Druhá část série o nových materiálech se zabývá pryží. Ve 30. letech 20. století se radiální hřídelová těsnění skládala z plechového pouzdra a kožené objímky. Pak se však kůže stala nedostatkovou a drahou a Freudenberg ji nahradil pryží.
Kompaktní
Historie Simmerringu: Ve 30. letech 20. století byla kůže v Simmerringu nahrazena gumou, protože kůže byla drahá. Pryž se ukázala jako rozměrově stabilní a pružně tvarovatelná, s vysokou odolností proti teplotám a bobtnání.
Výroba kaučuku: Cesta od přírodního nebo syntetického kaučuku ke špičkovému kaučuku (elastomeru) je složitá a vyžaduje směs deseti až dvaceti složek, včetně plnidel, jako jsou saze a oxid křemičitý, změkčovadel a látek proti stárnutí.
Vulkanizační procesy: Freudenberg Sealing Technologies (FST) používá různé vulkanizační procesy, včetně lisování (CM) a vstřikování (IM). Tyto procesy se liší stupněm automatizace a typem zpracování.
Chemické a fyzikální vlastnosti: Pryžové materiály musí být odolné vůči různým médiím a teplotám v závislosti na použití. Životnost pryžového těsnění se výrazně zkracuje, když se zvyšují teploty.
Zkušební postupy a inovace: FST provádí zátěžové testy, aby určila meze použití nových materiálů. Tyto testy simulují reálné podmínky a poskytují důležité poznatky pro praktickou vhodnost nových materiálových řešení.
Téměř před 100 lety se první Simmerring® skládal z plechového pouzdra s koženým návlekem. Kůže však byla drahá. Společnost Freudenberg hledala náhradu a našla, co hledala, a nahradila svůj tradiční výrobek s těsnicí technologií pryží. Jak se brzy ukázalo, dobré vlastnosti pryže byly přesvědčivé. Rozměrově stabilní, ale pružně přetvářitelná pryž se vyznačovala mimo jiné mnohem vyšší odolností proti teplotám a bobtnání ve srovnání s motorovými mazacími oleji běžně používanými ve 30. letech 20. století. To znamenalo začátek triumfálního nástupu pryže jako těsnicího materiálu, který pokračuje dodnes – nejprve v Simmerringu, pak v O-kroužcích, pak v plochých těsněních…
Inženýr nebo pekař?
Cesta od přírodního nebo syntetického kaučuku ke špičkovému kaučuku, odborně nazývanému elastomer, je dlouhá. Samotný kaučuk – ať už přírodního původu nebo synteticky vyrobený – v žádném případě nestačí. Gumárenská směs se obvykle skládá z deseti až dvaceti složek. Stejně jako při pečení dortu jsou zapotřebí správné přísady ve správném množství.
Nakonec je to důmyslná kombinace mouky, cukru, vajec, másla, mléka nebo kakaa, která přináší požadovaný výsledek… a (chuťový) zážitek. Kromě kaučuku jsou pro dokonalou směs žvýkaček důležitá zejména plnidla, jako jsou saze a oxid křemičitý, protože zvyšují pevnost a trvanlivost. Kromě toho změkčovadla zpočátku zlepšují tokové chování při zpracování a později expanzi a bobtnání. Látky proti stárnutí zpomalují únavu materiálu, zatímco další složky chrání například před ozónem.
Míchárna: Od vážení až po expedici
V závislosti na receptuře se v míchárnách surovin společnosti Freudenberg Sealing Technologies (FST) po celém světě všechny přísady nejprve zváží na miligram. Poté se ve velkém hnětacím stroji smíchají do homogenní hmoty. Ta se pak dále homogenizuje ve válcovacím stroji neustálým skládáním a válcováním.
Nakonec se při zkouškách, které provázejí sériovou výrobu, přesně kontroluje hustota, tvrdost, pevnost a pružnost každé dávky. Po úspěšném absolvování testu kvality se směs ochladí v takzvaném dávkovacím systému a zhotoví se z ní pásky, šňůry nebo jiné tvarové polotovary. Po zabalení je hotová směs odeslána do lisoven. Trend v míchárnách FST směřuje k síťovému propojení strojů, digitalizaci a automatizaci všech pracovních kroků. Závod na výrobu surových směsí ve Weinheimu je zde jedním z průkopníků.
Plast se stává pružným
Velmi důležitou složkou směsi jsou síťovadla, například síra. Protože to, co je pečení v troubě pro koláče, je vulkanizace pro pryž při lisování v sériové výrobě. Během vulkanizace dochází k zesíťování molekul pryže při teplotě 120 až 160 °C. Toto zesíťování dodává pryži pružnost a mění plast v elastický materiál.
Naposledy se vrátíme k analogii s pečením: FST jako dobrý cukrář napíše recept, smíchá ingredience a sama je upeče. Společnost FST nakupuje pouze „přísady na pečení“ – stejně jako cukrář, který si nemele vlastní mouku.
Několik postupů pro jeden cíl: Guma
Společnost FST používá k výrobě těsnění z pryžových materiálů různé vulkanizační postupy. Dva nejdůležitější se označují zkratkou CM a IM.
Při lisování (CM) se polotovar ručně vkládá do formy otevřeného nástroje. Lis je uzavřen. Teplo generované v horní a dolní části ohřívacími deskami uvede do pohybu proces vulkanizace. Jedná se o nejjednodušší proces.
Při vstřikování (IM) se směs, která byla předtím zpracována do kordů nebo pásů, vstřikuje pod vysokým tlakem přímo do uzavřené formy a vulkanizuje se v ní. Jedná se o nejsložitější proces s nejvyšším stupněm automatizace.
Další procesy se nazývají transferové lisování (TM) a vstřikování (ITM).
V závislosti na použitém pryžovém materiálu je nutné těsnění po vytvarování dodatečně zahřát. V peci pro dodatečné zahřátí se aditiva a pomocné látky uvolňují a vulkanizační síť se pevně uzavře. Stručně řečeno: dodatečné zahřívání dodává těsněním a jejich materiálům konečné vlastnosti.
Chemie a fyzika
V závislosti na aplikaci musí být elastomerové těsnicí materiály chemicky odolné vůči médiím, jako jsou minerální a syntetické mazací oleje a tuky. Musí odolávat chladu, teplu, vodě, vlhkému vzduchu, horké páře, ozónu nebo agresivním čisticím prostředkům.
Platí zde pravidlo: Rychlost chemických reakcí se zdvojnásobuje při zvýšení teploty o deset stupňů Celsia (pravidlo RGT). To naopak znamená, že životnost pryžového těsnění se při zvýšení teploty výrazně zkracuje. Odolnost pryžových materiálů vůči médiím je tedy silně závislá na teplotě. Snižuje se také v důsledku vyššího tlaku, vyšších rychlostí a vyššího tření – protože všechny tyto jevy zvyšují teplotu.
Z fyzikálního hlediska se pryžová těsnění zabývají především prevencí bobtnání, smršťování a pronikání plynu do těsnicího materiálu, tzv. permeací. Nízké tření také snižuje teplotu, a tím i opotřebení a spotřebu energie.
Ne všechny pryže jsou stejné
Pryžové materiály se obecně vyznačují vysokou pružností, která je spojena s vysokým těsnicím účinkem a obnovovacími silami. V kombinaci se správným mazivem se vyznačují dobrou odolností proti opotřebení a oděru. Jednou z nevýhod pryže jako materiálu je to, že se pro vysokotlaké aplikace, například v hydraulice, hodí jen v omezené míře, a to kvůli své nedostatečné tvrdosti.
Ne všechny pryže jsou stejné. Jednotlivé pryžové materiály se liší hustotou, tvrdostí, pevností v tahu, deformačním chováním, teplotním rozsahem použití a mnoha dalšími vlastnostmi. Jsou proto vhodné pro různé oblasti použití.
Několik příkladů: Standardním materiálem FST, například pro klasická radiální hřídelová těsnění, je NBR. HNBR má vyšší odolnost vůči teplotám a médiím. Silikon je méně odolný proti otěru, a proto je první volbou zejména pro statická těsnění. ACM dobře zvládá nízké teploty až do -40 stupňů Celsia a teplo až do 160 stupňů Celsia a je také odolný vůči ozónu a horkému vzduchu. FKM se osvědčil jako univerzální řešení problémů. FFKM Simriz® je špičkové řešení společnosti FST pro zpracovatelský průmysl.
Na zkušební stanici
Na několika pracovištích společnosti FST jsou zkušební pole klíčovou součástí inovační síly společnosti FST. Jaké jsou limity použití nových materiálů? Odolají vysokým rychlostem, které převládají v elektromobilitě? Odolají novým typům maziv, důsledkům posunu elektrického náboje, tlaku, chladu, stříkající vodě, nečistotám a vibracím? Zátěžové testy ve zkušebním poli co nejvěrněji reprodukují realitu a poskytují důležité poznatky pro praktickou vhodnost nových materiálových řešení. Lze zde simulovat provoz v Arktidě a na poušti, stejně jako jízdu autem ve vodě a blátě. Největší zkušební centrum Simmerring se nachází ve Weinheimu. V Plymouthu může FST v rychlém pohybu testovat, jak se materiály ve vodíkových elektrolyzérech osvědčí v letech nepřetržitého provozu.
Ani 1000hodinové dlouhodobé zkoušky na zkušebním stole však nestačí k tomu, aby bylo zajištěno, že těsnění vydrží desítky let, jak se vyžaduje například u větrných turbín na moři. K tomu jsou nezbytné digitální simulační nástroje. Společnost FST již léta používá osvědčené modely, například pro dlouhodobé chování pryže při stárnutí ve statických těsněních.
Nové úkoly
Gumová těsnění musí stále častěji plnit další úkoly, které zdaleka přesahují rámec těsnění. Někdy musí být elektricky vodivá, jindy musí být schopna odstínit teplo nebo elektromagnetické záření. Nebo by měly být schopny co nejpřesněji předpovědět, kdy je třeba je vyměnit v rámci tzv. sledování stavu. FST vyvíjí řešení i pro tyto účely.
