انتخاب جنس آببند
برای طراحی آببندهایی که قادر به مقاومت در برابر فشار بسیار بالا باشند، انتخاب مواد مناسب مهمترین عامل است. لقی بین اجزای سازندهی یک سیستم می تواند موجب عبور مولکولهای سیال شود (شکل ‏۴‑۱). قطر یک مولکول گاز معمولی تقریباً یک نانومتر است، بنابراین می تواند از میان گپهای بسیار کوچک نفوذ کند. به همین دلیل ماده سازندهی آببند باید به اندازه کافی الاستیک باشد تا بتواند برجستگیهای روی سطوحی را که باید آببندی شود، پر کند و هم چنین باید به اندازهای سخت باشد که به داخل لقیهای موجود اکسترود نشود [۱۰]، [۲۰].

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ‏۴‑۱- عبور سیال از میان لقی موجود بین اجزای سازنده یک سیستم [۱۰]
^[۷۳]PA6، ^[۷۴]UHMWPE-glass، ^[۷۵]UHMWPE-ceramic، ^[۷۶]NBRو سیلیکون^[۷۷] از جمله موادی هستند که برای آببندی در فشار بالا استفاده میشوند و در ادامه بررسی شده اند [۲۱].
پلیآمیدها (نایلون^[۷۸])
پلیآمیدها انواع مختلفی دارند (PA11 PA6, PA66,)؛ اما به عنوان یک خانواده مقاومت خوب در برابر خزش و مقاومت بسیار خوب در برابر سایش، سفتی و چقرمگی خوبی دارند. مصارف عمدهی پلیآمیدها در ساخت چرخدندههای کوچک، یاتاقانها، واشرها، قطعات اتصالات الکتریکی و چرخ نقاله است. مهمترین نکتهای که در طراحی با بهره گرفتن از پلیآمیدها باید مد نظر داشت، جذب رطوبت هوا در آنهاست که بر خواص ماده اثر می گذارد. استحکامدهی با الیاف شیشه این مشکل را کاهش میدهد و ترکیبی بسیار قوی و مقاوم را در مقابل ضربه به وجود می آورد. کاربرد عمدهی دیگر پلیآمیدها، ساخت الیاف بسیار مستحکم است [١۵].
پلیاتیلن
پلیاتیلن با چگالی کم (LDPE)^[79]
پلاستیکی با کاربرد وسیع است. چگالی آن در محدوده ^۳kg/m 93۵-۹۱۸ و بسیار چقرمه و انعطافپذیر است. مصرف عمدهی آن برای تولید ورقههای نازک مخصوص بستهبندی است؛ گرچه نارسانایی بسیار خوب این ماده، موجب کاربرد وسیع آن در ساخت عایق الکتریکی نیز شده است. مصارف دیگر آن ساخت وسایل خانگی، لوله، بطریهای یک بار مصرف و مخازن نگهداری آب سرد است.
پلیاتیلن خطی با چگالی پایین (LLDPE)^[80]
نوع جدیدی از پلی اتیلن است که از سوی شرکت یونیون کارباید در سال ۱۹۷۷ میلادی به بازار عرضه شد. این پلیمر در فرآیندی با فشار کم تولید می شود و ساختمان مولکولی منظم با شاخه های جانبی کوتاه دارد. بر حسب سرعت خنک کردن ماده از حالت مذاب، مولکولها به یکدیگر متصل شده و ساختمان خاصی را به وجود میآورند. از این رو، با چگالی یکسان، LLDPE سختتر از LDPE است. همچنین مقاومت آن در نقطهی تسلیم، بالاتر و قدرت چکشخواری آن بیشتر است.
پلیاتیلن با چگالی بالا (HDPE)^[81]
این ماده با چگالی ^۳ kg/m9۶۵-۹۳۵، نسبت به LDPE بسیار بلوریتر است. گرچه قدری گرانتر است اما چون قوی، بادوام و سختتر است، مصارف بیشماری مانند: ظروف زباله، جابطری، انواع مخازن، و لوله برای نگهداری و انتقال سیالات دارد [١۵].
