Rola uszczelki piankowej w zielonej technologii? 

Wiesz, kiedy ludzie mówią o ekologicznych technologiach, od razu przechodzą do paneli słonecznych, turbin wiatrowych, a może ogniw wodorowych. Rzadko kto wspomina o uszczelkach piankowych. To pierwsze błędne przekonanie. W rzeczywistości, jeśli kiedykolwiek byłeś na hali produkcyjnej, gdzie montowałeś obudowę akumulatora lub uszczelniałeś wymiennik ciepła, wiedziałbyś, że źle dobrana uszczelka może obniżyć wydajność całego systemu. Nie chodzi tylko o uszczelnienie; chodzi o zarządzanie temperaturą, tłumienie drgań i trwałość materiału. Widziałem projekty, w których inżynieria skupiała się wyłącznie na głównych komponentach, a awarie w terenie wynikały z degradacji uszczelek lub odgazowania, które zanieczyszczało wrażliwe środowisko. Od tego powinna zacząć się prawdziwa rozmowa.

Przeoczony interfejs

W systemach technologii ekologicznych – jak na przykład systemy magazynowania energii na skalę przemysłową (BESS) lub zewnętrzne szafy z inwerterami fotowoltaicznymi – szczelność środowiskowa ma kluczowe znaczenie. Ale to nie tylko zapobieganie przedostawaniu się wody. Chodzi o zarządzanie mikrośrodowiskiem wewnątrz. Na przykład system chłodzenia cieczą w zestawie akumulatorów z zamkniętą pętlą opiera się na uszczelkach, które utrzymują ciśnienie i zapobiegają wyciekom płynu chłodzącego. Jeżeli zestaw kompresów piankowych jest nieodpowiedni lub materiał nie jest kompatybilny z płynem chłodzącym, dochodzi do przesiąkania. Ten płyn chłodzący, często specjalistyczny płyn dielektryczny, jest drogi, a jego utrata bezpośrednio odbija się na wskaźnikach wydajności. Pamiętam test, w którym urządzenie konkurencji nie uzyskało certyfikatu IP67 nie ze względu na konstrukcję, ale dlatego, że dostarczona uszczelka piankowa miała niespójną strukturę komórkową, co prowadziło do miejscowych uszkodzeń kompresyjnych. Naprawa nie polegała na przeprojektowaniu, ale zmianie specyfikacji materiału na bardziej jednolitą, usieciowaną piankę polietylenową.

Następnie jest aspekt termiczny. Wiele osób zakłada, że ​​w przypadku podkładek termicznych najlepszym wyborem będą metal lub guma. Jednak w zastosowaniach wymagających zarówno izolacji, jak i uszczelnienia, takich jak obudowa jednostki sterującej powietrznej pompy ciepła, uszczelka z pianki uretanowej pokryta silikonem spełnia podwójne zadanie. Uszczelnia obudowę przed kurzem i wilgocią, zapewniając jednocześnie przekładkę termiczną, aby zapobiec kondensacji na wewnętrznej elektronice. Kluczem jest przepuszczalność powłoki i stopień odzysku piany. Jeżeli powrót do stanu pierwotnego jest zbyt powolny po ściśnięciu podczas montażu, uszczelka rozluźnia się w trakcie cykli termicznych. Przekonaliśmy się o tym na własnej skórze podczas wczesnego projektu, stosując standardową piankę rebond, która dobrze wypadła w testach statycznych, ale nie powiodła się po sześciu miesiącach codziennych cykli termicznych. Utworzona szczelina umożliwiła przedostanie się wilgotnego powietrza, co doprowadziło do korozji listew zaciskowych.

