Материалы мембран мембранного пневматического насоса

Как известно, главной и определяющей частью мембранно-пневматических насосов, по праву, считается мембрана (её ещё называют диафрагма). Данная деталь насоса работает в тяжёлых условиях. Кроме того, что мембрана постоянно контактирует с перекачиваемой средой (зачастую с агрессивной средой), она на протяжении всего времени работы находится в напряженно-деформированном состоянии. Исходя из этого, становится очевиден тот факт, что мембрана должна быть изготовлена из эластичного, прочного, химическистойкого материала, способного выдерживать высокие циклические нагрузки. Важна прочность материала на разрыв и на растяжение. Мембрана толкает жидкость во время такта подачи, поэтому её структура поверхности должна обладать определённой твердостью и определенным значением относительного удлинения. Твердость материала мембраны измеряется методом вдавливания по шкале Шора. Немаловажным фактором для подбора материала мембраны является температура проходящей через насос среды. Так как мембранно-пневматические насосы предназначены для перекачивания, в том числе, и пищевых продуктов, не маловажным аспектом для выбора материала мембран в диафрагменных насосах является его безопасность, экологичность и способность к дальнейшей переработке.

Виды материалов

Для изготовления мембран используется полимерное сырьё и химические модификации на основе полимерных соединений. Данные материалы можно разделить на три группы: эластомеры, термопласты и термопластичные эластомеры. Они имеют различные модификации по структуре и строению полимеров и как следствие различные физико-химические, механические и эксплуатационные характеристики. Все эти материалы получили широкое распространение в различных областях и сферах деятельности: в машиностроении, в обувной промышленности, в кровельных и теплоизоляционных производствах, в химической промышленности, в фармацевтической промышленности, в строительной индустрии и во многих.

Рассмотрим наиболее известные материалы для изготовления диафрагм мембранно-пневматических насосов. Обзор начнём с эластомеров, которые получают посредством вулканизации натурального и синтетического каучуков – с резиновых эластомеров.

Эластомеры

Buna N

Материал Buna N (буна н) – это бутадиен-нитрильный каучук или нитрильный каучук. Вероятно, более часто встречающееся название данного материала – NBR. Нитрильный каучук относится к синтетическим полимерам и обладает высокой масло и бензостойкостью стойкостью, а также к механическому изнашиванию. Он также устойчив к алифатическим углеводородам, таким как бутан, этан, ацетилен, пропан; к продуктам на основе животных и растительных жиров; к большинству слабоконцентрированных кислотных и щелочных растворов, а также солевых растворов. Buna N не устойчив к ароматическим углеводородам (например бензол или толуол), хлорированным углеводородам, растворителям, эфирам и хладогентам.

Кроме весьма ограниченной химической совместимости данного материала к перекачиваемым средам, он имеет главный свой недостаток это низкая устойчивость к высоким температурам. Опытным путем было установлено, что максимальная температура для данного материала составляет +100^оС. При длительном воздействии высоких температур нитрильный каучук становится менее эластичным, твердеет и увеличивается его хрупкость. Нижний предел ограничений по температурам составляет -30^оС. Данный материал имеет диапазон твердости по Шору А (эластичные материалы) 80-90 единиц. Самое первое название данный материал получил Perbunan после разработки компании LANXESS Technical Rubber Products входящей в состав концерна Bayer в 1930 году. В зависимости от производителя известно множество названий торговых марок данного материала: NipolN, Krynac, Europrene, Perbunan, Chemigum, Hycar, Paracril, Nysysn, Baymod N, Nacar NBR, Arnipol, Paracril, KerN.

EPDM

Материал EPDM – это этиленпропиленовый каучук. Является химически устойчивым к большинству органических и неорганических кислот и щелочей, к различного рода растворителям и спиртам (эфиры, кетоны), к солевым растворам. Не устойчив к алифатическим углеводородам (пропан, бензин, бутан), к минеральным маслам и жирам, ароматическим углеводородам, к хлорированным углеводородам, к растительным и животным маслам и жирам. Этиленпропиленовый каучук обладает высокой стойкостью к механическому изнашиванию, что позволяет применять диафрагмы из данного материала даже для абразивных жидкостей. Кроме этого он имеет большой температурный диапазон использования от -50  до +150^оС. В отдельных случаях при контакте с водяным паром до +180^оС. Твердость по Шору А EPDM сопоставима NBR (Buna N), а вот его эластичность при воздействии высоких температур гораздо выше чем у NBR (Buna N). EPDM – это сокращенное международное наименование. Данный материал можно встретить в различных областях промышленности под торговыми марками: EMKA Beschlagteile GmbH, Висталон (Exxon Mobil, Enjay Chemical), Нордель, (Nordel, Dow), Дютрал (Версалис, Италия, бывший Эникем, Полимери Европа), Келтан (Lanxess, ФРГ), Супрен (SK, Ю.Корея), Эспрен EPDM (Sumitomo Chemical Co, Япония), Роялин (Royalene) (Лайон, США, бывшая Кемтура, бывшая Crompton-Uniroyal Chemistry), Георг Фишер (Швейцария).

