السيليكون مقابل البولي يوريثان: أي مادة تناسب استخدامك؟

لا توجد مقارنة بين السيليكون والبولي يوريثان يمكن فيها اختيار فائز واحد بشكل قاطع. يعتمد الاختيار على الحمل، ودرجة الحرارة، والبيئة، وعمر الخدمة، وطريقة التصنيع. اختر السيليكون لتحمل درجات الحرارة القصوى، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، والعزل طويل الأمد. اختر البولي يوريثان لمقاومة التآكل، وتحمل الأحمال، والصدمات، وخيارات الصلابة المتنوعة.

تمنع هذه القاعدة البسيطة العديد من الأخطاء المبكرة. لكنها لا تكفي لتحديد المواصفات النهائية للمواد. قد تستخدم عجلة، أو حشية ثابتة، أو صمام طبي، أو مركب تغليف، أو مادة مانعة للتسرب في البناء، أحد هذه البوليمرات، لكنها لا تتطلب من المادة القيام بالوظيفة نفسها.

ملخص تنفيذي

• عادة ما يكون السيليكون هو الخيار الأكثر أمانًا عندما تتحكم الحرارة أو البرودة أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأوزون أو استعادة الضغط على المدى الطويل في عمر الخدمة.
• عادة ما يكون البولي يوريثان أقوى في مواجهة الاحتكاك والصدمات والتلامس المتكرر والأحمال الميكانيكية العالية.
• لا تعتمد على أي من مجموعتي المواد من خلال جدول مقارنة عام. قارن الدرجات الفعلية باستخدام نفس طريقة الاختبار ودرجة الحرارة وشكل العينة والظروف.

مقارنة سريعة بين السيليكون والبولي يوريثان

هذه ميول خاصة بعائلة المواد، وليست قيماً مضمونة. لا ينبغي مقارنة مطاط السيليكون عالي الكثافة المملوء وبولي يوريثان البوليستر المصبوب كما لو كان كل منهما يمثل عائلة البوليمر بأكملها.

متى يجب عليك اختيار السيليكون؟

اختر السيليكون عندما يتم التحكم في التطبيق عن طريق التدوير الحراري، أو التعرض للعوامل الجوية الخارجية، أو المرونة في درجات الحرارة المنخفضة، أو قوة الختم على المدى الطويل.

درجات الحرارة القصوى ودورات الحرارة

تُصمَّم العديد من أنواع مطاط السيليكون متعددة الأغراض للاستخدام طويل الأمد في نطاق درجات حرارة يتراوح بين -45 درجة مئوية و200 درجة مئوية، بينما قد يكون لكل نوع منها نطاق أضيق أو أوسع. تُشير شركة داو إلى أن نطاق درجات الحرارة هذا مناسب للاستخدام طويل الأمد لأحد أنواع مطاط السيليكون SYLGARD، وتُحذِّر من ضرورة إجراء اختبارات التحقق على مستوى الأجزاء بالقرب من هذه الحدود. أما شركة روجرز، فتُشير إلى أن نطاق درجات الحرارة هذا مناسب لمجموعة مطاط السيليكون الخلوي BISCO.

المسألة المهمة ليست أعلى درجة حرارة مذكورة في الكتيب، بل ما يحدث بعد مئات دورات التسخين والتبريد بينما يبقى الجزء مضغوطًا أو ممتدًا أو معرضًا للسوائل. قد لا تتدهور الصلابة والاستطالة والتشوه الدائم والالتصاق والخصائص الكهربائية بنفس المعدل.

يتحمل البولي يوريثان الحرارة، لكن نطاق استخدامه يختلف اختلافًا كبيرًا باختلاف تركيبه الكيميائي. ويشير المجلس الأمريكي للكيمياء إلى أن التحلل الحراري غير المشتعل لبعض منتجات البولي يوريثان قد يبدأ عند حوالي 150-180 درجة مئوية. وهذا تحذير من التحلل، وليس نطاق تشغيل موصى به. أما حدود الاستخدام المتواصل لنوع معين من البولي يوريثان فهي عادةً أقل بكثير، ويجب الرجوع إلى بياناته الفنية.

