу.

Ми протестували її масло в порівнянні зі стандартними сполуками FKM і виміряли об'ємне розширення 24-28% при робочій температурі 70 °C — повністю несумісне. Ми порекомендували перейти на харчове синтетичне масло PAO з подібними експлуатаційними характеристиками. Після заміни масла та ущільнювача її система пропрацювала понад 3 роки без несправностей, пов'язаних з ущільнювачами.

Проблема пакета добавок

Сумісність базової оливи є лише частиною рівняння. Сучасні оливи для компресорів містять 5-15% пакетів присадок, включаючи:

• Антиоксиданти: Зазвичай сумісний з FKM
• Антифрикційні присадки: Діалкілдітіофосфат цинку (ZDDP) може збільшити набухання на 2-5%
• Миючі засоби: Сульфонати кальцію або магнію, помірне збільшення набухання
• Диспергатори: Поліізобутиленсукцинімід, може значно збільшити набухання
• Депресанти температури застигання: Змінна сумісність
• Інгібітори піни: Зазвичай на основі силікону, мінімальний вплив

Ось чому не можна передбачити сумісність лише на основі типу базової оливи — необхідно протестувати готову оливу.

Регіональні та брендові відмінності

Навіть оливи, що продаються під однаковою загальною назвою (наприклад, “синтетична олива для компресорів PAO”), можуть мати різні склади залежно від виробника або регіону. Склади олив, що виробляються в Європі, Азії та Північній Америці, часто відрізняються за хімічним складом присадок, щоб відповідати місцевим нормам та стандартам ефективності.

У компанії Bepto ми ведемо базу даних тестування сумісності, яка містить понад 150 поширених мастил для компресорів від провідних світових виробників. Коли клієнти вказують марку та клас мастила, ми часто можемо негайно надати рекомендації щодо сумісності з нашими ущільнювальними матеріалами.

Як перевірити сумісність матеріалів до виходу системи з ладу?

Профілактика вимагає тестування, а не припущень. 🔬

Випробування сумісності матеріалів відповідно до стандарту ASTM D471 передбачає занурення зразків ущільнювачів у фактичне компресорне масло при максимальній робочій температурі протягом 70 годин (мінімум), а потім вимірювання збільшення об'єму, зміни твердості та збереження міцності на розрив. Професійне випробування коштує $200-500 за комбінацію масла/матеріалу, але запобігає $10,000-50,000+ системних збоїв і простоїв. Просте випробування в польових умовах можна провести, зануривши запасні ущільнювачі в нагріті зразки масла на 168 годин і вимірявши зміни розмірів, хоча лабораторні випробування дають більш точні та юридично обґрунтовані результати для критично важливих застосувань.

Стандартний метод випробування ASTM D471

Тест на сумісність, що відповідає галузевим стандартам, проводиться за таким протоколом:

1. Підготовка зразків

• Виріжте стандартизовані тестові зразки з ущільнювального матеріалу
• Виміряйте початкові розміри, вагу та твердість
• Записати базові властивості

2. Випробування на занурення

• Занурте зразки в тестове масло при максимальній робочій температурі
• Стандартна тривалість: мінімум 70 годин (бажано 168 годин)
• Підтримуйте температуру ±2°C протягом усього тесту

3. Вимірювання після занурення

• Видаліть зразки, промокніть поверхню від масла
• Виміряйте протягом 30 хвилин після видалення
• Зафіксуйте зміну обсягу, ваги, твердості
• Опціонально: випробування на міцність на розрив, випробування на подовження

4. Інтерпретація результатів

• Розрахувати відсоток збільшення об'єму
• Оцініть зміну твердості (дурометр Shore A)
• Оцініть фізичний стан (тріщини, розм'якшення, липкість)

Польові випробування Альтернатива

Для клієнтів, яким потрібні швидкі відповіді без лабораторних витрат, ми рекомендуємо цей спрощений польовий тест:

Необхідні матеріали:

• 3-5 запасних ущільнювачів кожного матеріалу, що підлягає випробуванню
• Зразок фактичного компресорного масла (мінімум 500 мл)
• Джерело тепла, що підтримує температуру випробування (піч, нагрівальна плита з регулюванням температури)
• Скляні ємності з кришками
• Штангенциркулі або мікрометр
• Дурометр (випробувач твердості за Шору А)

Процедура:

1. Виміряйте та запишіть початкові розміри та твердість ущільнення.
2. Занурте ущільнювачі в нагріту олію на 168 годин (1 тиждень)
3. Вийміть, витріть насухо і негайно виміряйте розміри та твердість.
4. Розрахувати відсоткову зміну

Критерії прийняття:

• Збільшення обсягу <10%: Прийнятно
• Втрата твердості <10 за шкалою Шора А: Прийнятно
• Відсутність видимих тріщин, липкості або значного розм'якшення

Коли проводити тестування

Перед проектуванням системи: Під час етапу проектування протестуйте всі можливі матеріали ущільнювачів на відповідність зазначеним маслам.

Після заміни масла: Кожного разу, коли ви змінюєте марку або тип масла для компресора, повторно перевіряйте сумісність, навіть якщо нове масло є “еквівалентним”.”

Після несправності ущільнювачів: Якщо виявляються незрозумілі несправності ущільнень, проведіть тестування реальних зразків масла, що використовується в експлуатації — з часом погіршення якості або забруднення масла може змінити його сумісність.

Кваліфікація нового постачальника: При відборі нових постачальників ущільнень переконайтеся, що їхні матеріали відповідають вимогам сумісності з вашими конкретними маслами.

У компанії Bepto ми пропонуємо безкоштовне тестування сумісності для клієнтів, які використовують наші безштокні циліндри в системах з масляним змащенням. Надішліть нам зразок масла та детальну інформацію про застосування, і ми протестуємо його на сумісність з нашими ущільнювальними матеріалами та надамо детальний звіт про сумісність протягом 2 тижнів.

Які альтернативні матеріали для ущільнювачів краще підходять для проблемних масел?

Якщо FKM несумісний, існують інші варіанти. 🔧

Гідрогенізований нітрил (HNBR) забезпечує чудову сумісність з більшістю синтетичних олив, включаючи PAG і багато ефірів, з типовими показниками набухання 5-12% у широкому діапазоні хімічних властивостей олив, що робить його найкращою універсальною альтернативою FKM. Перфтореластомер (FFKM) забезпечує універсальну хімічну стійкість з набуханням <3% практично у всіх маслах, але коштує в 10-15 разів дорожче, ніж FKM. Поліуретанові ущільнювачі добре працюють з PAO і мінеральними оливами (набухання 3-8%) і забезпечують чудову зносостійкість, хоча мають обмежену стійкість до високих температур (<90 °C) порівняно з FKM, який витримує температуру 200 °C.

Порівняння альтернативних матеріалів

Матеріал ущільнення	Діапазон температур	Сумісність з мастилами	Типовий набряк (PAO/PAG/естер)	Зносостійкість	Відносна вартість	Доступність Bepto
FKM (вітон)	від -20 до 200 °C	Відмінно/Погано/Погано	5% / 15% / 25%	Добре.	$$$	Стандартний
HNBR	від -40 до 150 °C	Відмінно/Добре/Добре	6% / 10% / 12%	Дуже добре.	$$	Стандартний
FFKM (Кальрез)	від -15 до 300 °C	Універсальний	2% / 3% / 3%	Добре.	$$$$$	Індивідуальне замовлення
Поліуретан	від -40 до 90 °C	Відмінно/Задовільно/Погано	4% / 12% / 18%	Видатний	$$	Стандартний
NBR (нітрил)	від -40 до 100 °C	Відмінно/Погано/Погано	5% / 15% / 20%	Чудово.	$	Стандартний

HNBR: універсальне рішення

Гідрогенізований нітрильний каучук (HNBR) створюється шляхом гідрогенізації стандартного нітрильного каучуку, що насичує полімерний каркас і значно покращує термостійкість, озоностійкість та хімічну сумісність. HNBR зберігає чудову маслостійкість нітрилу, додаючи сумісність з більш агресивними синтетичними маслами.