Neoprene

Хлоропреновый каучук Neoprene (неопрен) - это самый часто встречающийся в повседневной жизни резиновый эластомер. Благодаря своим свойствам активно используется в промышленности. Данный материал химически устойчив к большинству видов масел (алифатические, силиконовые, нафтеновые, растительные), а также к неконцентрированным кислотам и щелочам и хладагентам. Neoprene из-за химической неустойчивости не рекомендуется использовать с ароматическими углеводородами (бензол, толуол), минеральными маслами, органическими растворителями и эфирами. Хлоропреновый каучук имеет высокие значения прочности на разрыв и на растяжение, огнестоек и обладает высокой упругой деформацией. Максимальная температура контактирующей среды 100^оС, минимальная температура - 50^оС. Наименование Neoprene – это запатентованная торговая марка компании DuPont.

Viton

Синтетический фторированный каучук Viton (Витон) химически устойчив к целому спектру жидкостей и сред и поэтому чаще другим встречается в машино и приборостроении, а также в аэрокосмической промышленности. Благодаря экологичности и безвредности может применяться в пищевой и фармацевтической промышленности. Он устойчив к минеральным, силиконовым, растительным и животным маслам и жирам, алифатическим, ароматическим и хлорированным углеводородам. Кроме этого, Viton устойчив к большинству кислот (в т.ч. агрессивных), за исключением низкомолекулярных органических кислот (таких как муравьиная и уксусная). Не стоит применять данный материал к большинству щелочей и растворителей, а также аминов и кетонов. Данный материал механически стоек, не горюч и обладает рекордной для резиновых эластомеров устойчивостью к температурам. Максимальное температурное значение +200^оС, нижнее -10^оС. Твердость по Шору А 80-90 единиц. Наименование Viton это торговая марка компании DuPont. Американское наименование данного фторкаучука – FKM, международное общепринятое название FPM.

Термопластичные эластомеры

Кроме химической структуры полимерных соединений, мембраны из эластомеров и термопластов различаются, собственно, методом изготовления. Диафрагмы из вулканизированного каучука имеют в своём составе армирующие нейлоновые нити, а термоэластомеры нет. Их получают формовкой, различными способами литья, экструзией. Они имеют общее обозначение TPE. Упругость данных материалов такая же, как у эластомеров, прочность близка к прочности пластмасс, удобны и экономичны в изготовлении, как и любые термопластичные материалы.

Рассмотрим, какие именно термопластичные эластомеры используют для изготовления мембран.

Santoprene, Wil-Flex

Материал Wil-Flex (вил-флекс) является наименованием торговой марки. Santoprene - товарный знак ExxonMobil. Santoprene - это вулканизированный термоэластопласт (TPV), полученный соединением этиленпропиленового каучука (EPDM) и полипропилена.

Данный материал устойчив ко многим агрессивным средам: кислоты различной концентрации (за исключением концентрированных азотной, серной и плавиковой кислот), неорганические соли, спирты (за исключением амилового спирта), щёлочи. Химически не устойчив к ароматическим углеводородам (бензол, толуол), органическим растворителям (ацетон, циклогексанон), хлорсульфоновой и надуксусной кислотам. Основной недостаток материала Santoprene это верхний предел температурного диапазона, всего +107^оС. Твердость материала варьируется от 35 единиц по Шору А до 50 единиц по Шору D. Главное преимущество данного материала это стойкость к абразивному изнашиванию. Кроме наименования Wil-Flex могут встречаться и другие модификации этого эластомера: FWL, FWS, WFS, ZWS.