Wybór materiału to kolejna pułapka. „Zielony” nie powinien odnosić się tylko do zastosowania, ale także do samej uszczelki. Chlorowane lub bromowane środki zmniejszające palność w piankach, powszechnie stosowane w elektronice spełniające normę UL 94 V-0, mogą stać w sprzeczności z etosem zielonych technologii obejmujących cały cykl życia, jeśli komplikują recykling. Istnieje trend w kierunku bezhalogenowych pianek pęczniejących na bazie silikonu. Rozszerzają się pod wpływem ciepła, jeszcze lepiej uszczelniając szczeliny, co jest właściwością kluczową dla strategii powstrzymywania pożarów akumulatorów. Określenie ich nie zawsze jest proste; ich koszt jest wyższy, a parametry obróbki podczas sztancowania są bardziej rygorystyczne. Zdolność dostawcy ma tutaj charakter decydujący.

W terenie: realia transportu i łańcucha dostaw

To prowadzi mnie do czegoś praktycznego: geografii i logistyki. Produkcja tych wyspecjalizowanych komponentów nie jest równomiernie rozłożona. W przypadku wielkoseryjnych, precyzyjnie wycinanych części z pianki potrzebny jest dostawca posiadający solidne zaplecze w zakresie inżynierii materiałowej i spójność produkcji. Współpracowałem z partnerami w głównych bazach przemysłowych, gdzie wspiera to ekosystem. Na przykład Handan Zitai Fastener Manufacturing Co., Ltd., działająca w największej bazie produkcyjnej części standardowych w Chinach w Yongnian, Handan, przynosi odpowiednią perspektywę. Chociaż piasty takie są znane z elementów złącznych, często posiadają specjalistyczną wiedzę w zakresie rozwiązań uszczelniających ze względu na zintegrowany charakter montażu. Ich lokalizacja w pobliżu kluczowych arterii komunikacyjnych, takich jak kolej Pekin-Kanton i autostrada krajowa 107, to nie tylko linia na stronie internetowej (https://www.zitaifasteners.com); przekłada się to na wymierną efektywność logistyki. Kiedy zarządzasz montażem na czas zespołów gondoli turbin wiatrowych w porcie Tianjin, posiadanie dostawcy uszczelek, który może niezawodnie transportować produkt transportem drogowym i kolejowym bez opóźnień, jest niepodlegającą negocjacjom częścią równania niezawodności. Uszczelka leżąca w magazynie portowym niczego nie uszczelnia.

Ale bliskość to nie wszystko. Widziałem dostawców z dobrze skomunikowanych obszarów, którzy wciąż mają wątpliwości co do identyfikowalności materiałów. W zielonych technologiach, szczególnie w przypadku komponentów mających kontakt z chłodziwami lub znajdujących się w drogach powietrza (np. w stosach elektrolizerów), potrzebna jest pełna dokumentacja dotycząca składu polimeru i potencjalnych substancji wymywających. Dostawca potrzebuje dyscypliny, aby dostarczać certyfikaty dla poszczególnych partii. Tutaj liczy się kultura operacyjna klastra produkcyjnego. Zagęszczenie producentów komponentów na obszarze takim jak Yongnian może sprzyjać konkurencji pod względem jakości, a nie tylko ceny. Do projektu obejmującego ogniwa paliwowe PEM pozyskaliśmy specjalnie ukształtowane, przewodzące uszczelki piankowe wypełnione węglem do uszczelniania płyt bipolarnych. Początkowe próbki z lokalnego warsztatu nie przeszły testów przewodności po starzeniu w symulowanym gazie reformatu. Problemem była migracja segregatorów. Przeszliśmy na bardziej doświadczonego przetwórcę, który mógł lepiej kontrolować proces kalandrowania, a tak się złożyło, że znajdował się on w tym samym rozległym regionie przemysłowym, wykorzystując tamtejsze łańcuchy dostaw materiałów.

