Elastomery
Elastomery (gumy) są specjalnymi polimerami, które są bardzo elastyczne. Są one lekko usieciowane i amorficzne, a ich temperatura zeszklenia jest znacznie niższa od temperatury pokojowej. Można je sobie wyobrazić jako jedną bardzo dużą cząsteczkę o makroskopijnych rozmiarach. Siły międzycząsteczkowe pomiędzy łańcuchami polimerów są raczej słabe. Wiązania krzyżowe całkowicie powstrzymują nieodwracalny przepływ, ale łańcuchy są bardzo elastyczne w temperaturach powyżej temperatury zeszklenia, a niewielka siła prowadzi do dużego odkształcenia (patrz również elastyczność gumy).1 Elastomery mają zatem niski moduł Younga i bardzo duże wydłużenie przy zerwaniu w porównaniu z innymi polimerami. Termin elastomer jest często stosowany zamiennie z terminem guma, chociaż ten ostatni jest preferowany w odniesieniu do gumy wulkanizowanej.
Elastomery można podzielić na trzy szerokie grupy: elastomery diene, niediene i termoplastyczne. Elastomery dieny są polimeryzowane z monomerów zawierających dwa kolejne wiązania podwójne. Typowymi przykładami są poliizopren, polibutadien i polichloropren. Elastomery niedienowskie obejmują kauczuk butylowy (poliizobutylen), polisiloksany (kauczuk silikonowy), poliuretan (spandex) i elastomery fluorowe. Elastomery niedienowskie nie mają w swojej strukturze wiązań podwójnych, a zatem ich sieciowanie wymaga innych metod niż wulkanizacja, takich jak dodawanie monomerów trójfunkcyjnych (polimery kondensacyjne), dodawanie monomerów diwinylowych (polimeryzacja wolnorodnikowa) lub kopolimeryzacja z niewielkimi ilościami monomerów dienowskich, takich jak butadien.Elastomery termoplastyczne, takie jak kopolimery blokowe SIS i SBS oraz niektóre uretany, są termoplastyczne i zawierają sztywne (twarde) i miękkie (gumowate) jednostki powtarzające. Po ochłodzeniu ze stanu stopionego do temperatury poniżej temperatury zeszklenia, twarde bloki rozdzielają się tworząc sztywne domeny, które działają jak fizyczne wiązania krzyżowe dla bloków elastomerowych.
Wytwarzanie części elastomerowych odbywa się na jeden z trzech sposobów: formowanie wtryskowe, formowanie z przeniesieniem lub formowanie tłoczne. Wybór procesu formowania zależy od różnych czynników, w tym od kształtu i rozmiaru części, wymaganej tolerancji, a także od ilości, rodzaju elastomeru i kosztu surowca.
Jak w przypadku prawie każdego materiału, wybór odpowiedniego produktu elastomerowego do danego zastosowania wymaga rozważenia wielu czynników, w tym mechanicznych i fizycznych wymagań serwisowych, narażenia na działanie substancji chemicznych, temperatury roboczej, żywotności, możliwości wytwarzania części oraz kosztu surowca i produkcji.
Odporność na ciepło
Wydajność elastomeru staje się mniej przewidywalna i niezawodna, gdy elastomer jest używany w pobliżu granic zakresu temperatury roboczej. Jeśli, na przykład, temperatura spada, elastomery stają się twardsze i mniej elastyczne, a kiedy temperatura osiąga temperaturę zeszklenia, całkowicie tracą swoje właściwości gumopodobne. W jeszcze niższych temperaturach, tj. w punkcie kruchości, mogą pękać. Zmiany właściwości elastomeru spowodowane niską temperaturą są zazwyczaj fizyczne i w pełni odwracalne, chyba że część elastomerowa jest narażona na duże naprężenia, które mogą spowodować uszkodzenie poniżej temperatury kruchości lub temperatury zeszklenia. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy elastomer jest narażony na działanie wysokich temperatur, tj. temperatur bliskich lub wyższych od temperatury granicznej użytkowania. W tych temperaturach elastomery często ulegają nieodwracalnym zmianom chemicznym. Na przykład, szkielet polimeru może ulec rozszczepieniu lub cząsteczki polimeru mogą się usieciować, powodując, że część elastomerowa staje się albo (znacznie) bardziej miękka lub sztywna, co z kolei zmniejsza ich odporność na ściskanie.
Maksymalna temperatura pracy może się znacznie różnić w zależności od elastomeru. Najwyższe temperatury pracy ciągłej mają elastomery silikonowe i fluorowęglowe, które mogą przekroczyć 400°F (230°C)2, następnie elastomery poliakrylowe i uwodornione nitrylowe z maksymalnymi temperaturami pracy pomiędzy 320 a 350°F (160 – 180°C), podczas gdy bardziej zwykłe elastomery, takie jak neopren i nitryl mają maksymalną temperaturę pracy pomiędzy 210 a 250°F (100 – 120°C).