الأشعة فوق البنفسجية والأوزون والعوامل الجوية الخارجية

يُعدّ السيليكون عادةً الخيار الأقل خطورةً للأختام المكشوفة، ومكونات الإضاءة، والهياكل الخارجية، ووصلات الزجاج. ويمنحه تركيبه المكون من السيليكون والأكسجين مقاومةً عاليةً للأشعة فوق البنفسجية والأوزون. وتصف شركة داو مانع التسرب السيليكوني الهيكلي بأنه مقاوم للأشعة فوق البنفسجية، والحرارة، والرطوبة، والأوزون، ودرجات الحرارة القصوى.

يحتاج البولي يوريثان إلى سؤال أكثر تحديدًا: هل هو مركب عطري أم أليفاتي، وما هي المواد المثبتة أو الطلاءات التي تحميه؟ قد يتغير لون البولي يوريثان العطري عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية. لا يعني تغير اللون بالضرورة تلفًا ميكانيكيًا فوريًا، ولكنه يؤثر على المكونات المرئية وقد يشير إلى تقادم السطح. تُحسّن المركبات الأليفاتية ثبات اللون، ولكن عادةً بتكلفة تركيب أعلى.

غالباً ما تقلل الفرق من تقدير تأثير العوامل الجوية لأن بيانات الشد الأولية تبدو مقبولة. يظهر الفرق الحقيقي بعد أشهر من التعرض لأشعة الشمس والرطوبة والتمدد والانكماش الحراري. لا تخضع أسطوانة صناعية سوداء وختم خارجي أبيض لنفس معايير القبول.

استعادة الختم والضغط على المدى الطويل

بالنسبة للحشيات الثابتة المعرضة للحرارة، غالباً ما يحتفظ السيليكون بقوة الإحكام بشكل أفضل من البولي يوريثان المستخدم في الأغراض العامة. ويُعدّ انخفاض التشوه الدائم بعد الانضغاط أمراً بالغ الأهمية، لأن الحشية قد تبدو سليمة ظاهرياً ولكنها تفقد ضغط التلامس.

من السهل إساءة استخدام قيم التشوه الدائم بعد الانضغاط. يستخدم معيار ASTM D395 للمطاط الصلب ومعيار ASTM D3574 للمواد الخلوية عينات وإجراءات مختلفة. تؤثر درجة الحرارة ونسبة الانضغاط ووقت الاستعادة وسُمك العينة على النتيجة. لذا، قارن القيم فقط عندما تتطابق ظروف الاختبار.

بالنسبة لحشوات الخزائن أو أغلفة البطاريات، لا نكتفي بفحص قوة الضغط الأولية فقط، بل نفحص أيضًا مدى تحمل الفجوة، والضغط المستهدف، وانخفاض القوة، وحمل الإغلاق، واستعادة الشكل بعد التقادم. قد يؤدي الضغط الزائد على حشوة لينة إلى تقصير عمرها الافتراضي حتى لو كانت المادة نفسها مناسبة.

النظافة، والتوافق الحيوي، وتطبيقات ملامسة الطعام

يُستخدم السيليكون على نطاق واسع في منتجات الاطفال, تُستخدم أنواع مختلفة من السيليكون في صناعة أدوات المطبخ، والمكونات الطبية، والأنابيب، والصمامات، وذلك لأن الأنواع المناسبة منها تجمع بين مقاومة الحرارة، والمرونة، وسهولة التشكيل. لكن هذا لا ينطبق على جميع أنواع السيليكون. آمن للاستخدام مع الطعام أو من الدرجة الطبية.

يخضع الامتثال لنطاق اختبار المركب والجزء النهائي بدقة. وتجيب معايير إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA 21 CFR 177.2600)، وتوصيات LFGB، ومعايير دستور الأدوية الأمريكي (USP Class VI)، ومعيار ISO 10993 على أسئلة مختلفة. ويمكن أن تؤثر الأصباغ، وظروف المعالجة اللاحقة، ومواد فصل القوالب، والمواد اللاصقة، والطباعة على الجزء النهائي. لذا، يُرجى طلب بيان المركب وتقرير الاختبار ذي الصلة قبل الموافقة على المادة.

متى يجب عليك اختيار البولي يوريثان؟

اختر البولي يوريثان عندما يتعرض المكون للتآكل الانزلاقي، أو الاحتكاك الدوار، أو الصدمات، أو الأحمال العالية، أو مستوى صلابة لا يمكن للسيليكون توفيره بكفاءة.

