Введение
Герметичное уплотнение – это любой тип уплотнения, обеспечивающий герметичность объекта (предотвращающий проникновение воздуха, кислорода или других газов). Изначально этот термин применялся к герметичным стеклянным контейнерам, но с развитием технологий стал использоваться для более широкого спектра материалов, включая резину и пластик. Герметичные уплотнения необходимы для правильной и безопасной работы многих электронных и медицинских изделий. В техническом контексте, герметичность указывается в сочетании с конкретным методом испытаний и условиями эксплуатации. В обиходе требования к герметичности зависят от конкретного применения.
A hermetic seal is any type of sealing that makes a given object airtight (preventing the passage of air, oxygen, or other gases). The term originally applied to airtight glass containers, but as technology advanced it applied to a larger category of materials, including rubber and plastics. Hermetic seals are essential to the correct and safe functionality of many electronic and healthcare products. Used technically, it is stated in conjunction with a specific test method and conditions of use. Colloquially, the exact requirements of such a seal varies with the application.
Этимология
Слово «герметичный» происходит от имени греческого бога Гермеса. Герметичная запайка восходит к алхимии в традиции герметизма. Легендарный Гермес Трисмегист, как считается, изобрел способ сделать стеклянную трубку герметичной, используя секретный метод запайки.
Применение
Некоторые виды упаковки должны обеспечивать герметичность по отношению к потоку газов, например, упаковка для определенных продуктов питания, фармацевтических препаратов, химических веществ и потребительских товаров. Этот термин может описывать результат некоторых способов консервирования, таких как вакуумная упаковка и консервирование. Материалы для упаковки включают стекло, алюминиевые банки, металлические фольги и газонепроницаемые пластмассы. Некоторые здания, спроектированные с применением принципов устойчивой архитектуры, могут использовать герметичные технологии для экономии энергии. В зданиях, соответствующих принципам "зеленого" строительства, могут использоваться окна, сочетающие тройное остекление с заполнением аргоном или криптоном для снижения теплопроводности и повышения эффективности. В ландшафтном и наружном строительстве герметичные уплотнения могут использоваться для защиты электропроводки и соединений инженерных сетей и ландшафтного освещения. Герметичность подразумевает как водонепроницаемость, так и пароизоляцию. Области применения герметичного уплотнения включают полупроводниковую электронику, термостаты, оптические приборы, МЭМС и переключатели. Электрические или электронные компоненты могут быть герметично упакованы для защиты от водяного пара и посторонних частиц, чтобы обеспечить надлежащую работу и надежность. Герметизация для создания герметичных условий используется при архивировании важных исторических документов. В 1951 году Конституция США, Декларация независимости и Билль о правах были герметично упакованы гелием в стеклянные витрины, хранящиеся в Национальном архиве США в Вашингтоне. В 2003 году их переместили в новые стеклянные витрины, герметично заполненные аргоном. В похоронной индустрии некоторые гробы и склепы герметично закрываются резиновым уплотнителем и запираются.
Типы эпоксидных герметических уплотнений
Типичные эпоксидные смолы содержат концевые гидроксильные группы (OH) вдоль своей цепи, которые могут образовывать связи или сильные полярные взаимодействия с оксидными или гидроксильными поверхностями. Большинство неорганических поверхностей – то есть, металлы, минералы, стекла, керамика – обладают полярностью и, следовательно, высокой поверхностной энергией. Важным фактором, определяющим хорошую адгезионную прочность, является близость или превышение поверхностной энергии подложки над поверхностной энергией отвержденного клея. Определенные эпоксидные смолы и технологии их применения позволяют создавать герметичное соединение с медью, латунью, нержавеющей сталью, специальными сплавами, пластиком или самой эпоксидной смолой, имеющими схожие коэффициенты теплового расширения, и используются в производстве герметичных электрических и волоконно-оптических уплотнений. Эпоксидные уплотнения могут повысить плотность сигнала в конструкции ввода-вывода по сравнению с другими технологиями, требуя минимального расстояния между электрическими проводниками. Конструкции герметичных эпоксидных уплотнений могут применяться для герметизации при низком или высоком вакууме или давлении, эффективно герметизируя газы или жидкости, включая гелий, с очень низким уровнем утечки гелия, сопоставимым со стеклом или керамикой. Герметичные эпоксидные уплотнения также обеспечивают гибкость конструкции, позволяя герметизировать провода или контакты из медных сплавов вместо менее электропроводящих материалов на основе ковара, необходимых для герметичных уплотнений из стекла или керамики. При типичном диапазоне рабочих температур от -70 °C до +125 °C или 150 °C, эпоксидные герметичные уплотнения имеют более ограниченные возможности по сравнению со стеклянными или керамическими уплотнениями, хотя некоторые конструкции герметичных эпоксидных уплотнений способны выдерживать 200 °C.
