Z jakého materiálu jsou vyráběny těsnění Glyd Ring a Step Seal? Vysvětlení sloučenin PTFE

Glyd Ring nebo Step Seal je ve skutečnosti dvě materiálově odlišné součásti, které spolupracují: tuhý opotřebitelný kroužek z PTFE a gumový těsnicí prvek pod ním. O-kroužek většina diskusí o těchto těsněních se zaměřuje na jejich tvar, avšak konkrétní složení PTFE a materiál O-kroužku vybrané pro danou aplikaci mají stejně významný vliv na skutečnou životnost těsnění. Tento článek se zabývá složením těchto materiálů, důvody přídavku plniv do čistého PTFE a způsobem uvažování o volbě materiálu pro konkrétní hydraulický válec.

Z jakého materiálu je Glyd Ring nebo Step Seal vyroben?

Opotřebitelný kroužek obou konstrukcí je vyroben z PTFE (polytetrafluoroethylenu), téměř vždy s přidaným plnivem, nikoli v čisté, neplněné formě. Gumový těsnicí prvek pod ním je samostatný, běžný elastomer – nejčastěji NBR, HNBR nebo FKM – vybraný nezávisle na složení PTFE podle hydraulické kapaliny a teploty, kterým bude těsnění v provozu vystaveno.

Proč se pro opotřebitelný kroužek používá PTFE místo gumy?

PTFE nabízí neobvyklou kombinaci vlastností, která jej činí vhodným pro použití jako kluzný opěrný kroužek: velmi nízký koeficient tření, minimální chování lepení–klouzání (nerovnoměrný, trhavý pohyb, který může vzniknout, pokud se statické a dynamické tření těsnění příliš liší), široká chemická odolnost a široký provozní teplotní rozsah. Žádná z běžných gumových směsí neposkytuje kombinaci nízkého tření a odolnosti proti opotřebení při nepřetržitém klouzání, kterou nabízí PTFE – právě toto je typický provozní režim pístu nebo válcová pečlivka zkušenosti.

Nevýhodou je, že čistý PTFE má relativně nízkou odolnost proti abrazivnímu opotřebení a může se deformovat (plasticky se deformovat) pod trvalým zatížením; proto se v Glyd Ringech a Step Těsněních téměř výhradně používají vyplněné PTFE směsi místo nepřidaného (čistého) PTFE.

Obrázek 1: Kompozit vyplněného PTFE – částice plniva v PTFE matrici

Co znamená pojem „vyplněný PTFE“ a proč je to důležité?

Plněný PTFE je čistý pryskyřičný PTFE, do kterého je přimísená sekundární látka – obvykle bronz, uhlík, grafit nebo skleněné vlákno, někdy i v kombinaci – za účelem zlepšení vlastností, ve kterých neplněný PTFE selhává. Plnění obecně zvyšuje odolnost proti opotřebení, odolnost proti tečení pod zatížením a tepelnou vodivost, přičemž zachovává většinu nízkého tření a chemické odolnosti PTFE. Konkrétní plnivo a jeho hmotnostní podíl jsou vybírány tak, aby odpovídaly očekávanému zatížení, rychlosti a provoznímu prostředí těsnění; právě proto samotný výraz „PTFE těsnění“ nestačí k úplnému popisu složení konkrétního těsnění Glyd Ring nebo Step Seal.

K čemu je vhodný PTFE plněný bronzem?

Bronz se obvykle přidává v poměrně vysoké koncentraci, nejčastěji v rozmezí 40–60 % hmotnostně, a poskytuje plněnému PTFE nejlepší celkovou odolnost proti opotřebení a nosnost mezi běžnými plnivy, spolu s dobrým tepelným vodivostem, který pomáhá odvádět teplo od kluzného kontaktu. Nevýhodami jsou snížená chemická odolnost ve srovnání s neplynutým PTFE a snížená vhodnost pro aplikace, kde by byla elektrická vodivost problematická, protože bronzové plnivo činí sloučeninu vodivou.

PTFE plněné bronzen je běžnou volbou pro těsnění Glyd Rings a Step Seals provozovaná za vyšších zatížení nebo tlaků, kde je důležitější odolnost proti opotřebení a rozměrová stabilita pod zatížením než chemická odolnost sloučeniny.

Obrázek 2: Vzorek těsnění z PTFE plněného bronzen vs. neplynutého PTFE

K čemu je vhodné PTFE plněné uhlíkem nebo grafitem?

Uhlíkový plnivý materiál, obvykle přidaný v množství přibližně 10 až 35 % hmotnostních, zlepšuje odolnost proti opotřebení a odolnost proti deformaci pod zátěží, přičemž chemickou odolnost PTFE v podstatě neovlivňuje – na rozdíl od plnění bronzem. Grafit se často přidává spolu s uhlíkem nebo samostatně v nižším množství, především za účelem dalšího snížení koeficientu tření a zlepšení samo-mazacích vlastností; grafit samotný však nezlepšuje odolnost proti opotřebení tak výrazně jako uhlík.

Uhlíkové plnivé materiály a směsi uhlíku s grafitem jsou běžnou volbou v případech, kdy je třeba udržet chemickou odolnost co nejblíže odolnosti neplněného PTFE nebo kdy by elektrická vodivost způsobená bronzovým plnivým materiálem byla nežádoucí, avšak zároveň je nutné dosáhnout výrazně lepší odolnosti proti opotřebení než u čistého PTFE.

Obrázek 3: Porovnání těsnění z PTFE s plnivem uhlík–grafit versus PTFE s bronzovým plnivem

Jak se tyto sloučeniny PTFE porovnávají přímo vedle sebe?

Následující tabulka shrnuje obecné umístění mezi běžnými naplněnými PTFE materiály. Přesný výkon závisí na procentuálním podílu plniva a konkrétním složení směsi použitém daným výrobcem.

Obrázek 4: Porovnání vyplněných PTFE těsnicích směsí vedle sebe

Z jakého materiálu je vyroben energetizér O-kroužku a proč je také tento výběr důležitý?

O-kroužek pod PTFE kroužkem je konvenční elastomer, jehož materiál se řídí stejnou logikou jako u jakéhokoli jiného hydraulického O-kroužku: NBR pro obecné použití s minerálními oleji při středních teplotách, HNBR tam, kde aplikace pracuje za vyšších teplot nebo vyžaduje lepší odolnost vůči dlouhodobému stárnutí, a FKM tam, kde je prioritou chemická odolnost nebo vysoká trvalá teplota. Protože jedinou úlohou O-kroužku je poskytnout konzistentní pružinovou sílu PTFE kroužku, výběr jeho materiálu se řídí stejnými otázkami kompatibility s olejem a teploty, které jsou popsány v obecnějších srovnáních materiálů těsnění, nikoli něčím specifickým pro konstrukci Glyd Ring nebo Step Seal.

Stojí za to tento výběr považovat za skutečně samostatné rozhodnutí oddělené od volby složení PTFE: sada uzavíracích prvků s vynikajícím měděným plněným PTFE kroužkem, ale s O-kroužkem jako zdrojem energie špatně přizpůsobeným používané hydraulické kapalině, stále selže brzy – avšak selže ze strany zdroje energie, nikoli ze strany opotřebitelného kroužku.

Jak teplota ovlivňuje výkon těsnění z PTFE?

PTFE samo o sobě má neobvykle široký použitelný rozsah teplot a snáší teplo daleko lépe než většina gumových směsí, takže opotřebitelné kroužky z PTFE jsou v těsnění Glyd Ring nebo Step Seal jen zřídka komponentou, která omezuje maximální provozní teplotu. V téměř každém případě dosáhne své teplotní meze nejprve O-kroužek, který těsnění napíná, což znamená, že efektivní maximální teplota, při níž lze těsnění používat, je obecně určena výběrem materiálu O-kroužku (NBR, HNBR nebo FKM), nikoli složením samotného PTFE.

Toto je užitečný zkratkový postup při řešení poruch těsnění způsobených vysokou teplotou: pokud selže těsnění Glyd Ring nebo Step Seal v aplikaci s vysokou teplotou, je prvním místem, které je třeba zkontrolovat, obvykle právě O-kroužek, který těsnění napíná – i když je viditelnější částí celého uspořádání právě PTFE kroužek.

Jak volba plniva ovlivňuje tření a životnost při opotřebení?

Výběr plniva je v konečném důsledku kompromisem mezi třením, odolností proti opotřebení a chemickou odolností; zlepšení jednoho parametru obvykle něco stojí ve vztahu k ostatním. Bronz poskytuje nejlepší odolnost proti opotřebení a nosnost, ale nejvíce snižuje chemickou odolnost. Grafit nejúčinněji snižuje tření, avšak sám o sobě přispívá nejméně k odolnosti proti opotřebení. Uhlík se nachází mezi těmito dvěma materiály: výrazně zvyšuje odolnost proti opotřebení a zároveň udržuje chemickou odolnost blízko úrovni neplněného PTFE. Kombinovaná plniva, například uhlík smíchaný s grafitem, jsou běžná právě proto, že umožňují, aby sloučenina získala některé výhody každého z plniv, místo aby byla plně vystavena jednomu konkrétnímu kompromisu.

V praxi vyšší rychlost a vyšší zatížení upřednostňují bronz nebo směsi uhlíku a grafitu pro jejich odolnost proti opotřebení, zatímco aplikace, kde je hlavním problémem chemická expozice — neobvyklé hydraulické kapaliny nebo kapaliny, které by reagovaly s bronzem — upřednostňují spíše uhlík nebo grafit jako plnivo.

Výzkum zaměřený specificky na předpověď životnosti těsnění Glyd Ring kombinoval empirický vzorec pro rychlost opotřebení PTFE s mechanickým modelem těsnění a modelem úniku, čímž vznikl vzorec pro rychlost opotřebení ve všeobecném tvaru:

δω′ = k · Fa · Vb · tc = 6,2×10-17 · F0,4 · V1,09 · t-0,02 (1)

kde Δω′ je objemová rychlost opotřebení, F je kontaktní síla mezi opotřebitelným kroužkem a jeho protilehlou plochou, V je rychlost klouzání a t je doba provozu; exponenty byly získány z testování opotřebení kompozitních materiálů na bázi PTFE. Z tohoto konkrétního přizpůsobení vyplývají dva významné poznatky: rychlost opotřebení roste přibližně úměrně první mocnině rychlosti klouzání (tj. téměř lineární vztah, což je nejsilnější jednotlivý vliv ve vzorci), zatímco závislost na kontaktní síle je poměrně slabá a po zahájení provozu je téměř nezávislá na čase. Praktický důsledek je, že rychlost válce má mnohem větší vliv na životnost opotřebitelného kroužku než zatížení – výrazně větší, než by naznačovala pouze intuice založená na statickém kontaktním tlaku.

Kombinací modelu úniku prostřednictvím zbytkového úderníku kolem opotřebitelného kroužku – který se chová jako proudění skrz úzkou souosečnou štěrbinu, poháněné částečně tlakovým rozdílem napříč ní a částečně táhnutím pohybující se povrchu – umožňuje tento typ vzorce pro rychlost opotřebení konstruktérům vypočítat zpětně z přípustného průtoku úniku maximální přípustný objem opotřebení a z něj odhadnout životnost. V jednom publikovaném ilustrativním příkladu používajícím tuto metodu byla životnost Glyd Ringu instalovaného se specifickým předstlačením O-kroužku a provozovaného za tlaku 28 MPa a rychlosti reciprokého pohybu 0,1 m/s odhadnuta na přibližně 2 miliony sekund (což odpovídá několika letům typického provozu); stejná metoda ukázala, že životnost roste při úpravě předstlačení O-kroužku – konkrétní ilustrace toho, proč stav a montáž energetizujícího O-kroužku, nikoli jen složení PTFE, přímo vstupují do výpočtu životnosti.

Jak vybrat správný PTFE kompozit pro vaše konkrétní použití?

Protože výběr vhodného plniva závisí současně na zatížení, rychlosti, teplotě a chemickém složení hydraulické kapaliny – nikoli jen na jednom z těchto faktorů – nejspolehlivějším postupem je popsat skutečné provozní podmínky válce dodavateli těsnění, místo aby se předpokládalo, že obecné „PTFE těsnění“ bude mít stejný výkon bez ohledu na typ plniva. Pokud je k dispozici číslo součástky stávajícího těsnění nebo specifikace výrobce, obvykle udává typ použitého plniva; pokud ne, může dodavatel obeznámený s konkrétním použitím válce obvykle doporučit vhodný kompozit na základě popsaného provozního zatížení.

Stejně jako u jakékoli kombinace opěrného kroužku a napínacího těsnění je důležité ověřit jak typ plniva PTFE, tak materiál O-kroužku – nikoli se zaměřovat pouze na jeden z nich a předpokládat, že druhý je standardním výchozím řešením – což poskytuje úplnější obrázek toho, zda dané náhradní těsnění skutečně odpovídá konkrétnímu použití.

Obr. 5: Technik ověřuje typ PTFE kompozitu

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Výpočetní metoda pro životnost glydových kroužků používaných v pístech hydraulických válců.“ Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. „Optimalizace a experimentální zkoumání těsnicích vlastností glydových kroužků pro hydraulické reciprokující pohony.“ Diplomová práce, Jiangnan University, 2025.
3. Nikas G. K. „Osmdesát let výzkumu hydraulických reciprokujících těsnění: Přehled tribologických studií a souvisejících témat od 30. let 20. století.“ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.