Awarie często wynikają dosłownie z połączenia uszczelki z elementem złącznym. Uszczelka piankowa ściśnięta śrubą wokół włazu serwisowego w napędzie trackera słonecznego. Jeśli moment obrotowy łącznika nie jest określony w powiązaniu z krzywą naprężenia ściskającego-odkształcenia uszczelki, oznacza to, że albo jest niedostatecznie ściskany (wyciek), albo nadmiernie ściskany (trwałe zmiażdżenie pianki, utrata odzysku i uszczelnienia). Dlatego firmy, które rozumieją zarówno mocowanie, jak i uszczelnianie, jak np producent elementów złącznych dywersyfikacji w kierunku produktów uszczelniających, może przyjąć wnikliwe podejście. Dostają system mechaniczny. Strona internetowa firmy Zitai Fasteners wspomina o skupieniu się na produkcji części standardowych; ta podstawowa wiedza jest kluczowa. Uszczelka rzadko jest wyspą; jest częścią połączenia mocowanego.

Przykład: Wyciek modułu akumulatora

Opiszę konkretne śledztwo. Klient zgłosił stopniowy spadek wydajności chłodzenia modułów akumulatorów litowo-jonowych do autobusów elektrycznych. Moduły chłodzono cieczą za pomocą zimnej płyty. Obrazowanie termowizyjne wykazało nierówny rozkład temperatury. Zdemontowaliśmy jednostkę i stwierdziliśmy, że uszczelka kanału chłodziwa – cienka, gęsta pianka EPDM z warstwą kleju – uległa częściowemu rozwarstwieniu i pozostawiła niewielką drogę wycieku. Płyn chłodzący powoli przenikał do sąsiedniej pianki izolacyjnej, pogarszając jej właściwości termiczne. Pierwotną przyczyną nie był początkowo klej, ale przygotowanie powierzchni aluminiowej płyty zimnej. Miał wykończenie walcowane, które było zbyt gładkie, aby klej mógł utworzyć trwałe połączenie, w połączeniu z niedopasowaniem rozszerzalności cieplnej. „Poprawką” w terenie było nałożenie koralika silikonowego, co jest brudne i zawodne. Właściwym rozwiązaniem było przejście na uszczelkę z innym systemem klejenia i zastosowanie lekko ściernej obróbki wstępnej aluminium. Sam materiał uszczelki był w porządku; przyczyną awarii był problem z integracją systemu. To jest typowe uszczelka piankowa bierze na siebie winę, ale problem często leży w projekcie pod kątem montażu lub specyfikacji powierzchni.

To doświadczenie skłoniło nas do bliższego przyjrzenia się piankom o zamkniętych komórkach w porównaniu z piankami o otwartych komórkach w przypadku interfejsów płynnych. Zamknięte komórki są intuicyjne w przypadku uszczelniania cieczy, ale jeśli jest to gaz (jak w przypadku uszczelnienia zbiornika magazynującego energię sprężonego powietrza), szybkość dyfuzji przez matrycę piankową ma większe znaczenie. W przypadku sprężarki wodoru przetestowaliśmy kilka pianek fluorosilikonowych. Przyczyną awarii nie był wyciek sam w sobie, ale kruchość wodorowa spoiwa pianki z biegiem czasu, powodująca kruchość i podatność uszczelki na pylenie podczas demontażu w celu konserwacji. Zanieczyszczenie cząstkami stałymi stanowi ogromny problem. Skończyło się na przejściu na piankę ekspandowaną na bazie PTFE, która miała lepszą odporność chemiczną, ale czyste wycinanie bez rozrywania było koszmarem. Dostawca musiał zainwestować w nowe oprzyrządowanie. Każdy wybór wywołuje efekt falowy.