Типы герметичных уплотнений стекло-металл
Когда стекло и металл, подлежащие герметизации, имеют одинаковый коэффициент теплового расширения, "совместимое уплотнение" получает свою прочность от связи между стеклом и оксидом металла. Этот тип герметичного соединения стекла с металлом обычно используется в маломощных приложениях, таких как цоколи лампочек. "Компрессионные уплотнения" возникают, когда стекло и металл имеют разные коэффициенты теплового расширения, в результате чего металл сжимается вокруг затвердевшего стекла при охлаждении. Компрессионные уплотнения способны выдерживать очень высокое давление и применяются в различных промышленных областях. По сравнению с эпоксидными герметичными уплотнениями, стеклянные уплотнения с металлом могут работать при гораздо более высоких температурах (250 °C для компрессионных уплотнений, 450 °C для совместимых уплотнений). Однако выбор материалов более ограничен из-за ограничений, связанных с тепловым расширением. Процесс герметизации выполняется при температуре около 1000 °C в инертной или восстановительной атмосфере для предотвращения изменения цвета деталей.
герметичные уплотнения из керамики в металл
Керамические уплотнения, изготовленные методом совместного обжига, являются альтернативой стеклу. Керамические уплотнения превосходят ограничения конструкции стеклянно-металлических уплотнений благодаря более высокой герметичности в условиях высоких механических нагрузок, требующих прочного уплотнения. Выбор между стеклом и керамикой зависит от области применения, веса, теплового решения и требований к материалам.
Твердые материалы для герметизации
Стеклянные конические соединения могут быть герметично запечатаны уплотнительными кольцами из ПТФЭ (обеспечивают высокую вакуумную герметичность, скорость утечки воздуха 10−6 мБар × л/с и ниже), о-кольцами (в том числе инкапсулированными), или гильзами из ПТФЭ, которые иногда используются вместо смазки, способной растворяться и загрязнять систему. Лента из ПТФЭ, смоляная нить из ПТФЭ и воск также являются альтернативными вариантами, которые широко применяются, но требуют аккуратности при намотке на соединение для обеспечения надежной герметизации.
Масло
Тонкий слой смазки, предназначенной для этой цели, можно нанести на шлифованные поверхности, которые необходимо соединить, а внутренний конус вставляется во внешний конус так, чтобы шлифованные поверхности каждого из них плотно прилегали друг к другу, обеспечивая соединение. Помимо обеспечения герметичности соединения, смазка облегчает последующее разъединение конусов. Возможный недостаток такой смазки заключается в том, что при длительном использовании с лабораторной стеклянной посудой в условиях высоких температур (например, при непрерывной дистилляции) она может со временем загрязнять химические вещества. Кроме того, реагенты могут реагировать со смазкой, особенно в вакууме. По этим причинам рекомендуется наносить тонкое кольцо смазки на широкую часть конуса, а не на его вершину, чтобы предотвратить ее попадание внутрь стеклянной посуды. Если смазка размазывается по всей шлифованной поверхности при соединении, значит, ее было использовано слишком много. Также целесообразно использовать смазки, специально разработанные для этой цели, поскольку они часто лучше обеспечивают герметичность в вакууме, более густые и, следовательно, менее склонны к вытеканию из конуса, сохраняют свою консистенцию при более высоких температурах, чем вазелин (распространенная замена), и более химически инертны, чем другие заменители.
Уборка
Склеивания из шкла полупрозрачны, когда они чистые и не содержат загрязнений. Растворители, реакционные смеси и старая смазка выглядят как прозрачные участки. Смазку можно удалить, протирая подходящим растворителем; эфиры, хлористый метилен, этилацетат или гексаны хорошо подходят для силиконовой и углеводородной смазки. Смазки на основе фторэфиров практически не растворяются в органических растворителях. Большинство химиков просто удаляют их насколько это возможно. Некоторые фторированные растворители могут удалять смазки на основе фторэфиров, но они дороже лабораторных растворителей.
Испытания
Для измерения скорости пропускания паров влаги, скорости пропускания кислорода и т.д. существуют стандартные методы испытаний упаковочных материалов. Однако готовые упаковки включают в себя термосварные швы, соединения и запорные элементы, которые часто снижают эффективность барьерных свойств упаковки. Например, стекло стеклянной бутылки может обладать высокой общей барьерной способностью, в то время как винтовая крышка и уплотнитель крышки – нет.