Elastomeren

Elastomeren (rubbers) zijn speciale polymeren die zeer elastisch zijn. Zij zijn licht vernet en amorf met een glasovergangstemperatuur ver onder kamertemperatuur. Zij kunnen worden beschouwd als één zeer grote molecule van macroscopische grootte. De intermoleculaire krachten tussen de polymeerketens zijn vrij zwak. De crosslinks onderdrukken de onomkeerbare vloei volledig, maar de ketens zijn zeer flexibel bij temperaturen boven de glasovergang, en een kleine kracht leidt tot een grote vervorming (zie ook rubberelasticiteit).1 Elastomeren hebben dus een lage elasticiteitsmodulus en een zeer hoge breukrek in vergelijking met andere polymeren. De term elastomeer wordt vaak door elkaar gebruikt met de term rubber, hoewel aan de laatste de voorkeur wordt gegeven wanneer wordt verwezen naar gevulkaniseerde rubbers.

Elastomeren kunnen in drie grote groepen worden ingedeeld: diene-, niet-diene- en thermoplastische elastomeren. Diene-elastomeren worden gepolymeriseerd uit monomeren die twee opeenvolgende dubbele bindingen bevatten. Typische voorbeelden zijn polyisopreen, polybutadieen en polychloropreen. Niet-dieenelastomeren zijn onder meer butylrubber (polyisobutyleen), polysiloxanen (siliconenrubber), polyurethaan (spandex) en fluorelastomeren. Niet-dieen elastomeren hebben geen dubbele bindingen in de structuur, zodat voor verknoping andere methoden dan vulcanisatie nodig zijn, zoals toevoeging van trifunctionele monomeren (condensatiepolymeren), of toevoeging van divinyl monomeren (vrije radicalen polymerisatie), of copolymerisatie met kleine hoeveelheden diëen monomeren zoals butadieen.Thermoplastische elastomeren zoals SIS en SBS blokcopolymeren en bepaalde urethanen zijn thermoplastisch en bevatten stijve (harde) en zachte (rubberachtige) herhalingseenheden. Wanneer afgekoeld van de smelttoestand tot een temperatuur onder de glasovergangstemperatuur, de harde blokken fase scheiden tot stijve domeinen die fungeren als fysieke crosslinks voor de elastomere blokken te vormen.

Maken van elastomere onderdelen wordt bereikt in een van de drie manieren: spuitgieten, transfer molding, of compressie gieten. De keuze van het gietproces hangt af van verschillende factoren, waaronder de vorm en grootte van de onderdelen, de vereiste tolerantie, alsmede de hoeveelheid, het type elastomeer en de grondstofkosten.

Zoals bij bijna elk materiaal, moet bij de selectie van het juiste elastomeerproduct voor de toepassing rekening worden gehouden met vele factoren, waaronder de mechanische en fysische servicevereisten, de blootstelling aan chemicaliën, de bedrijfstemperatuur, de levensduur, de maakbaarheid van de onderdelen, en de grondstof- en productiekosten.

Hittebestendigheid

De elastomeerprestaties worden minder voorspelbaar en betrouwbaar wanneer een elastomeer dicht bij de grenzen van zijn diensttemperatuurbereik wordt gebruikt. Als bijvoorbeeld de temperatuur daalt, worden elastomeren harder en minder flexibel en wanneer de temperatuur de glasovergangstemperatuur bereikt, verliezen zij hun rubberachtige eigenschappen volledig. Bij nog lagere temperaturen, d.w.z. bij het brosse punt, kunnen zij barsten. Veranderingen in de elastomeereigenschappen als gevolg van lage temperaturen zijn gewoonlijk fysisch en volledig omkeerbaar, tenzij het elastomeeronderdeel wordt blootgesteld aan grote spanningen die schade kunnen veroorzaken beneden de brosheidstemperatuur of de glasovergangstemperatuur. Het omgekeerde is het geval wanneer een elastomeer aan hoge temperaturen wordt blootgesteld, dat wil zeggen aan temperaturen dichtbij of boven de bedrijfstemperatuurgrens. Bij deze temperaturen ondergaan elastomeren vaak onomkeerbare chemische veranderingen. De polymeerruggengraat kan bijvoorbeeld een ketensplitsing ondergaan of de polymeermoleculen kunnen een crosslink aangaan, waardoor het elastomeerdeel ofwel (veel) zachter ofwel stijver wordt, wat op zijn beurt de weerstand tegen indrukking vermindert.

De maximale gebruikstemperatuur kan sterk variëren van elastomeer tot elastomeer. De hoogste continue gebruikstemperaturen hebben siliconen- en fluorkoolstofelastomeren die meer dan 400°F (230°C)2 kunnen bereiken, gevolgd door polyacryl- en gehydrogeneerde nitrilelastomeren met een maximale gebruikstemperatuur tussen 320 en 350°F (160 – 180°C), terwijl meer gewone elastomeren zoals neopreen en nitril een maximale gebruikstemperatuur tussen 210 en 250°F (100 – 120°C) hebben.

