Uit Welk Materiaal Zijn Glyd Rings en Step Seals Gemaakt? Uitleg over PTFE-samenstellingen

Een Glyd-ring of stapelafdichting bestaat eigenlijk uit twee materialen die samenwerken: een stijve PTFE-slijtagering en een rubberen energizer eronder. O-ring het grootste deel van de discussie rond deze afdichtingen richt zich op hun vorm, maar de specifieke PTFE-samenstelling en het O-ringmateriaal dat voor een bepaalde toepassing wordt gekozen, hebben evenveel invloed op de werkelijke levensduur van de afdichting. In dit artikel wordt besproken waaruit deze samenstellingen bestaan, waarom vulstoffen aan zuivere PTFE worden toegevoegd en hoe je bij een gegeven cilinder over materiaalkeuze moet nadenken.

Uit welk materiaal bestaat een Glyd-ring of stapelafdichting?

De slijtagering in beide ontwerpen is gemaakt van PTFE (polytetrafluoroethyleen), bijna altijd gewijzigd met een vulstof in plaats van in zijn zuivere, ongewijzigde vorm te worden gebruikt. De O-ringenergizer eronder is een afzonderlijke, conventionele elastomeer — meestal NBR, HNBR of FKM — die onafhankelijk van de PTFE-samenstelling wordt gekozen op basis van de hydraulische vloeistof en de temperatuur waaraan de afdichting in gebruik zal worden blootgesteld.

Waarom wordt PTFE gebruikt voor de slijtagering in plaats van rubber?

PTFE biedt een ongebruikelijke combinatie van eigenschappen die het zeer geschikt maken als glijdende slijtring: een zeer lage wrijvingscoëfficiënt, minimale stick-slip-gedrag (de schokkerige, ongelijkmatige beweging die optreedt wanneer de statische en dynamische wrijving van een afdichting te sterk van elkaar verschillen), brede chemische weerstand en een groot bruikbaar temperatuurbereik. Geen van de gangbare rubberverbindingen evenaart de combinatie van lage wrijving en slijtvastheid van PTFE bij continue glijdende contacten, wat precies de belasting is waaraan een zuiger of stang zegel ervaringen.

Het nadeel is dat zuiver PTFE relatief slechte weerstand heeft tegen abrasieve slijtage en kan vervormen (kruipen) onder langdurige belasting, waardoor gevulde PTFE-verbindingen, in plaats van onbewerkte PTFE, bijna altijd worden gebruikt in Glyd Rings en Step Seals.

Foto1: Gevulde PTFE-composiet: vuldeeltjes in PTFE-matrix

Wat betekent ‘gevulde PTFE’, en waarom is dat belangrijk?

Gevulde PTFE is gewone PTFE-hars met een secundair materiaal dat eraan is toegevoegd — meestal brons, koolstof, grafiet of glasvezel, soms in combinatie — om eigenschappen te verbeteren waar ongevulde PTFE tekort schiet. Het toevoegen van vulstoffen verbetert over het algemeen de slijtvastheid, de weerstand tegen kruipen onder belasting en de thermische geleidbaarheid, terwijl de meeste lage wrijving en chemische weerstand van PTFE behouden blijven. De specifieke vulstof en het gewichtspercentage ervan worden gekozen op basis van de verwachte belasting, snelheid en bedrijfsomgeving van de afdichting; daarom geeft de term ‘PTFE-afdichting’ alleen nog niet volledig weer waaruit een bepaalde Glyd Ring of Step Seal bestaat.

Waar is bronsgevulde PTFE geschikt voor?

Brons wordt meestal in een relatief hoge concentratie toegevoegd, gewoonlijk in het bereik van 40–60 gewichtsprocent, en verleent gevulde PTFE de beste algehele slijtvastheid en belastbaarheid onder de gangbare vulstofopties, samen met een goede thermische geleidbaarheid die helpt om warmte weg te voeren van het glijdende contactoppervlak. De nadelen zijn een verminderde chemische weerstand vergeleken met ongevulde PTFE en een verminderde geschiktheid voor toepassingen waar elektrische geleidbaarheid een probleem zou vormen, aangezien brons de verbinding geleidend maakt.

Brons-gevulde PTFE is een veelgebruikte keuze voor Glyd Rings en Step Seals die werken onder hogere belastingen of drukken, waarbij slijtvastheid en dimensionale stabiliteit onder belasting belangrijker zijn dan de chemische weerstandsmarge van de verbinding.

Foto 2: Voorbeeld van een brons-gevulde PTFE-afdichting vergeleken met ongevulde PTFE

Waar is koolstof- of grafiet-gevulde PTFE geschikt voor?

Koolstofvuller, meestal toegevoegd in een hoeveelheid van ongeveer 10–35 gewichtsprocent, verbetert de slijtvastheid en weerstand tegen vervorming onder belasting, terwijl de chemische weerstand van PTFE grotendeels behouden blijft, in tegenstelling tot bronsvulling. Grafiet wordt vaak samen met koolstof toegevoegd of afzonderlijk in een lagere percentage, voornamelijk om de wrijvingscoëfficiënt verder te verlagen en het zelfsmerende gedrag te verbeteren; grafiet alleen verhoogt de slijtvastheid echter minder dan koolstof.

Koolstof en koolstof-grafietmengsels zijn een veelgebruikte keuze wanneer de chemische weerstand dicht bij die van ongevulde PTFE moet blijven, of wanneer elektrische geleidbaarheid door een bronsvuller ongewenst is, terwijl toch een aanzienlijk betere slijtvastheid nodig is dan die welke puur PTFE biedt.

Foto 3: Vergelijking van PTFE-afdichtingen met koolstof-grafietvulling versus bronsvulling

Hoe vergelijken deze PTFE-samenstellingen zich direct met elkaar?

De onderstaande tabel geeft een algemene positiebepaling weer van gangbare gevulde PTFE-opties. De exacte prestaties hangen af van het vulpercentage en de specifieke samenstelling die door een bepaalde fabrikant wordt gebruikt.

Foto 4: Zij-aan-zijvergelijking van PTFE-afdichtingsmaterialen met vulstof

Uit welk materiaal is de O-ring-energizer gemaakt, en waarom is die keuze ook belangrijk?

De O-ring onder de PTFE-ring is een conventionele elastomeer, en het materiaal ervan volgt dezelfde logica als voor elke andere hydraulische O-ring: NBR voor algemeen gebruik met minerale olie bij matige temperaturen, HNBR wanneer de toepassing hogere temperaturen bereikt of betere langdurige ouderingsbestendigheid vereist, en FKM wanneer chemische bestendigheid of hoge continue temperatuur prioriteit heeft. Aangezien de enige functie van de O-ring is om een constante veerkracht aan de PTFE-ring te leveren, wordt de keuze van het materiaal bepaald door dezelfde vragen over oliecompatibiliteit en temperatuur die ook in algemenere vergelijkingen van afdichtingsmaterialen worden behandeld, en niet door iets specifieks aan het Glyd Ring- of Step Seal-ontwerp zelf.

Het is zinvol om dit als een echt afzonderlijke beslissing te beschouwen ten opzichte van de keuze van de PTFE-samenstelling: een dichtingsset met een uitstekende koper-bronsgevulde PTFE-ring, maar een O-ring-energizer die slecht is afgestemd op de gebruikte hydraulische vloeistof, zal toch vroegtijdig falen — alleen vanaf de zijde van de energizer in plaats van vanaf de slijtagering.

Hoe beïnvloedt temperatuur de prestaties van een PTFE-afdichting?

PTFE zelf heeft een ongebruikelijk breed bruikbaar temperatuurbereik en verdraagt hitte veel beter dan de meeste rubberverbindingen, dus de PTFE-slijtring is zelden het component dat de temperatuurgrens bepaalt in een Glyd Ring of Step Seal. In bijna alle gevallen bereikt de O-ring-energizer eronder eerst zijn temperatuurgrens, wat betekent dat de effectieve maximale temperatuurwaarde van de afdichting over het algemeen wordt bepaald door de keuze van het O-ring-materiaal (NBR, HNBR of FKM) en niet door de PTFE-samenstelling.

Dit is een handige snelle methode bij het oplossen van problemen met een hittegerelateerde afdichtingsfout: als een Glyd Ring of Step Seal faalt in een toepassing met hoge temperatuur, is de O-ring-energizer over het algemeen het eerste onderdeel om te onderzoeken, ook al is de PTFE-ring het meest zichtbare onderdeel van de assemblage.

Hoe beïnvloedt de keuze van vulstof wrijving en slijtagelevensduur?

De keuze van vulstof is uiteindelijk een afweging tussen wrijving, slijtvastheid en chemische weerstand; het verbeteren van één eigenschap gaat meestal ten koste van een andere. Brons biedt de beste slijtvastheid en belastbaarheid, maar vermindert de chemische weerstand het meest. Grafiet verlaagt de wrijving het effectiefst, maar draagt op zichzelf het minst bij aan de slijtvastheid. Koolstof neemt een tussenpositie in: het verbetert de slijtvastheid aanzienlijk, terwijl de chemische weerstand dicht bij die van ongevulde PTFE blijft. Combinatie-vulstoffen, zoals koolstof gemengd met grafiet, zijn veelgebruikt juist omdat ze een compound toestaan om enkele voordelen van elk component te combineren, in plaats van volledig te kiezen voor één van de compromissen.

In praktijkgebruik geven hogere snelheid en hogere belasting doorgaans de voorkeur aan brons- of koolstof-grafietmengsels vanwege hun slijtvastheid, terwijl toepassingen waarbij chemische blootstelling het grootste zorgpunt is — bijzondere hydraulische vloeistoffen of vloeistoffen die met brons zouden reageren — eerder koolstof- of grafietvulling verkiezen.

Onderzoek dat specifiek gericht is op het voorspellen van de levensduur van Glyd Ring combineert een empirische PTFE-slijtageformule met een mechanisch model van de afdichting en een lekkagemodel, wat resulteert in een slijtagesnelheid die wordt uitgedrukt in de algemene vorm:

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

waarbij Δω′ de volumetrische slijtagerichting is, F de contactkracht tussen de slijtring en zijn tegenoppervlak, V de glijdsnelheid en t de bedrijfstijd is, met de exponenten bepaald op basis van slijtageproeven met PTFE-composieten. Twee zaken vallen op bij deze specifieke aanpassing: de slijtagerichting is bij benadering lineair afhankelijk van de glijdsnelheid (dus ongeveer tot de eerste macht — de sterkste individuele invloed in de formule), terwijl de afhankelijkheid van de contactkracht relatief zwak is en de slijtagerichting vrijwel tijdsonafhankelijk wordt zodra de werking is opgestart. De praktische implicatie is dat de cilindersnelheid een buitensporig grote invloed heeft op de levensduur van de slijtring vergeleken met de belasting — meer dan intuïtie gebaseerd op statische contactdruk alleen zou suggereren.

In combinatie met een model voor lekkage via de resterende speling rond de slijtagering — wat gedraagt als stroming door een smalle concentrische spleet, aangedreven deels door het drukverschil eroverheen en deels door de meeslepende beweging van het bewegende oppervlak — stelt dit soort slijtagesnelheidsformule ontwerpers in staat om vanaf een toelaatbare lekkageratio terug te rekenen naar een maximaal toelaatbaar slijtagevolume, en vervolgens naar een geschatte levensduur. In een gepubliceerd voorbeeld waarbij deze methode werd toegepast, werd een Glyd Ring met een specifieke O-ring-voorspanning, werkend bij 28 MPa en een reciproke snelheid van 0,1 m/s, geschat op ongeveer 2 miljoen seconden levensduur (in de orde van een paar jaar bij typisch gebruik); dezelfde methode toonde ook aan dat de levensduur toeneemt wanneer de O-ring-voorspanning wordt aangepast — een concreet voorbeeld van waarom de toestand en installatie van de O-ring-energizer, niet alleen de PTFE-samenstelling, direct meewegen in de berekening van de levensduur.

Hoe kunt u de juiste PTFE-samenstelling voor uw toepassing identificeren?

Omdat de juiste vulstof afhangt van belasting, snelheid, temperatuur en de chemie van de hydraulische vloeistof samen, in plaats van van één enkele factor, is de meest betrouwbare aanpak om de werkelijke bedrijfsomstandigheden van de cilinder te beschrijven aan een afdichtingsleverancier, in plaats van te veronderstellen dat een algemene ‘PTFE-aftettingsring’ hetzelfde presteert, ongeacht de vulstof. Indien het onderdeelnummer van een bestaande afdichting of de fabrikantenspecificatie beschikbaar is, geeft deze meestal de soort vulstof aan; indien dit niet het geval is, kan een leverancier die bekend is met de toepassing van de cilinder over het algemeen een geschikte samenstelling aanraden op basis van de beschreven belasting.

Net als bij elke combinatie van slijtagering en energiser is het belangrijk om zowel de PTFE-vulstof als het O-ring-elastomeer te bevestigen — in plaats van zich alleen op één ervan te richten en te veronderstellen dat het andere een standaardstandaard is — wat een vollediger beeld geeft van of een bepaalde vervangende afdichting daadwerkelijk is afgestemd op de toepassing.

Foto 5: Technicus controleert PTFE-samenstelling

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Berekeningsmethode voor de levensduur van Glyd-ringen in zuigers van hydraulische cilinders." Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. "Optimalisatie en experimenteel onderzoek naar de afdichtprestaties van hydraulische heen-en-weergaande Glyd-ring." Masterproef, Jiangnan University, 2025.
3. Nikas G. K. „Tachtig jaar onderzoek naar hydraulische heen-en-weer-dichtingen: Overzicht van tribologisch onderzoek en gerelateerde onderwerpen sinds de jaren 1930.“ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.