Материалы эластомерных уплотнений

Знание физико-механических требований и рабочей среды (гидравлическая жидкость, смазки, растворители, вода и т. д.), с которыми материал вступает в контакт, важно для выбора подходящего материала для уплотнений.

Подавляющее большинство уплотнений состоят из полимерных материалов. Полимеры представляют собой макромолекулы, состоящие из повторения (путем полимеризации, полиприсоединения, поликонденсации) малых молекулярных единиц (мономеров).

Когда полимеризуют мономер (например, этиленовый газ), полученный продукт называют гомополимером (например, полиэтилен). Если в состав полимера (например, этилен и пропиленовый газ) вовлечены два или более мономеров, полимеризация приводит к образованию сополимеров (например, этиленпропиленовый каучук).

По факту, существуют три типа сополимеров. Различие между ними зависит от расположения различных мономеров (например, А и В) в макромолекуле сополимера:

• Статистические сополимеры (случайное расположение мономеров)
• Блок-сополимеры (расположение мономеров в блоках или сегментах)
• Привитые сополимеры (последующая полимеризация мономеров в виде боковых цепей на существующую основную полимерную цепь)

Рисунок 1. Размещение мономеров в сополимерах

 

Полимерные материалы можно разделить на четыре группы в соответствии с их механическими деформационными свойствами при комнатной температуре:

• Термопласты
• Эластомеры (= каучук / сшитый каучук)
• Термопластичные эластомеры (TPE)
• Дюропласты

Большинство материалов, используемых для уплотнений, представляют собой эластомеры и термопластичные эластомеры на основе блок-сополимеров.

Обзор уплотнительных материалов

Уплотнительные материалы модифицируются для удовлетворения широкого спектра существующих требований к уплотнениям. Как показано ниже, используемые материалы могут быть отнесены к группам термопластов, эластомеров, термопластичных эластомеров или дюропластов.

Термопласты (пластомеры)

Термопласты представляют собой несшитые макромолекулы, которые являются гибкими или способными к формованию. Для их обработки материалы плавятся и затвердевают в охлажденной форме. Их сравнительно легко обрабатывать и перерабатывать. Поскольку термопласты используются при температурах ниже температуры стеклования, они являются твердыми и поэтому не подходят для уплотнительных колец в герметичных применениях.

Эластомеры

Основным материалом резиновых смесей или эластомеров является невулканизированный каучук, который производится либо как натуральный каучук на плантациях, либо химической промышленностью. Наиболее важные синтетические каучуки перечислены в таблице 1.

Таб. Основные типы синтетического каучука, группы и сокращения

Эластомерные соединения состоят из 50-60% невулканизированного каучука в расчете на их вес. Остальная часть рецептуры состоит из наполнителей, вулканизаторов, ускорителей, антистарителей и других добавок, которые поддерживают или изменяют свойства сырья, чтобы соответствовать конкретным требованиям конкретного применения.

Эластомеры, используемые в качестве уплотнений, и особенно те, которые используются в уплотнительных кольцах, гарантируют долговременное надежное уплотнение при соблюдении следующих требований к конструкции:

Соответствующий выбор эластомера

Для химической и термической стойкости к контактным средам необходимо выбрать подходящий эластомер. Например, на рис. 2 показаны значения термической стойкости.

Рис. 2 Значения термической стойкости резиновой смеси на основе различных каучуков

Оптимизированные резиновые смеси с постоянными свойствами

Поскольку физические свойства резины усиливаются добавками, чтобы удовлетворить высокие требования к техническому применению, даже незначительные изменения в рецептуре могут серьезно ухудшить свойства эластомера, например, изменение твердости, прочности на растяжение, удлинение или износостойкость. Чтобы предотвратить это, наши специалисты проводят дополнительный реологический контроль каждого замеса резиновой смеси. Таким образом, обеспечивается постоянство физико-механических свойств производимых резиновых смесей на заводе «КАУЧУК».

Оптимальная температурная кривая во время вулканизации

Во время вулканизации материал переходит из пластичного состояния в эластичное, и эластомер получает свойство, которое имеет решающее значение для герметизации: упругость. Температура вулканизации определяет скорость реакции. Оптимальная степень сшивания может быть достигнута только в том случае, если требуемая температура поддерживается на протяжении всего процесса.

Термопластичные эластомеры (TPE)

Создание термопластичных эластомеров преследует цель объединения свойств эластомеров и термопластов. Такие материалы резино-эластичные при рабочих температурах, но пригодны для термопластичной обработки при более высоких температурах. Термопластичные эластомеры можно разделить на две основные группы

1. Эластомерные сплавы, полимерные смеси
2. Блок-сополимеры

Эластомерные сплавы, полимерные смеси

Материалы TPE могут быть созданы путем смешивания не- или слегка сшитого каучука или с использованием процесса динамической вулканизации во время стадии смешивания, или  путем смешивания сшитых эластомеров с термопластом. В результате получается материал с эластомерными свойствами, который подходит для термопластичной обработки. Однако недостатком этого недорогого способа обработки является то, что показатель остаточной деформации при сжатии слишком высок для применения в качестве уплотнений и что динамическая упругость при этом снижается.

Блок-сополимеры

Другие способы направлены на сополимеризацию каучука и термопластичного сырья или синтез полиамида, полиэстера, полиэфира или полиуретана в сегментах для достижения желаемого профиля свойств. Эти сополимеры обладают свойством физического сшивания через межмолекулярные силы. Химическое сшивание не происходит в этом случае.

В последние годы использование термопластичных полиуретанов (ТПУ) в среде уплотнений неуклонно растет из-за высокой износостойкости этих материалов. В отношении прочности на разрыв, предела прочности при растяжении, 100%-ного модуля упругости и предельного удлинения материалы TPU имеют преимущества перед стандартными эластомерами.

Для ТПУ твердые и мягкие сегменты соединены друг с другом посредством реакции уретана. Твердые сегменты могут агрегироваться для образования кристаллических областей и, таким образом, физически сшивать макромолекулы. При более высоких температурах эти области могут иметь трещины, что позволяет термопластически обрабатывать ТПУ. После формования готовая деталь должна быть выдержана снова при более высокой температуре, чтобы снова смогли сформироваться сверхрешетки разделенных твердого и мягкого сегментов..

Изменяя твердый и мягкий сегменты, может создать большое количество специально оптимизированных термопластичных полиуретанов.

Термопластичные эластомеры по сравнению с вулканизованными эластомерами намного легче обрабатывать и перерабатывать из-за возможности сплавления. Однако это ограничивает их использование при более высоких температурах.

В частности, уплотняющие материалы ТПУ характеризуются очень высокой стойкостью к истиранию. Они обеспечивают отличную динамическую производительность и хорошую устойчивость к атмосферным воздействиям и средам. Кроме того, они имеют преимущества с точки зрения газонепроницаемости и взрывной декомпрессии. Другими важными свойствами является очень хорошая устойчивость к озону, кислороду и ультрафиолетовому излучению.

Дюропласты (Термореактопласты)

Дюропласты представляют собой трехмерные поперечно сшитые макромолекулы. Они твердые, хрупкие и допускают только очень низкую упругую деформацию даже при воздействии больших усилий вплоть до температуры разложения.

Для получения формованных изделий дюропластические компаунды необратимо химически сшиты и остаются размерно-стабильными вплоть до температуры разложения. По сравнению с эластомерами степень сшивания дюропластов значительно выше.

Наиболее важными дюропластами являются фенопласты, аминопласты и сшитые эпоксидные или ненасыщенные полиэфирные смолы. Они не используются для уплотнительных колец круглого сечения.