Compatibiliteit met vloeistoffen

Er kan sterke zwelling en snelle verslechtering of volledige afbraak van een elastomeeronderdeel optreden als het elastomeer niet compatibel is met de vloeistof waaraan het wordt blootgesteld. Factoren zoals chemische concentratie, bedrijfstemperatuur en druk beïnvloeden de stabiliteit/compatibiliteit met de chemicaliën. In geval van twijfel moet het elastomeer vóór gebruik in functionele tests worden geëvalueerd.

Omdat bij veel toepassingen koolwaterstofoliën betrokken zijn, worden elastomeeronderdelen zoals afdichtingen geclassificeerd volgens hun hitte- en oliebestendigheid. In het ASTM D2000-systeem bijvoorbeeld worden elastomeren gerangschikt naar hittebestendigheid (type) en olieweerstand (klasse). Fluorsiliconen- en fluorkoolstofelastomeren hebben een uitstekende olieweerstand bij hoge temperaturen (> 200°C). Andere elastomeren met een goede oliebestendigheid maar slechts een gemiddelde hittebestendigheid zijn NBR, ACM en HNBR. In het geval van ACM en HNBR mag de bedrijfstemperatuur in koolwaterstofoliën niet hoger zijn dan 150°C en in het geval van NBR 100°C. Siliconen- en neopreenelastomeren zijn slechts matig bestand tegen olie. Siliconenelastomeren kunnen echter bij veel hogere temperaturen worden gebruikt dan neopreen. Een slechte olieweerstand kan worden verwacht voor EPDM, SBR, butyl (IIR, CIIR, BIIR) en elastomeren op basis van natuurrubber (NR, IR).

Schuur- en scheurweerstand

Schuurweerstand is doorgaans een belangrijk selectiecriterium voor dynamische afdichtings- en bandentoepassingen van elastomeren, terwijl een goede scheurweerstand belangrijk kan zijn voor andere mechanische toepassingen waarbij de elastomeren bestand moeten zijn tegen inkerven, snijden en scheuren.Elastomeren zoals gehydrogeneerd nitril (HNBR), polyester (AU) en polyether urethanen (EU), isopreenrubber (NR/IR), styreenbutadieenrubber (SBR) en tetrafluorethyleenpropyleencopolymeren hebben een inherente slijtweerstand, terwijl siliconen (VMQ,), butylrubber (IIR) en perfluorelastomeren (FFKM) een slechte slijtweerstand hebben. In veel gevallen kan de slijtage- en scheurweerstand worden verbeterd door compounding met interne smeermiddelen zoals Teflon® of molybdeendisulfide. Nitril- en acrylelastomeren zijn redelijk slijtvast, maar gecarboxyleerd nitril (XNBR) is aanmerkelijk slijtvaster

De meeste elastomeren met een goede slijtvastheid hebben ook een goede scheurvastheid en elastomeren met een slechte slijtvastheid hebben meestal ook een slechte scheurvastheid. Bijvoorbeeld siliconen en fluorsiliconen zijn alleen geschikt voor statische toepassingen vanwege hun slechte scheur- en slijtvastheid.

Prijs

De kosten zijn een van de belangrijkste selectiecriteria. Ervan uitgaande dat meer dan één elastomeer aan alle andere eisen voor een bepaalde toepassing voldoet, zal de prijs meestal bepalen welk elastomeer zal worden gekozen. De prijzen van elastomeren kunnen sterk uiteenlopen als gevolg van verschillen in grondstof-, compound- en verwerkingskosten. Goedkope elastomeren zijn styreen-butadieen (SBR) < natuurrubber (NR) < isopreen (IR) < neopreen (CR) < nitrilrubber (NBR) rubbers, terwijl EPDM < urethaan < siliconen < polyacrylaat (ACM) < butyl (IIR) < gehydrogeneerd nitril (HNBR) zijn iets duurder, maar vaak nog steeds een voordelige keuze. Dure elastomeren zijn fluorkoolwaterstoffen (FKM) (copolymeren) < perfluorkoolwaterstoffen (FFKM) < fluorosiliconen (FVMQ). Deze elastomeren worden meestal alleen gekozen als geen ander elastomeer aan de eisen kan voldoen.

Noten

1. Elastomeren worden vaak omschreven als visco-elastische materialen (zie bijvoorbeeld Wikipedia). Visco-vloeibaarheid is echter ongewenst, dat wil zeggen dat een “echt” elastomeer altijd moet terugkeren naar zijn onvervormde afmetingen nadat een uitgeoefende kracht is weggenomen, dat wil zeggen dat er geen merkbare permanente vervorming mag worden waargenomen wanneer een elastomeer tot onder zijn elasticiteitsgrens wordt uitgerekt en vervolgens wordt ontspannen.
2. Sommige kwaliteiten kunnen geschikt zijn voor continu gebruik bij nog hogere temperaturen (>600°F of > 315°C).