我们的系统检测到您来自 美国,但当前设定的国家/地区为中国。 您仍然要更改您的国家/地区吗?

如何应对高压蒸汽

只有极少数弹性体适合用来制造耐高温热水和耐蒸汽的成型件。这些弹性体往往很难加工,有时候还需要对成型件手工进行二次修整。直到瓦克推出全新的液体硅橡胶ELASTOSIL® LR 3020/60,这个问题才迎刃而解。

美国纽约一家咖啡馆的浓缩咖啡机:1938年,意大利人Achille Gaggia发明了高压蒸汽式(过滤把手)浓缩咖啡机,并申请了专利。其原理是:沸水在高压条件下流经咖啡颗粒,从而萃取出咖啡。采用这种方法冲煮咖啡,能最大程度萃取咖啡的成分和芳香,保持咖啡的最佳风味。

浓缩咖啡机和全自动咖啡机在其使用寿命内需长期承受高温高压:当压力达到10巴时,产生的蒸汽会压迫沸水(温度超过100℃)流经研磨咖啡——在咖啡厅,这样的冲煮过程每天要重复上百次。要长期承受这样的热应力,咖啡机必须足够坚固——无论是外壳、导管,还是密封件,都要极其牢固。事实上,在城市集中供热或工厂供热系统中,高温热水锅炉系统甚至在180°C的条件下运行,所承受的压力更是超过15巴(表压)。

几乎与其他任何介质都不同,温度极高的热水和蒸汽会影响橡胶弹性密封件的性能,同样也会损坏有机硅和有机弹性体。只有极少数材料能够长期接触高压过热蒸汽以及温度超过100°C的高压水(专业术语为“中温热水系统”),而耐热水性和耐蒸汽性较差的成型密封件往往无法承受高温高压的极端环境,最终导致使用这种密封件的设备出现故障。

在各类橡胶中,能够用来制造耐中温热水、耐蒸汽的弹性体成型件的产品包括三元乙丙橡胶(EPDM)、全氟化橡胶(FFKM)、专用固体硅橡胶,以及优化后能与这些介质接触的特种氟化橡胶(FKM)。但考虑到材料成本和环境保护因素,密封件制造商更愿意选择合适的材料来代替氟化材料。

“但当温度更高时,比如在高温热水或加压高温蒸汽中,水分子的能量很高,会影响有机硅聚合物链中硅氧键的化学稳定性。”

Thomas Frese博士, 瓦克应用经理

缓解成本压力

Julia Geßl正在测试有机硅对蒸汽和其他介质的耐抗性,所用设备为高压灭菌器,一种类似于高压锅的气密压力容器。随后,试样要进行针对弹性体的标准应力测试,例如拉伸应力测试。

然而,对塑料加工厂商来说,所有的专用橡胶还有一个共同的缺陷:“这些橡胶难以通过注射成型工艺加工,因此不可能以较低的成本进行大规模生产。”瓦克有机硅博格豪森应用实验室负责人Thomas Frese博士解释道,“成型件往往需要手工修整,尤其是在生产各种复杂部件时,这会造成很大的浪费。”这就导致产品的生产周期较长,生产成本也较高。“考虑到目前整个行业所面临的成本压力,这个问题非常严峻,亟待解决。”这位化学师补充道。

2016年国际塑料及橡胶展上,瓦克推出了一款全新的液体硅橡胶——ELASTOSIL® LR 3020/60。该产品专门用于制造具有水解稳定性和耐蒸汽性的成型件,能够快速、方便地通过注射成型进行加工,从而以较低的成本实现大规模生产,甚至能够制造出复杂精巧的成型件。

用于接缝密封

许多设备的零部件都相互连接,但又可以轻松拆卸。两个部件之间的接缝采用预制的弹性体成型密封件进行密封。大多数密封件是环状成型件,安装在其中一个部件的配合面的密封槽内。在安装第二个部件时,密封件就会被压缩。这种密封理念正是利用了弹性体的橡胶弹性性能:由于这种密封材料具有出色的弹性以及弹性恢复能力(回弹性),因此密封件在受压时会产生机械应力,将其与周围的部件表面紧压在一起。如果密封材料已被充分压缩,就会将连接处密封起来。

高压锅同样需要使用能够承受高压和过热蒸汽的密封件——这是瓦克新型硅橡胶大显身手的又一大应用领域。

弹性体密封件材料在使用过程中受到的应力来自多个方面:安装过程中受到的压缩使得弹性体产生静态形变,即形变不随时间变化;在设备工作过程中,弹性体往往还会产生随时间变化的动态形变,例如,在受到振动影响时;然而,最大的应力来自操作介质:在操作介质的影响下,密封件的性能会大幅降低。介质温度越高,弹性体受到的应力就越大。在极端情况下,弹性恢复能力会完全丧失,使密封件失去密封作用。这时,浓缩咖啡机就会出现泄漏现象,滚烫的热水可能会对使用者造成伤害。

即使是以出众的热稳定性、高憎水性表面和低吸水性而著称的有机硅弹性体,如果长期暴露在高温热水或蒸汽环境中,通常也会失去弹性。但有些产品例外:一些有机硅制造商提供经过专门优化的固体硅橡胶,其硫化胶制品便适合与上述介质接触的相关应用。

与普通硅橡胶之比较:

材料在150°C的过热蒸汽中存放21天后的性能变化

材料在150°C的过热蒸汽中存放后的压缩形变率(单位:%)