Więcej niż uszczelnienie: tłumienie hałasu i wibracji

Mniej omawianą rolą jest hałas i wibracje. Duże zielone instalacje technologiczne – przekładnie wiatrowe, hale turbin wodnych, sprężarki przemysłowe do wychwytywania dwutlenku węgla – są hałaśliwe. Uszczelki piankowe na panelach rewizyjnych i pomiędzy sekcjami konstrukcyjnymi przyczyniają się do tłumienia dźwięku. Ale nie chodzi tylko o walnięcie w najgrubszą piankę. Powszechnie stosowany jest winyl obciążony masowo na piankowym podłożu, ale gęstość i grubość pianki należy dostosować do częstotliwości docelowej. W projekcie szafy sterowniczej generatora prądu pływowego w pierwotnym projekcie wykorzystano zwykłą piankę akustyczną. Dobrze tłumił szumy o wysokiej częstotliwości, ale nie zrobił nic w przypadku buczenia o niskiej częstotliwości z transformatorów, co było głównym zarzutem. Musieliśmy zamodelować system i określić piankę wielowarstwową z przegrodą barierową. Koszt wzrósł, ale specyfikacja wydajności została spełniona. To także ekologiczna technologia: poprawa środowiska pracy i zmniejszenie zanieczyszczenia hałasem.

Tłumienie wibracji ma kluczowe znaczenie dla trwałości. W systemach śledzenia energii słonecznej napędy i siłowniki podlegają ciągłym, niewielkim ruchom i wibracjom wywołanym wiatrem. Uszczelka piankowa w punktach mocowania może zapobiec korozji ciernej i luzom. Pamiętam inspekcję farmy fotowoltaicznej, gdzie poluzowały się połączenia śrubowe w rzędach trackerów. Oryginalna konstrukcja miała zwykłą płaską podkładkę. Doposażenie w podkładkę ze zintegrowaną warstwą pianki EPDM po jednej stronie rozwiązało problem. Pianka działała jak swego rodzaju podkładka sprężysta, utrzymując obciążenie zacisku. To niewielki element, ale w tysiącach trackerów zapobiega poważnym problemom związanym z obsługą i konserwacją. Jest to rodzaj praktycznego, nieestetycznego zastosowania, w którym uszczelki piankowe zarabiają na życie.

Pętla zrównoważonego rozwoju

Na koniec porozmawiajmy o końcu życia. Prawdziwie ekologiczny produkt technologiczny uwzględnia demontaż i odzysk materiału. Uszczelki z pianki samoprzylepnej (PSA) to koszmar dla firm zajmujących się recyklingiem. Zanieczyszczają strumienie aluminium lub tworzyw sztucznych. Rośnie zainteresowanie uszczelkami z pianki termoplastycznej, które można odrywać na gorąco lub które są kompatybilne ze strumieniem recyklingu materiału podstawowego. Na przykład uszczelka z pianki poliolefinowej na obudowie akumulatora z polipropylenu może być zaprojektowana tak, aby topiła się i mieszała podczas procesu recyklingu PP bez pogorszenia jakości. To nowość i jeszcze nie standard. Braliśmy udział w pilotażu, w którym przyglądał się temu producent pojazdów elektrycznych. Wyzwaniem było znalezienie pianki, która spełniałaby trzy kryteria w zakresie ognioodporności, właściwości uszczelniających i możliwości recyklingu. Obecny kompromis polega na zastosowaniu rozdzielnej konstrukcji: zatrzaskiwanego paska pianki bez kleju. Działa, jeśli konstrukcja obudowy ma odpowiedni rowek, ale dodaje etapy montażu. To kompromis.

Jaki jest więc werdykt? Rola uszczelka piankowa w kolorze zielonym tech zasadniczo dotyczy integralności systemu i wydajności interfejsów. To szczegół pola, który się skaluje. Zły dobór uszczelek może prowadzić do strat energii (cieplnej, cieczy), przedwczesnej awarii, częstszych konserwacji i powikłań związanych z recyklingiem. Najlepsze praktyki obejmują myślenie o nim od początku jak o elemencie systemu, zrozumienie jego interakcji materiałowych i pozyskiwanie materiałów od dostawców, którzy rozumieją kontekst mechaniczny i środowiskowy. To nie jest towar. W dążeniu do bardziej ekologicznej technologii czasami najmniejsza uszczelka powstrzymuje największe wycieki – jeśli chodzi o wydajność, niezawodność i ostatecznie same obietnice środowiskowe.