Hytrel

Следующий материал Hytrel (хайтрел) – это термопластичный полиэфирный эластомер, а если точнее, блоксополимер простого и сложного эфира. Среди термоэластопластов обозначается TPE-E. Hytrel это название продукта зарегистрированное американской компанией DuPont. Можно также встретить другое наименование торговой марки Saniflex. Этот материал отлично выдерживает циклические нагрузки и обладает хорошими механическими свойствами: ударной вязкостью, прочностью на разрыв, устойчивостью к истиранию. Материал хорошо контактирует с ароматическими углеводородами, кислотами карбонового класса (уксусная, лимонная, молочная), спиртами (кроме этилового спирта), щелочами. Не рекомендуется его использование для сильных кислот (соляная, азотная, серная, хромовая) и кетонов. Твердость по Шору D от 30 до 82 единиц. Мембраны из Hytrel имеют схожие с Santoprene ограничения по температуре использования от -30^оС до 104^оС. Можно встретить другие торговые и марки: Arnitel E и Arnitel P (DSM), Pelprene P (Toyobo), Riteflex (Ticona), Spectar (Eastman Chemical).

Polyurethane

Polyurethane (полиуретан) это гетероцепной полимер, основой которого является два полимера - полиол и изоцианат. Обозначение данного материала PU, PUS или TPU – термопластический полиуретан. Имеет высокую стойкость к механическому изнашиванию, высокую прочность как на разрыв так и на растяжение, но обладает весьма скромной химической совместимостью. Мембраны из данного материала хорошо подойдут для неагрессивных сред: вода, растворы солей, минеральные масла и жиры, алифатические углеводороды. Polyurethane химически не устойчив к агрессивным кислотам (особенно к азотной и хлорсодержащим), ароматическим углеводородам, кетонам и спиртам. Твердость по Шору A 98 единиц по Шору D 50 единиц. Ещё одним недостатком Polyurethane это его хрупкость при длительном воздействии отрицательных температур. Главным же преимуществом материала принято считать высокое значение упругой деформации.

Geolast

Материал Geolast (геоласт) название зарегистрированного продукта компании ExxonMobil . Geolast – это материал полученный соединением бутадиен-нитрильного каучука (NBR) и полипропилена, благодаря чему относится к термопластическим вулканизатам (TPE-V, TPV), класс полиолефинов. Geolast химически совместим с растворами солей различных металлов (бария, калия, кальция, железа, марганца, алюминия, олова), с минеральными и синтетическими маслами, с лимонной и молочной кислотами. Не рекомедован контакт данного материала с большинством кислот, с ароматическими углеводородами и хлорсодержащими веществами. Geolast обладает средней упругостью и высокой абразивостойкостью. Твердость по Шору А 75 единиц. В случае использования мембран из Geolast температура перекачиваемой среды должна быть от -40^оС до +80^оС.

Термопласты

PTFE

Самым известным и распространенным материалом для изготовления диафрагм мембранно-пневматических насосов является PTFE. Благодаря своим физико-механическим и химическим свойствам PTFE сильно превосходит перечисленные выше материалы. PTFE – это политетрафторэтилен (известен в России как фторопласт-4) – полимер, состоящий из основы – углерода, каждый атом которого связан с двумя атомами фтора. PTFE зарегистрирован компанией DuPont под наименованием Teflon. Химическая устойчивость к концентрированным кислотам (в.т. сильным), щелочам, солям, спиртам, растворителям и другим средам обуславливается инертностью данного материала, он просто не вступает с ними в реакцию. Кроме инертности, материал обладает высокой адгезией, прочностью на разрыв и абразивостойкостью. Температура использования мембран из PTFE ограничивается примерно от -10оС до +105оС, хотя температурный диапазон самого материала и его модификаций значительно шире. Твердость по Шору D 75 единиц. Обычный PTFE не обладает высокой эластичностью, поэтому очень часто производители насосов используют двухмембранную конструкцию, где внутренняя мембрана выполнена из устойчивого PTFE, а наружная из упругого резинового эластомера. Эту проблему удалось решить компаниям, в конструкции насосов которых используется целиковая комбинированная мембрана.

Они предлагают мембраны с модифицированным (мягким) слоем PTFE, который делает мембрану более упругой, а насос более производительным. Очевидно, что материал PTFE делает насос в общем более универсальным, но тем не менее бывают случаи, когда в мембранах из PTFE нет необходимости и ввиду удешевления насоса достаточно использовать мембраны из резиновых эластомеров.

Сравнительная таблица