مقاومة للتآكل والقطع والتمزق

يُعد البولي يوريثان عادةً الخيار الأمثل للعجلات، والبكرات، والكاشطات، ومكونات القيادة، والوسادات الواقية، وأجزاء التعدين، ومكونات مناولة المواد. ويُشير المجلس الأمريكي للكيمياء إلى أن مقاومة التآكل، والصدمات، والقطع، والتمزق، والزيوت، والمذيبات من بين الخصائص التي تتمتع بها مطاطات البولي يوريثان. كما تُسوّق شركة BASF البولي يوريثان للعجلات الصناعية حيث تُعدّ قدرة تحمل الأحمال ومقاومة التآكل من العوامل الحاسمة في الأداء.

هذه الميزة ليست نظرية. ففي حالة التلامس المتكرر، قد يتعرض سطح السيليكون للتلميع أو الخدش أو التمزق عند الحافة، بينما يستمر جزء البولي يوريثان في تحمل الحمل. وغالبًا ما يبدأ التلف عند علامة البوابة، أو الزاوية الحادة، أو سطح التلامس الملتصق، أو تركيز الإجهاد الموضعي، وليس في منتصف عينة الشد القياسية.

حدد مقاومة التآكل باستخدام طريقة اختبار مثل DIN 53516 أو ASTM D5963. عبارة مثل "مقاومة ممتازة للتآكل" لا تكفي لمقارنة الموردين.

سلوك تحمل الأحمال والصدمات

يمكن تصنيع البولي يوريثان بخصائص عالية من حيث قوة الشد ومقاومة التمزق وقدرة تحمل الأحمال مع الحفاظ على مرونته. وهذا ما يجعله مناسبًا لصناعة المصدات وممتصات الصدمات والعجلات والوصلات والمكونات الواقية.

لا تكفي الصلابة وحدها لوصف هذا السلوك. فمادتان عند صلابة 80 شور A قد تختلفان في معامل المرونة، والارتداد، والتخلف، ومقاومة التمزق، وتراكم الحرارة. بالنسبة للعجلة الديناميكية، نحتاج إلى مراعاة الحمل، والسرعة، ودورة التشغيل، وتصميم المحور، ودرجة حرارة التشغيل، وسلوك مقبول للبقع المسطحة. قد يزيد المركب الأكثر صلابة من قدرة التحميل، ولكنه ينقل اهتزازات أكثر ويولد حرارة داخلية مختلفة.

خيارات واسعة للصلابة والمعالجة

يشمل البولي يوريثان أنواعًا مختلفة من المطاط الصناعي المصبوب، والرغوات المرنة والصلبة، والطلاءات، والمواد اللاصقة، والمواد المانعة للتسرب، والبولي يوريثان الحراري. يتيح هذا النطاق الواسع للمهندسين ضبط الصلابة والكثافة والارتداد والتخميد وطريقة المعالجة على نطاق أوسع بكثير مما هو عليه الحال في برامج مطاط السيليكون التقليدية.

يكمن التحدي في حساسية التركيبة. فـ"البولي يوريثان" ليس مادة واحدة، إذ تختلف خصائص القطع اللينة من البوليستر والبولي إيثر والبولي كربونات. كما تؤثر التركيبة الكيميائية للأيزوسيانات على ثبات الأشعة فوق البنفسجية، والخصائص الميكانيكية، وعمليات التصنيع. حتى استبدال المورد مع الحفاظ على صلابة شور ثابتة قد يؤثر على عمر الخدمة.

قابلية الطلاء والالتصاق

بالنسبة لوصلات البناء والتجميعات التي تتطلب الطلاء، غالبًا ما يكون استخدام مانع التسرب المصنوع من البولي يوريثان أسهل. العديد من الأسطح المصنوعة من السيليكون يصعب طلاؤها. من الصعب تكوين رابطة بدون معالجة بالبلازما، أو مادة أولية، أو مادة لاصقة خاصة بالسيليكون.

لا تعمم هذا القول بأن "البولي يوريثان يلتصق بشكل أفضل". يعتمد الالتصاق على المادة الأساسية، وطاقة السطح، والملوثات، والطبقة التمهيدية، وحركة الوصلة، وظروف المعالجة، والتركيب الكيميائي للمادة اللاصقة. يتطلب الزجاج، والألومنيوم المؤكسد، والمعادن المطلية، ومادة ABS، والنايلون، والبولي بروبيلين غير المعالج، اختبارات تحقق مختلفة.

كيف تؤثر الحرارة والماء والمواد الكيميائية على القرار؟

تعتمد الإجابة الصحيحة على مدة التعرض والتركيز ودرجة الحرارة والإجهاد الميكانيكي. ولا يُمكن التنبؤ بالنتائج بعد إجراء اختبار مسح قصير في درجة حرارة الغرفة، وذلك من خلال اختبار الغمر المستمر عند درجة حرارة 80 درجة مئوية.

الماء والتحلل المائي

يتميز السيليكون بانخفاض امتصاصه للماء، وعادةً ما يكون أداؤه جيدًا في البيئات الرطبة أو المبللة. أما أداء البولي يوريثان فيعتمد بشكل كبير على التركيب الكيميائي للجزء المرن. وبشكل عام، يتمتع بولي يوريثان البولي إيثر بمقاومة أفضل للتحلل المائي مقارنةً ببولي يوريثان البوليستر. قد توفر أنواع البوليستر خصائص ميكانيكية قوية ومقاومة عالية للزيوت، ولكنها قد تفقد قوتها عند تعرضها لفترات طويلة للماء الساخن أو الرطوبة العالية.

غالباً ما يُغفل هذا الأمر لأن كلا النوعين قد يجتازان اختباراً قصيراً في درجة حرارة الغرفة. تتسارع عملية التحلل المائي مع ارتفاع درجة الحرارة. بالنسبة لأجزاء البولي يوريثان المستخدمة في البيئات الرطبة، اطلب اختبار الاحتفاظ بقوة الشد، والاحتفاظ بالاستطالة، وتغير الصلابة، وتغير الأبعاد بعد فترة تقادم متفق عليها.

الزيوت والوقود والمذيبات والأحماض والقلويات

لا تفوز أي من عائلتي البوليمرات في كل شيء التعرض للمواد الكيميائية. قد يتمدد السيليكون في بعض أنواع الوقود والزيوت والمذيبات غير القطبية. قد يقاوم البولي يوريثان الزيوت والتآكل جيدًا، لكن الأحماض المركزة أو المحاليل القلوية قد تتلف بعض أنواعه. وتشير شركة BASF إلى أن مقاومة البولي يوريثان الكيميائية تتغير بتغير مدة التعرض ودرجة الحرارة والتركيز ونوع المادة الكيميائية، وأن التحلل قد يحدث بعد التمدد وانقسام السلسلة الجزيئية.

استخدم اختبار الغمر وفقًا لمعيار ASTM D471 أو معيار تطبيق ذي صلة. سجّل تغير الحجم، وتغير الكتلة، والصلابة، وقوة الشد، والحالة المرئية. اختبر المركب الملون نفسه، وليس البوليمر الأساسي فقط.

أي المواد أفضل للأجزاء المصبوبة؟

يمكن أن تحدد هندسة الجزء وحجمه مسار التصنيع قبل أن يحدد مخطط الخصائص ذلك.

مسارات قولبة السيليكون

مطاط سيليكون عالي التماسك يمكن تشكيله بالضغط، أو بالنقل، أو بالبثق، أو بالحقن، وذلك حسب المركب والشكل الهندسي. يستخدم مطاط السيليكون السائل نظام قياس ثنائي المكونات، وقناة تبريد، وقالبًا ساخنًا. يُعدّ مطاط السيليكون السائل مناسبًا لإنتاج كميات كبيرة من الأجزاء، والقطاعات الرقيقة، والفك الآلي للقوالب، والتشكيل بالحقن، عندما يكون القالب والركيزة مصممين خصيصًا لذلك.

أدوات السيليكون يجب التحكم في الزوائد عند خط الفصل وفتحات التهوية. يمكن لمطاط السيليكون السائل منخفض اللزوجة أن يتسرب إلى فجوات صغيرة جدًا. لذا، فإن ملاءمة الأداة، والفراغ، وضغط الحقن، وثبات المشبك تؤثر على الزوائد بشكل أكبر مما توحي به مقارنة عامة للمواد.

مسارات قولبة البولي يوريثان

يُعدّ البولي يوريثان المصبوب خيارًا مناسبًا للأحجام الصغيرة والمتوسطة، والمقاطع السميكة، والبكرات، والعجلات، والأجزاء المطاطية الكبيرة. أما قولبة الحقن التفاعلي فتُتيح إنتاج أجزاء أكبر وأشكال معقدة. ويمكن قولبة البولي يوريثان بالحقن أو البثق باستخدام معدات اللدائن الحرارية.