NBR
تولید NBR برای اولین بار در سال ۱۹۳۰ توسط E. Tschunkur و E. Konrad و سپس به صورت انبوه در سال ۱۹۳۴ در لورکوزن آلمان و در سال ۱۹۳۹ درایالات متحده و در بسیاری از کشورهای دیگر آغاز شد. NBR در تماس با بنزین، روغن و چربیها متورم نمی شود. با کاهش دما، الاستیسیته و انعطافپذیری الاستومر ضعیف می شود. ترکیب NBR و ETER می تواند مقاومت در برابر تورم، انعطافپذیری در دمای پایین و مقاومت بیشتر در برابر حرارت را بهبود بخشد. از آنجا که خواص خود تقویتکنندگی این کائوچو کم میباشد، به منظور ایجاد خواص مکانیکی کافی NBR باید با فیلرهای تقویتکننده ترکیب شود. ویسکوزیته و چسبندگی NBR با بهره گرفتن از پلاستیسایزرها قابل تنظیم است. اما کاربرد این گروه از مواد، روی پارامترهایی مثل الاستیسیته، انعطافپذیری در دمای پایین و مقاومت تورمی نیز موثر است. پلاستیسایزرها خواص مکانیکی و مقاومت تورمی NBR را کاهش می دهند اما انعطاف پذیری در دمای پایین را بهبود میبخشند. مثالهایی از این پلاستیسایزرها عبارتاند از: پلیاسترها، پلیاستر پلیاترها، رزینهای زایلین فرمالدئید. یک الاستیسیتهی نسبتاً بالا می تواند از گونه های NBR دارای مقدار اکریلو نیتریل کم که با پلاستیسایزرهای استری یا اتری و با دودهی نیمه تقویتکننده ترکیب شده باشد، بهدست آید.
NBR در کاربردهایی که در کنار خواص مکانیکی خوب، نیاز است که مقاومت خوبی در برابر تورم در روغنها و بنزین و همچنین مقاومت در برابر فرسودگی حرارتی و سایشی داشته باشند، به کار میرود. نمونه ای از این کاربردها عبارتند از: واشرهای استاتیک، او- رینگ، درزگیر برای شیرها و شفتهای میللنگ، دیافراگمها، گردگیرهای خرطومی کوپلینگها، شیلنگهای مقاوم در برابر فشار بالا، تسمه نقالهها و …. به دلیل افزایش تقاضای صنایع خودرو سازی برای داشتن مقاومت بالاتر در برابر روغن و درجه حرارت NBR در این بازار جایگزین بیشتر کائوچوهای مقاوم در برابر حرارت شده است [١۶].
سیلیکون
سیلیکون نسبت به سایر الاستومرها محدوده دمایی گستردهتری را تحمل می کند. در دماهای پایین انعطافپذیری طبیعی خود را حفظ می کند در حالی که، بسیاری از الاستومرها به موادی ترد تبدیل میشوند [۲۲].
انجام آزمون
به منظور درک و بهینهسازی رفتار آببند از شبیهسازی اجزا محدود استفاده شده است، که دانش خواص مکانیکی مواد برای این شبیهسازی ضروری است. معمولاً آزمونهای کشش و فشار تک محوره، دو محوره، صفحهای و حجمی برای بهدست آوردن اطلاعات انجام میشوند اما، در این پژوهش به دلیل کمبود امکانات و وقت به آزمونهای تک محوره اکتفا شده است. خواص PA6، UHMWPE-glass و UHMWPE-ceramic از اطلاعات قبلی و خواص NBR و سیلیکون با انجام آزمون به دست آمدهاند [۲۱].
آزمون کشش تک محوره
ابتدا نمونه سیلیکون مربوط به این آزمون با ماشینکاریِ او- رینگ مطابق استاندارد شرکت Axel ساخته شد اما به دلیل ناهمواریهای ایجاد شده روی سطح لاستیک، آزمون کشش به درستی انجام نشد (شکل ‏۴‑۲). پس از آن با پانچِ ورقهای NBR و سیلیکون، نمونههایی با استانداردASTM D412 ساخته و آزمون شد (شکل ‏۴‑۳). نمونههای NBR و سیلیکون حین آزمون کشش و پس از آن به ترتیب در شکلهای ۴-۴ و ۴-۵ نشان داده شده اند.
شکل ‏۴‑۶ منحنیهای تنش- کرنش آزمون کشش را روی نمونههای NBR و سیلیکون نشان میدهد. این نمونهها حین کشش تغییر طول زیادی داشته و پس از شکست به ابعاد اولیه خود بازمیگردند. منحنیهای تنش- کرنش آزمون کشش مربوط به نمونههای PA6، UHMWPE-glass و UHMWPE-ceramic در شکل ‏۴‑۷ نشان داده شده است. شکلهای ۴-۸ و ۴-۹ به ترتیب، نمایانگر منحنیهای تنش- کرنش آزمون کشش طی چند دوره بارگذاری- باربرداری روی نمونههای NBR و سیلیکون هستند [۲۱]، [۲۳]، [۲۴].
شکل ‏۴‑۲- نمونه سیلیکون ماشینکاری شده آزمون کشش
شکل ‏۴‑۳- الف) نمونه NBR و ب) نمونه سیلیکون آزمون کشش تک محوره
شکل ‏۴‑۴- الف) نمونه NBR و ب) نمونه سیلیکون حین آزمون کشش
شکل ‏۴‑۵- الف) نمونه NBR و ب) نمونه سیلیکون پس از آزمون کشش
شکل ‏۴‑۶- منحنیهای تنش- کرنش NBR و سیلیکون
شکل ‏۴‑۷- منحنیهای تنش- کرنش نمونههای PA6، UHMWPE-glass، UHMWPE-ceramic [21]
شکل ‏۴‑۸- منحنی تنش- کرنش نمونه NBR طی چند دوره بارگذاری- باربرداری
شکل ‏۴‑۹- منحنی تنش- کرنش نمونه سیلیکون طی چند دوره بارگذاری- باربرداری
آزمون فشار تک محوره
برای این آزمون از استاندارد ASTM D575 استفاده شده است. شکلهای ۴-۱۰ و ۴-۱۱ به ترتیب، نمونه سیلیکون آزمون فشار و نتایج این آزمون را نشان می دهند. نمونه آزمون فشار سیلیکون پس از شکست در شکل ‏۴‑۱۲ نشان داده شده است [۲۵].
شکل ‏۴‑۱۰- نمونه سیلیکون آزمون فشار تک محوره
شکل ‏۴‑۱۱- منحنی تنش- کرنش نمونه سیلیکون تحت فشار تک محوره
نرخ بارگذاری و دمای محیط، از مهمترین عوامل تاثیرگذار روی آزمون الاستومرها هستند. عامل مهم دیگر در آزمون فشار الاستومرها، اصطکاک بین نمونه و فکهاست. این اصطکاک باعث می شود که نمونه تحت فشار نتواند کاملاً آزادانه به اطراف بسط پیدا کند (شکل ‏۴‑۱۳). حتی مقادیر بسیار کم اصطکاک می تواند کرنشهای برشی قابل توجه ایجاد کند، که باعث تغییر تنش می شود. از آنجا که مقدار حقیقی این اصطکاک مشخص نیست، استفاده از داده های آزمون فشار توصیه نمی شود [۲۳].
شکل ‏۴‑۱۲- نمونه آزمون فشار سیلیکون پس از شکست
شکل ‏۴‑۱۳- نمونه سیلیکون تحت فشار
آزمون رهایی از تنش
رفتار تنش- کرنش مواد پلیمری به شدت تابع زمان است. آببندهای هیدرولیکی در معرض تغییرات ناگهانی فشار قرار دارند و یا ممکن است در طول دوره های بارگذاری- باربرداری در سطح معینی از فشار نگهداشته شوند، بنابراین خاصیت ویسکوالاستیسیتی می تواند تاثیر قابلتوجهی روی توزیع فشار در سطح آببندی داشته باشد. رفتار ویسکوالاستیک مواد در فشارهای بالا اهمیت بسیاری دارد و برای درک این موضوع که مواد چگونه به پایداری میرسند، آگاهی از رفتار رهایی از تنش ضروری است. آزمون رهایی از تنش مطابق استاندارد ISO 6914 روی نمونههای NBR و سیلیکون انجام شد، که نتایج مربوط به آن به ترتیب، در شکلهای ۴-۱۴ و ۴-۱۵ نشان داده شده است [۲۱]، [۲۶].
شکل ‏۴‑۱۴- منحنی حاصل از آزمون رهایی از تنش نمونه NBR
شکل ‏۴‑۱۵- منحنی حاصل از آزمون رهایی از تنش نمونه سیلیکون
شکلهای ۴-۱۶، ۴-۱۷ و ۴-۱۸ به ترتیب نتایج آزمون رهایی از تنش نمونههای PA6، UHMWPE-glass و UHMWPE-ceramic را با تغییر شکلهای اولیه تحمیلی مختلف، نشان می دهند.
شکل ‏۴‑۱۶- نتایج حاصل از آزمون رهایی از تنش نمونه PA6 [21]
شکل ‏۴‑۱۷- نتایج حاصل از آزمون رهایی از تنش نمونه UHMWPE-glass [21]
شکل ‏۴‑۱۸- نتایج حاصل از آزمون رهایی از تنش نمونه UHMWPE-ceramic [21]
آزمون سختی
همانگونه که در بخش ‏۲-۲ گفته شد، میزان سختی ماده سازندهی آببند از اهمیت زیادی برخوردار است. ورق NBR با سختی برابر shore A90 سفارش داده شد و سختی نمونههای سیلیکون (شکل ‏۴‑۱۹) مطابق استاندارد ASTM D1415 بررسی شد. شکل ‏۴‑۲۰ دستگاه اندازه گیری سختی را نشان میدهد. آزمون انجام شده نشان میدهد سیلیکون مورد نظر سختی برابر shore A70 دارد [۲۷].
شکل ‏۴‑۱۹- نمونههای سیلیکونی برای آزمون سختی