Переваги HNBR:

• Широка сумісність з маслами (PAO, PAG, багато ефірів)
• Хороший діапазон температур (від -40 до 150 °C)
• Відмінні механічні властивості
• Розумна вартість (на 20-40% більше, ніж NBR)
• Доступний у різних класах твердості

Обмеження HNBR:

• Не підходить для екстремальних температур (>150 °C)
• Помірна хімічна стійкість (не універсальна, як FFKM)
• Трохи нижча зносостійкість, ніж у поліуретану

Дерево рішень щодо вибору матеріалу

Вибирайте FKM, коли:

• Використання мастил на основі PAO або мінеральних олив
• Необхідна робота при високій температурі (>100 °C)
• Необхідна відмінна хімічна стійкість
• Сумісність підтверджена тестуванням

Вибирайте HNBR, коли:

• Використання синтетичних олив на основі PAG або ефірів
• Діапазон температур від -40 до 150 °C
• Необхідна широка сумісність з маслами
• Потрібне економічно ефективне рішення

Вибирайте FFKM, коли:

• Необхідна універсальна хімічна сумісність
• Екстремальні температури (>200 °C)
• Нульова толерантність до несправності ущільнення
• Бюджет дозволяє 10-15-кратну премію над FKM

Вибирайте поліуретан, коли:

• Використання ПАО або мінеральних олій
• Максимальна зносостійкість
• Робоча температура <90°C
• Абразивне середовище присутнє

Процес вибору матеріалів Bepto

Коли клієнти звертаються до нас з приводу мастильних пневматичних систем, ми дотримуємося систематичного підходу:

1. Визначте масло: Марка, тип і клас компресорного масла
2. Визначте умови експлуатації: Діапазон температур, тиск, частота циклів
3. Перевірте нашу базу даних: Порівняйте з нашими понад 150 записами про сумісність масел
4. Рекомендувати матеріали: Надайте 2-3 сумісні варіанти з компромісами.
5. Пропозиція тестування: Безкоштовне тестування сумісності, якщо масло відсутнє в нашій базі даних
6. Документація щодо постачання: Надайте дані випробувань та сертифікати матеріалів

Саме завдяки такому консультативному підходу наші клієнти досягають на 40-60% більшого терміну експлуатації ущільнень порівняно з типовими замінниками від виробників оригінального обладнання — ми підбираємо хімічний склад ущільнень відповідно до реальних умов експлуатації, а не просто постачаємо “стандартні” ущільнення.

Висновок

Сумісність ущільнень FKM із синтетичними компресорними оливами залежить від хімічного складу і повинна бути перевірена шляхом тестування, а не припущеннями, оскільки несумісні комбінації оливи та ущільнень призводять до швидкого виходу з ладу незалежно від якості ущільнень або методів монтажу. 🎯

Часті запитання про сумісність FKM із синтетичними оливами

1. Дізнайтеся більше про хімічну структуру та промислове застосування фтореластомерів (FKM). ↩

2. Ознайомтеся з технічними характеристиками та перевагами синтетичних мастильних матеріалів PAO в промислових системах. ↩

3. Ознайомтеся з офіційним стандартом для тестування впливу рідин, таких як олії, на властивості гумових матеріалів. ↩

4. Розуміння берега Шкала твердості, що використовується для вимірювання гнучкості та стійкості еластомерних ущільнень. ↩

5. Дізнайтеся, як стискання впливає на довгострокову ефективність та герметичність промислових прокладок. ↩