Kompatybilność z płynami
Silne pęcznienie i szybkie pogorszenie lub całkowite zniszczenie części elastomerowej może wystąpić, jeśli elastomer nie jest kompatybilny z płynem, na który jest narażony. Czynniki takie jak stężenie chemikaliów, temperatura pracy i ciśnienie wpływają na stabilność / kompatybilność z chemikaliami. W razie wątpliwości, przed zastosowaniem elastomeru należy przeprowadzić testy funkcjonalne.
Ponieważ wiele zastosowań obejmuje oleje węglowodorowe, części elastomerowe takie jak uszczelki są klasyfikowane zgodnie z ich odpornością na ciepło i olej. Na przykład, w systemie ASTM D2000, elastomery są sklasyfikowane według odporności na ciepło (typ) i według odporności na olej (klasa). Elastomery fluorosilikonowe i fluorowęglowe mają doskonałą odporność na olej w podwyższonych temperaturach (> 200°C). Inne elastomery o dobrej odporności na oleje, ale tylko średniej odporności termicznej to NBR, ACM i HNBR. W przypadku ACM i HNBR temperatura pracy w olejach węglowodorowych nie powinna przekraczać 150°C, a w przypadku NBR 100°C. Elastomery silikonowe i neoprenowe charakteryzują się jedynie średnią odpornością na oleje. Elastomery silikonowe mogą być jednak eksploatowane w znacznie wyższych temperaturach niż neoprenowe. Słabej odporności na działanie oleju można się spodziewać w przypadku elastomerów EPDM, SBR, butylowych (IIR, CIIR, BIIR) i na bazie kauczuku naturalnego (NR, IR).
Odporność na ścieranie i rozdzieranie
Odporność na ścieranie jest generalnie ważnym kryterium wyboru dla dynamicznych zastosowań elastomerów w uszczelnieniach i oponach, podczas gdy dobra odporność na rozdzieranie może być ważna dla innych zastosowań mechanicznych, w których elastomery muszą być odporne na nacinanie, cięcie i rozrywanie.Elastomery takie jak uwodorniony nitryl (HNBR), poliester (AU) i polieterouretany (EU), kauczuk izoprenowy (NR/IR), kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR) i kopolimery tetrafluoroetylenowo-propylenowe mają naturalną odporność na ścieranie, podczas gdy silikon (VMQ), butyl (IIR) i elastomery perfluorowe (FFKM) mają słabą odporność na ścieranie. W wielu przypadkach odporność na ścieranie i rozdarcie można zwiększyć poprzez dodanie do mieszanki wewnętrznych środków smarnych, takich jak Teflon® lub dwusiarczek molibdenu. Większość elastomerów o dobrej odporności na ścieranie ma również dobrą odporność na rozerwanie, a elastomery o słabej odporności na ścieranie mają zazwyczaj słabą odporność na rozerwanie. Na przykład silikon i fluorosilikon są odpowiednie tylko do zastosowań statycznych ze względu na ich słabą odporność na rozdzieranie i ścieranie.
Cena
Koszt jest jednym z najważniejszych kryteriów wyboru. Zakładając, że więcej niż jeden elastomer spełnia wszystkie inne wymagania dla danego zastosowania, cena zazwyczaj będzie decydować o wyborze elastomeru. Ceny elastomerów mogą się znacznie różnić ze względu na różnice w kosztach surowców, mieszanek i przetwarzania. Niedrogie elastomery to kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR) < kauczuk naturalny (NR) < izopren (IR) < neopren (CR) < nitryl (NBR), podczas gdy EPDM < uretan < silikon < poliakrylan (ACM) < butylowy (IIR) < uwodorniony nitryl (HNBR) są nieco droższe, ale często nadal stanowią ekonomiczny wybór. Drogimi elastomerami są fluorowęglowodory (FKM) (kopolimery) < perfluorowęglowodory (FFKM) < fluorosilikony (FVMQ). Te elastomery są zwykle wybierane tylko wtedy, gdy żaden inny elastomer nie może spełnić wymagań.
Wskazówki
- Elastomery są często opisywane jako materiały lepkosprężyste (patrz np. Wikipedia). Jednakże, płynięcie wiskozowe jest niepożądane, to znaczy, „prawdziwy” elastomer powinien zawsze wracać do swoich nieodkształconych wymiarów po usunięciu zastosowanej siły, to znaczy, nie powinno się obserwować zauważalnej trwałej deformacji, gdy elastomer jest rozciągany poniżej granicy sprężystości, a następnie rozluźniany.
- Niektóre gatunki mogą być odpowiednie do ciągłego stosowania w jeszcze wyższych temperaturach (> 600°F lub > 315°C).