Dimethicone 1000 cSt указывает на класс вязкости силиконовой жидкости, обычно определяемый при 25°C. Это не задаёт усилие демпфирования, время закрывания или сопротивление вращению. Эти характеристики зависят от динамической вязкости жидкости при рабочей температуре, геометрии демпфирующего механизма и скорости движения. Поэтому полезная спецификация связывает класс вязкости с измеренной характеристикой «усилие–скорость» или «крутящий момент–скорость», полученной в заданных условиях.

Прежде всего следует различать кинематическую вязкость, выражаемую в сантистоксах, и динамическую вязкость, которая используется в большинстве расчётов демпфирования. Также важно отличать свойства жидкости, измеренные в контролируемых условиях, от поведения заполненного узла. Смешение этих понятий может привести к тому, что компонент будет работать как нужно при испытании при комнатной температуре, но двигаться слишком медленно при запуске или терять сопротивление после многократного использования.

Что именно определяет обозначение 1000 cSt

Кинематическая вязкость описывает соотношение динамической вязкости и плотности. Один сантистокс равен одному квадратному миллиметру в секунду, поэтому 1000 cSt эквивалентны 1000 мм²/с. Без температуры измерения это значение неполно: значение, указанное при 25°C, нельзя напрямую сравнивать со значением, указанным при 40°C.

Для многих механических расчётов требуется выполнить следующее преобразование:

Динамическая вязкость = кинематическая вязкость × плотность

Если кинематическая вязкость выражена в cSt, а плотность — в г/см³, результатом будет динамическая вязкость в мПа·с. Например, для жидкости с кинематической вязкостью 1000 cSt и плотностью 0,97 г/см³ при одной и той же температуре динамическая вязкость составит 970 мПа·с, или 0,97 Па·с. Плотность в этом примере является условным допущением, а не характеристикой, заданной для всех марок диметикона.

Для значения «1000 cSt» также необходимо указать допуск. Обозначение номинальной марки не сообщает допустимый диапазон для партий, является ли указанное значение типичным или проверяется ли каждая партия. Технический паспорт и сертификат анализа выполняют разные функции: первый описывает марку, а второй содержит результаты испытаний конкретной партии, если такие испытания проводятся.

Диметиконом обычно называют полидиметилсилоксан, или PDMS. Совпадение обозначения вязкости само по себе не подтверждает идентичность распределения молекулярной массы, содержания летучих веществ, добавок или пригодности для конкретного демпфирующего механизма.

Как вязкость создаёт сопротивление движению

В простом сдвиговом зазоре сопротивление жидкости возникает при относительном движении двух поверхностей. Для ламинарного течения ньютоновской жидкости при постоянном зазоре и пренебрежимо малом влиянии краевых эффектов полезно следующее приближение:

F = μAv/h

Здесь F — сила сопротивления, μ — динамическая вязкость, A — площадь сдвига, v — относительная скорость поверхности, а h — толщина слоя жидкости. Эта зависимость объясняет, почему по одному значению вязкости нельзя предсказать демпфирование. Увеличение смоченной площади повышает силу, а увеличение зазора снижает её. Изменение размеров может компенсировать изменение марки жидкости.

Например, при указанных допущениях удвоение динамической вязкости удваивает силу сопротивления при неизменной скорости. Уменьшение зазора вдвое также удваивает силу. Это зависимости, описываемые моделью, а не гарантированные результаты для готового демпфера, где на сопротивление дополнительно влияют утечки, уплотнения, течение под давлением и изменение геометрии.

В ротационном демпфере действует тот же физический принцип, но локальная скорость поверхности увеличивается с радиусом. Поэтому крутящий момент зависит не только от вязкости и зазора, но и от распределения радиусов рабочих поверхностей. Два узла, содержащих одинаковый объём жидкости, могут создавать существенно различный крутящий момент, если жидкость находится в рабочих полостях разной геометрии.

Поведение жидкости в суженных каналах, где течение создаётся давлением, отличается от поведения в простых сдвиговых зазорах. При ламинарном течении через узкий канал небольшие изменения размеров могут значительно изменить перепад давления. При существенном влиянии инерции, входных потерь или турбулентности сопротивление перестаёт прямо зависеть от вязкости. Поэтому выбор более вязкой жидкости для компенсации неконтролируемого размера канала может привести к нестабильным результатам для разных узлов.

Температура изменяет рабочий класс вязкости

Вязкость силиконовых жидкостей обычно меняется с температурой меньше, чем у многих традиционных минеральных масел, однако при повышении температуры она также снижается. При проектировании следует учитывать вязкость во всём фактическом диапазоне рабочих температур, включая холодный запуск и температуру, достигаемую при многократных циклах движения.

Единичного измерения при комнатной температуре недостаточно, чтобы определить этот диапазон. Данные о зависимости вязкости от температуры для конкретной марки полезнее общих утверждений о термостабильности. Химическая стабильность, сохранение вязкости при старении и непосредственная реакция вязкости на изменение температуры — разные свойства.

Механическая мощность, рассеиваемая при демпфировании линейного движения, приблизительно равна произведению силы на скорость. При вращении она равна произведению крутящего момента на угловую скорость. Эта энергия превращается в тепло. Поэтому короткий лабораторный ход и продолжительное испытание с циклическим движением могут давать разное сопротивление, даже если температура окружающей среды в начале испытания одинакова.

При температурном кондиционировании необходимо учитывать жидкость внутри компонента. Достижение заданной температуры воздуха в камере не доказывает, что внутренняя жидкость пришла в тепловое равновесие, особенно если корпус крупный или узел содержит теплоизолирующие детали.

Когда измеренное сопротивление перестаёт соответствовать вязкости

При умеренных рабочих условиях ньютоновское приближение часто применимо к немодифицированным жидкостям PDMS. Тем не менее его следует проверять в соответствующем диапазоне скоростей сдвига. В простом зазоре скорость сдвига приблизительно равна скорости поверхности, делённой на зазор. Поэтому умеренная скорость движения при очень малом зазоре может создавать гораздо более высокую скорость сдвига, чем интенсивное перемешивание жидкости в открытой ёмкости.

Если материал содержит наполнители, загустители или другие модификаторы, одно измеренное значение вязкости становится менее информативным. Зависимость свойств от скорости сдвига требует кривой течения и точно заданной методики измерения. Чрезмерное воздействие сдвига или температуры также может изменить характеристики, поэтому неограниченная экстраполяция результатов измерения вязкости при низкой скорости сдвига ненадёжна.

Трение уплотнений — ещё один фактор, который необходимо отличать от вязкостного сопротивления. Высокое усилие срыва с места с последующим снижением сопротивления при движении часто указывает на статическое трение или прилипание уплотнения. Повышение вязкости жидкости увеличивает вязкостную составляющую сопротивления, но не обязательно устраняет начальное заедание. Измерения сопротивления на нескольких скоростях помогают разделить эти эффекты: примерно постоянная составляющая указывает на трение, а возрастающая составляющая согласуется с вязкостным демпфированием.

Воздух создаёт иную картину. Захваченные пузырьки повышают сжимаемость, вызывая задержку сопротивления, пружинящее движение или неравномерную реакцию при изменении направления. При быстром движении недостаточное восполнение жидкости также может вызвать локальную кавитацию. Для устранения этих явлений необходимо учитывать заполнение, удаление воздуха, давление и конструкцию каналов; одно лишь изменение вязкости не позволяет установить причину.

Стабильность демпфирования зависит от совместимости материалов

Жидкость должна быть совместима с уплотнениями, пластмассами, покрытиями, клеями и остатками технологических материалов. Таблицы химической стойкости полезны для предварительного отбора, однако именно испытания узла показывают, сохраняет ли конкретное сочетание материалов размеры, механическую прочность и герметичность при предусмотренном воздействии.

Особое внимание следует уделить силиконовым эластомерам, поскольку некоторые силиконовые жидкости могут вызывать их набухание. Совместимость также зависит от состава эластомера, системы отверждения, температуры и продолжительности воздействия. Одного общего наименования материала недостаточно, чтобы подтвердить пригодность сочетания с уплотнением.

Низкое поверхностное натяжение позволяет силиконовой жидкости проникать в небольшие зазоры и растекаться по поверхностям. Жидкость, которая кажется надёжно удерживаемой при кратковременном испытании, может мигрировать при длительном хранении или многократных температурных циклах. Обнаружение масла у вала или стыка корпуса требует проверки пути утечки и условий давления наряду с оценкой вязкости.

При оценке альтернатив или загрязнения важна химическая идентичность. 2-Ethyl-1,3-hexanediol CAS#94-96-2 — органический диол, применяемый, в частности, в химическом синтезе и экстракции; химически он отличается от PDMS. Его плотность, внешний вид в жидком состоянии или диапазон температур кипения не подтверждают эквивалентные демпфирующие свойства или совместимость с узлом, заполненным силиконовой жидкостью. Замена требует подтверждения пригодности для конкретного применения.

Измерения, позволяющие корректно сравнивать марки

В результатах измерения вязкости должны быть указаны метод, температура, единицы и диапазон допуска. Калиброванные капиллярные измерения определяют кинематическую вязкость на основании контролируемого течения. Ротационные измерения определяют вязкость по зависимости между приложенным движением и сопротивляющимся крутящим моментом. Для получения результатов необходимы подходящие приборы, контроль температуры и процедуры, соответствующие жидкости; результаты, полученные разными методами, нельзя считать взаимозаменяемыми без учёта условий измерения.

Для сравнения чувствительных к температуре жидкостей образцу необходимо дать достаточно времени для достижения теплового равновесия. Пузырьки, загрязнение и предшествующие условия обращения с образцом могут вызвать различия, которые ошибочно приписывают номинальной марке. Сохранённый контрольный образец помогает отличить изменение материала от дрейфа измерений.

Затем испытания узла должны связать лабораторные характеристики с предполагаемым движением:

1. Определите отклик в механических параметрах: крутящий момент сопротивления при заданных скоростях вращения, силу при заданных линейных скоростях или время перемещения при контролируемой нагрузке.
2. Обеспечьте воспроизводимые условия заполнения. Количество жидкости, свободный объём, удаление пузырьков и ориентация узла влияют на результат, особенно если каналы должны оставаться заполненными жидкостью.
3. Проводите измерения во всём требуемом диапазоне температур и скоростей. Включите в программу как поведение при запуске, так и длительную циклическую работу, если оба режима встречаются в эксплуатации.
4. После соответствующих циклических испытаний и хранения повторите контрольное измерение и проверьте, нет ли потери жидкости или изменений контактирующих материалов.

Одно лишь время перемещения может скрыть причину изменения. Например, в механизме с пружинным приводом сочетаются крутящий момент пружины, трение и сопротивление жидкости. Увеличение времени закрывания может быть вызвано повышением вязкости, снижением приводного крутящего момента или усилением трения уплотнений. Одновременная регистрация крутящего момента или силы и движения позволяет провести более содержательное сравнение.

Как определить, менять вязкость или геометрию

Марка с более высокой вязкостью — обоснованный параметр для разработки, если сопротивление стабильно слишком низкое во всём требуемом рабочем диапазоне и в механизме преобладает течение под действием вязкости. Сравнивать следует динамическую вязкость при каждой рабочей температуре, а не только номинальные значения в cSt при контрольной температуре.

Если на холоде сопротивление уже чрезмерно, а при нагреве его недостаточно, повышение контрольной вязкости ухудшит работу в холодных условиях. В этом случае следует проверить зависимость вязкости жидкости от температуры и температурную реакцию механизма. Если чрезмерное сопротивление возникает только при начальном движении, в первую очередь следует проверить трение уплотнений. Если характеристики номинально одинаковых узлов сильно различаются, прежде чем выбирать другую марку, необходимо проверить зазор, условия заполнения и утечки.

Обоснованная спецификация на диметикон 1000 cSt должна сочетать установленный диапазон допуска для жидкости с требованиями к характеристикам узла. На чертеже и в процедуре испытаний необходимо определить соответствующую геометрию, условия заполнения, температуру, режим движения и допустимое сопротивление. Это позволяет оценивать изменения партии жидкости или размеров компонента по единым функциональным требованиям.