يُعدّ التحكم في الرطوبة أمرًا بالغ الأهمية للعديد من أنظمة البولي يوريثان. إذ يمكن أن تُدخل البوليولات، والبوليمرات الأولية، والحشوات، والقوالب، والهواء المحيط الماء. يتفاعل الماء مع الإيزوسيانات، مما قد يُؤدي إلى تكوين ثاني أكسيد الكربون، والفقاعات، والفراغات، أو خصائص غير متجانسة. لذا، تُعدّ عمليات التجفيف، ونسبة الخلط، وإزالة الغازات، ودرجة حرارة القالب، والمعالجة اللاحقة من الأمور الأساسية في مواصفات العملية.

هل السيليكون أغلى من البولي يوريثان؟

عادة ما يكون سعر مادة السيليكون أعلى، ولكن لا يمكن التنبؤ بسعر القطعة من عائلة البوليمر وحدها.

المقارنة الصحيحة هي التكلفة الإجمالية للقطعة خلال فترة الخدمة المطلوبة. الحشية الأرخص التي تفقد قوة منع التسرب مبكراً ليست بالضرورة أرخص. كما أن بكرة السيليكون الممتازة التي تتآكل بسرعة عند الاحتكاك ليست خياراً جيداً.

طريقة عملية لاختيار السيليكون مقابل البولي يوريثان

استخدم حد التطبيق الذي من شأنه أن يتسبب في أول فشل غير مقبول.

1. حدد درجة الحرارة المستمرة ودرجة الحرارة القصوى، بما في ذلك عدد الدورات ووقت التوقف.
2. سجل الحمل الساكن، والحمل الديناميكي، والضغط، وسرعة الانزلاق، وتردد الصدم.
3. اذكر السوائل مع التركيز ودرجة الحرارة ومدة التعرض.
4. حدد التعرض الخارجي، والأشعة فوق البنفسجية، والأوزون، والرطوبة، والمظهر المطلوب.
5. حدد حدود قبول قابلة للقياس لتشوه الانضغاط، وفقدان الاحتكاك، والاحتفاظ بالشد، وتغير الصلابة، والتورم، وتغير اللون.
6. اختر عائلة المواد ودرجتها فقط بعد مطابقة طريقة الاختبار مع نمط الفشل.
7. تحقق من صحة الأجزاء المصبوبة وفقًا للعملية المقصودة. لا تتضمن اللوحات وبيانات الموردين معلومات عن البوابات، أو مناطق اللحام، أو خطوط الوصل، أو الحشوات المُلصقة، أو اختلافات الإنتاج.

ما هي المعلومات المطلوبة قبل تقديم عرض الأسعار؟

للحصول على توصية مناسبة بشأن المواد، يُرجى إرسال الرسم، والحجم السنوي، والصلابة المستهدفة، ونطاق درجة الحرارة، وظروف التحميل، والتعرض للمواد الكيميائية، والعمر الافتراضي المطلوب، واللون، ونطاق الامتثال، ونمط العطل الحالي. في حال استبدال جزء موجود، يُرجى إرفاق درجة مادته وتقارير الاختبار.

يُعدّ السيليكون الخيار الأمثل لمقاومة الحرارة والعوامل الجوية، كما أنه يوفر إحكامًا أفضل على المدى الطويل. أما البولي يوريثان، فهو الخيار الأمثل لمقاومة التآكل والصدمات والأحمال. ويُعتمد القرار النهائي على درجة المادة، وشكلها الهندسي، وعملية تصنيعها، وشروط التحقق من صحتها، وليس على اسم البوليمر.

المراجع الفنية

• قياسات التباين: السيليكون مقابل البولي يوريثان
• نظرة عامة على مادة السيليكون من روجرز بيسكو
• البيانات الفنية لمادة السيليكون المطاطية داو سيلجارد 186
• المجلس الأمريكي للكيمياء: تطبيقات البولي يوريثان في دراسات الحالة
• المجلس الأمريكي للكيمياء: إرشادات حول التحلل الحراري للبولي يوريثان
• BASF: الخصائص الكيميائية للإيلاستولان