对于传统的有机硅弹性体来说,长期暴露在约100°C的热水中并不是一个大问题。“但当温度更高时,比如在高温热水或加压高温蒸汽中,水分子的能量很高,会影响有机硅聚合物链中硅氧键的化学稳定性。”瓦克应用工程师Thomas Frese博士解释道,“如果水分子的能量足够高,就会使硅氧键断开,聚合物分子链被分解成更小的片段。

这种分解就称为水解,它是造成传统有机硅弹性体暴露在高温热水或蒸汽中时弹性和强度快速降低的主要原因。

“在此之前,只有固体硅橡胶能够承受这种介质应力。”Frese博士继续说道。相比之下,普通液体硅橡胶在同等存放条件下,即在高温高压热水和蒸汽中,其压缩形变率几乎是100%,因而完全失去弹性;如果用作密封材料,就会丧失其密封性能。

适用于医疗技术领域

“ELASTOSIL® LR 3020/60是瓦克首次推出的一款具有水解稳定性和耐蒸汽性的液体硅橡胶。” Frese博士强调说。即使长时间存放在150°C的高温蒸汽中,这款液体硅橡胶的拉伸强度和极限伸长率的受影响程度相对要低很多。实践证明,其硫化胶制品还能有效抵御医疗领域常用的清洁剂和消毒剂的侵蚀。

与所有的液体硅橡胶一样,ELASTOSIL® LR 3020/60是一种双组分化合物,已经过优化,适用于注射成型工艺,并能通过铂催化加成反应快速交联。在交联之前,这种材料静止时呈膏状,其粘度随剪切速率的提高而降低。由于这种剪切变稀特性,ELASTOSIL® LR 3020/60可通过双组份混配料系统很方便地送入注射成型机的注射单元中。此外,还能够轻松地将填料加入到其中,并均匀分散——这也是确保无故障生产的另一个先决条件。

由于具有出色的流动特性、均匀的填料分布以及快速加成固化性能,ELASTOSIL® LR 3020/60使注射成型变得易如反掌。“与传统的耐热水、耐蒸汽专用橡胶相比,ELASTOSIL® LR 3020/60的加工过程更加高效。”瓦克有机硅业务部门硅橡胶解决方案业务团队负责人Wolfgang Schattenmann博士解释道。对于生产商来说,整个加工过程可实现高度自动化,生产周期大大缩短,并且几乎不会造成任何浪费,也无需二次修整,即使尺寸很小、精度要求高、形状很复杂的成型件也能轻松加工。“这样就能够大规模生产具有水解稳定性的弹性体成型件,而且成本效益很高。”Schattenmann补充道。

采用ELASTOSIL® LR 3020/60制成的成型件经过后加热处理(即二次硫化)后,就能够用于与食物、饮料以及饮用热水直接接触的产品。这是根据一系列法律法规得出的检测结果,包括:德国联邦风险评估研究所(BfR)和美国食品药品监督管理局(FDA)的相关规定,以及业内专家熟知的塑料制品和饮用水(KTW)指南——德国联邦环保局(UBA)制定的《涉水有机材料卫生评估指导文件》。

经济高效的生产

凭借独特的性能优势,ELASTOSIL® LR 3020/60在低成本、大规模生产具有水解稳定性的弹性体材料方面处于行业领先地位,产品几乎适用于所有工业领域。在食品药品和医疗技术应用领域,ELASTOSIL®LR 3020/60制成的成型件可以采用常规的清洗、消毒和灭菌方式进行处理,这一点非常有利。它们不仅可以使用高压灭菌器进行蒸汽消毒,承受121°C或134°C的高温(根据目前的行业惯例),还能承受更高的蒸汽温度(可能成为未来的行业标准)。

除此之外,ELASTOSIL®LR 3020/60还适用于其他的应用领域,比如:卫生设备及配件、供暖、设备工程等,当然还包括用作咖啡机、高压锅和烧水壶等白色家电的密封件。在不久的将来,使用ELASTOSIL® LR 3020/60密封材料的浓缩咖啡机,无论承受多高的温度和压力,它都能够在整个使用寿命期间不知疲倦地工作。

压缩形变率

弹性体密封件如果长期处于形变状态,外力去除后,它将无法恢复原样,会保留或多或少的永久形变,形变程度取决于材料在存放条件下回弹性的下降程度,影响因素包括:变形力、温度以及对材料产生影响的介质。通过标准化测试程序,可以测定材料的压缩形变率——用于表示上述性能的材料参数。为了测定密封件的压缩形变率,首先将形状和大小符合测试标准规定的弹性体试样放置在压缩机构中。然后,按照预先设定的压缩程度对试样进行压缩,并保持压缩状态不变,将试样在测试条件下(例如在过热蒸汽中)存放。一段时间以后,取出试样,它将不再能恢复到原来的厚度。分别在压缩前后以及压力释放后测量试样厚度。

压缩形变率是压力释放后试样厚度的减少值与试样厚度的压缩值之比。如果压缩形变率低,说明材料的弹性恢复能力较强。相比之下,完全没有弹性的材料,其压缩形变率则为100%。以LASTOSIL® LR 3020/60为例:选取6毫米厚的试样,将其压缩至原有厚度的四分之三(即4.5毫米,压缩了1.5毫米);然后放入高压灭菌器,在150°C的蒸汽下存放21天。压力释放后,试样厚度为5.07毫米,减少了0.93毫米。因此,ELASTOSIL® LR 3020/60的压缩形变率为0.93毫米除以1.5毫米,结果为0.62或62%——考虑到介质负荷很高,这个值已经是非常不错了。

相关内容: