Silikon jest często określany jako lekki, wodoodporny i hydrofobowy. Łatwo pomylić te określenia. Typowa gęstość stałego silikonu wynosi około 1,05–1,60 g/cm³, dlatego większość niespienionych elementów silikonowych tonie w wodzie. Hydrofobowość ułatwia skraplanie się wody na powierzchni, ale nie sprawia, że każdy silikon jest szczelny lub nieprzepuszczalny.
Przy projektowaniu produktu istotne są trzy odrębne pytania: gęstość związku, średnia gęstość całej części oraz sposób, w jaki woda oddziałuje z powierzchnią i geometrią uszczelnienia.
Jaka jest typowa gęstość silikonu?
Gęstość utwardzonej mieszanki gumy silikonowej to iloraz jej masy i objętości. Zazwyczaj podaje się ją w g/cm³, kg/m³ lub jako ciężar właściwy.
Dla wielu solidnych Związki HCR I Związki LSR, praktyczny zakres początkowy to 1,05–1,60 g/cm³. WACKER podaje ten zakres dla gumy silikonowej i zauważa, że dodatkowe nieaktywne wypełniacze, takie jak kwarc, mogą zwiększyć gęstość do około 1,75 g/cm³. Poszczególne specjalistyczne związki chemiczne mogą nie mieścić się w tym zakresie, dlatego zatwierdzona karta charakterystyki materiału pozostaje wartością kontrolną.
| Materiał lub konstrukcja silikonowa | Praktyczny zakres gęstości | Tendencja do wyporności w wodzie słodkiej | Główny powód zmienności |
|---|---|---|---|
| Uniwersalna, lita guma silikonowa | 1,05–1,30 g/cm³ | Zwykle tonie | Polimer, wzmacniająca krzemionka, pigment i dodatki |
| Wysoce wypełniony związek silikonowy | 1,30–1,75+ g/cm³ | Zlewy | Kwarc, tlenek metalu lub inny wypełniacz o dużej gęstości |
| Fluorosilikon lub związek specjalistyczny | Specyficzne dla klasy | Zwykle tonie | Różny pakiet polimerów i wypełniaczy |
| Pianka silikonowa lub gąbka | Często poniżej 1,0 g/cm³ | Może pływać | Zamknięta lub otwarta struktura komórkowa |
| Pusta, formowana część silikonowa | Zależy od całkowitej masy i przemieszczonej objętości | Może pływać | Uwięzione powietrze obniża średnią gęstość części |
Są to zakresy projektowe, a nie limity kontroli odbiorczej. W przypadku zakupu i kontroli jakości należy określić gęstość podaną w zatwierdzonej karcie charakterystyki (TDS) oraz zdefiniować metodę badania.
Czy gęstość i ciężar właściwy to to samo?
Są one blisko spokrewnione, ale nie identyczne.
Gęstość jest masą na jednostkę objętości. Środek ciężkości to stosunek gęstości materiału do gęstości wody w określonej temperaturze. Ponieważ gęstość wody wynosi około 1,00 g/cm³, wartości liczbowe są często zbliżone, gdy gęstość jest wyrażona w g/cm³.
Związek silikonowy o gęstości 1,20 g/cm³ ma zatem ciężar właściwy bliski 1,20 w normalnych warunkach testowych.
W przypadku części wykonanych z litego silikonu powszechnie stosowane metody pomiaru obejmują:
- ASTM D792 dla gęstości i ciężaru właściwego metodą przemieszczenia
- ISO 1183-1 Metoda A do pomiaru zanurzeniowego
- ASTM D297 metody stosowane w przypadku wyrobów i mieszanek gumowych
Metoda, stan próbki, temperatura i obecność uwięzionych pęcherzyków powietrza wpływają na wynik. Porównywanie danych dostawcy bez sprawdzenia metody może prowadzić do błędnej różnicy.
Czy silikon unosi się na wodzie?
Większość stałej, niespienionej gumy silikonowej tonie, ponieważ jej gęstość jest większa od gęstości słodkiej wody.
Podstawowym warunkiem jest:
- Jeżeli średnia gęstość części wynosi poniżej 1,00 g/cm³, część może unosić się na wodzie słodkiej.
- Jeżeli średnia gęstość części wynosi powyżej 1,00 g/cm³, część zatonie, jeżeli jej geometria nie zatrzyma wystarczającej ilości powietrza.
- W wodzie słonej gęstość cieczy jest większa, więc ta sama część otrzymuje nieco większą siłę wyporu.
SIMTEC podaje typową gęstość LSR wynoszącą 1,10–1,50 g/cm³ i zauważa, że stały LSR w związku z tym tonie. Ważne jest słowo solidny. Pusta w środku zabawka do kąpieli, uszczelniony pływak lub formowana obudowa mogą unosić się na wodzie, nawet jeśli ich silikonowa powłoka jest gęstsza od wody.
Przykład litego silikonu
Stały składnik silikonowy ma:
- Objętość: 100 cm³
- Gęstość związku: 1,20 g/cm³
- Masa: 100 × 1,20 = 120 g
Po całkowitym zanurzeniu wypiera około 100 g słodkiej wody. Część ta waży więcej niż wyparta woda, więc tonie.
Przykład pustego silikonu
Załóżmy, że uszczelniona część waży 70 g i wypiera 150 cm³ wody w oparciu o swoją objętość zewnętrzną.
Średnia gęstość części = 70 ÷ 150 = 0,47 g/cm³
Uszczelniona komora powietrzna obniża gęstość całego zespołu poniżej gęstości wody, dzięki czemu element może unosić się na wodzie. Jeśli komora przecieka i wypełnia się wodą, ta zaleta znika.
Ile waży część silikonowa?
Należy używać gęstości gotowego związku, a nie ogólnej wartości gęstości silikonu.
Masa = objętość × gęstość
Wymiary w milimetrach:
Masa (g) = objętość (mm³) ÷ 1000 × gęstość (g/cm³)
Prostokątna silikonowa podkładka o wymiarach 100 × 50 × 5 mm ma objętość 25 000 mm³, czyli 25 cm³. Przy 1,20 g/cm³ szacunkowa masa wynosi:
25 × 1,20 = 30 gramów
| Wejście | Przykładowa wartość | Ryzyko związane z zakupem, jeśli zostanie przyjęte |
|---|---|---|
| Objętość netto formowana | 25 cm³ | Objętość CAD może nie obejmować żeber, bramek ani wkładek |
| Gęstość złożona | 1,20 g/cm³ | Zamieniona formuła zmienia masę jednostkową |
| Szacowana masa częściowa | 30 gramów | Koszty pakowania i transportu mogą się różnić w przypadku dużych zamówień |
| Ilość zamówienia | 100 000 sztuk | Błąd 2 g oznacza 200 kg w całej przesyłce |
To obliczenie jest przydatne do wyceny i oszacowania kosztów pakowania. Ostateczne limity masy jednostkowej powinny wynikać z zatwierdzonych próbek, ponieważ w gotowym elemencie pozostają różnice w masie wypływki, gramaturze wkładki, pigmentu, zawartości wypełniacza i odchyleniach od procesu formowania.
Co zmienia gęstość silikonu?
Gęstość silikonu zależy od składu formulacji. Nie jest kontrolowana wyłącznie przez nazwę polimeru.
Wypełniacze wzmacniające i nieaktywne
Zmatowiona lub strącana krzemionka wzmacnia polimer. Kwarc i inne wypełniacze mineralne mogą dodatkowo zwiększyć gęstość. Producent mieszanek może użyć wypełniaczy, aby dostosować twardość, wytrzymałość na rozdarcie, reologię, właściwości elektryczne, odporność na pęcznienie lub koszt. To samo Twardość Shore'a A można zatem osiągnąć stosując różne opakowania formulacyjne i różne gęstości.
Pigmenty i dodatki funkcjonalne
Barwiony koncentrat barwiący zazwyczaj powoduje mniejszą zmianę niż duża ilość wypełniacza, ale efekt ten jest mierzalny przy wąskich tolerancjach wagowych. Dodatki zmniejszające palność, przewodzące ciepło, przewodzące prąd elektryczny lub nieprzepuszczające promieni rentgenowskich mogą znacząco zmieniać gęstość.
Powietrze, pustki i struktura komórkowa
Spieniony silikon zawiera komórki gazowe i może mieć gęstość nasypową poniżej 1,00 g/cm³. Niezamierzone puste przestrzenie mogą również zmniejszyć zmierzoną gęstość próbki, ale jest to raczej sygnał defektu niż prawidłowa droga do redukcji masy.
Kontrola utwardzania i procesu
Warunki utwardzania zazwyczaj mają mniejszy wpływ na gęstość niż formulacja, ale błędy mieszania, nieprawidłowy stosunek A:B dla LSR, zanieczyszczenie lub uwięzione powietrze mogą powodować zmiany wartości pomiarowych. Gęstość jest zatem przydatna do szybkiej kontroli przesiewowej, a nie jako dowód, że każda właściwość mechaniczna lub podatność jest prawidłowa.
Czy silikon jest hydrofobowy?
Nieobrobiony silikon na bazie PDMS jest z natury hydrofobowy, ponieważ grupy metylowe orientują się na jego niskoenergetycznej powierzchni. Woda ma tendencję do tworzenia kulek zamiast rozpływania się po powierzchni. arkusz silikonowy.
Najczęściej podawany kąt zwilżenia wodą dla nieleczonego PDMS wynosi około 100–120°. Opublikowane pomiary różnią się w zależności od formulacji, chropowatości powierzchni, czystości, metody kropelkowej i kondycjonowania. Kąt zwilżania powyżej 90° zazwyczaj wskazuje na hydrofobowe właściwości zwilżające.
Hydrofobowość opisuje interakcję powierzchni z kroplą wody. Nie opisuje ona jednak pełnego zachowania się uformowanego produktu.
| Nieruchomość | Co mierzy | Czego to nie dowodzi |
|---|---|---|
| Kąt zwilżenia wodą | Zwilżalność powierzchni | Odporność na przeciekanie zespołu |
| Absorpcja wody | Przyrost masy po określonej ekspozycji | Zachowanie się powierzchni w procesie koralikowania |
| Przepuszczalność pary wodnej | Transport wilgoci przez materiał | Odporność na przeciekanie cieczy i wody w złączu |
| Stopień ochrony IP | Ochrona obudowy w ramach określonego testu | Uniwersalna wydajność przy każdym ciśnieniu i czasie trwania |
Obróbka powierzchni również zmienia wynik. Obróbka plazmą tlenową lub koronowa może tymczasowo zwiększyć hydrofilowość PDMS, poprawiając wiązanie, powlekanie lub zwilżalność mikroprzepływową. Powierzchnie silikonowe mogą następnie z czasem odzyskać hydrofobowość. Dlatego próby wiązania powinny określać dopuszczalny czas między obróbką a aplikacją kleju.
Czy silikon jest wodoodporny?
Ciągły element silikonowy jest na ogół odporny na działanie wody w stanie ciekłym, ale “wodoodporność” jest cechą charakterystyczną całego systemu, a nie surowca.
Uszczelka formowana może nadal przeciekać, gdy:
- kompresja jest zbyt niska lub nierównomierna;
- linia podziału przecina powierzchnię uszczelniającą;
- błyski, linie dziania, kurz lub uszkodzenia powierzchni tworzą ścieżkę wycieku;
- odkształcenie trwałe w wyniku ściskania zmniejsza siłę uszczelniającą w wyniku powtarzających się cykli nagrzewania;
- obudowa ugina się pod wpływem ciśnienia;
- konstrukcja połączenia opiera się na kleju, który nie zwilża nieobrobionego silikonu;
- Obudowa jest testowana przy ciśnieniu lub czasie wykraczającym poza jej granice projektowe.
Zespoły często przeceniają hydrofobowość, ponieważ widoczne kropelki wody wyglądają jak dowód skuteczności uszczelnienia. W produkcji ścieżka wycieku zazwyczaj przebiega przez styk, a nie przez środek solidnego odcinka silikonowego.
W przypadku obudowy należy określić rzeczywiste wymagania: narażenie na zachlapanie, ciągłe zanurzenie, ciśnienie hydrostatyczne, parę wodną, słoną wodę, środki czyszczące lub test IP. Warunki te nie są zamienne.
Ile wody wchłania silikon?
Kauczuk silikonowy na ogół charakteryzuje się niską absorpcją wody, ale nie należy stosować uniwersalnej wartości, np. “poniżej 0,5%” do każdego związku.
Opublikowane bazy danych charakteryzują się dużą rozbieżnością, ponieważ łączą gęstą gumę, piankę, specjalistyczne formulacje, próbki o różnej grubości i różne warunki ekspozycji. Absorpcja wody musi być zatem powiązana z klasą i metodą, taką jak ASTM D570 Lub ISO 62, z podanym czasem trwania i temperaturą.
Aby uzyskać prawdziwą specyfikację, poproś o:
- stopień przetestowania i stan utwardzenia;
- grubość próbki;
- czas zanurzenia i temperatura wody;
- procentowa zmiana masy;
- zmiana wymiarów, jeżeli istotne są ścisłe tolerancje;
- zachowanie właściwości elektrycznych lub mechanicznych po kondycjonowaniu.
Niska absorpcja wody nie oznacza również zerowej transmisji pary wodnej. Silikon ma stosunkowo wysoką przepuszczalność gazów i pary wodnej w porównaniu z wieloma gęstymi elastomerami organicznymi. Jest to przydatne w przypadku membran oddychających, ale może stanowić ograniczenie w przypadku opakowań barierowych przed wilgocią lub obudów czujników.
Jak kupujący powinni określić gęstość silikonu?
Użyj gęstości jako jednej kontrolowanej właściwości w ramach kompletnej specyfikacji materiałowej.
| Element specyfikacji | Wymagania praktyczne |
|---|---|
| Gatunek materiału | Dostawca i dokładny kod związku |
| System leczenia | Platyna, nadtlenek lub system specyficzny dla gatunku |
| Gęstość lub ciężar właściwy | Wartość nominalna i tolerancja z zatwierdzonej TDS |
| Metoda testowa | ASTM D792, ASTM D297 lub ISO 1183-1 |
| Warunki testowe | Temperatura, stan próbki i stan utwardzenia |
| Tolerancja masy częściowej | Definiowana oddzielnie od gęstości materiału |
| Zapotrzebowanie na wodę | Badanie absorpcji, zanurzenia, ciśnienia, transmisji pary lub testu IP |
| Zmiana kontroli | Zakaz zastąpienia formulacji lub wypełniacza bez uzyskania zgody |
Nie należy kierować się wyłącznie gęstością, aby określić, czy dany materiał jest odpowiedni do danego zastosowania. Dwa materiały mogą mieć tę samą gęstość, różniąc się wytrzymałością na rozciąganie, odpornością na rozdarcie, odkształceniem trwałym po ściskaniu, wymaganiami dotyczącymi utwardzania, zawartością substancji ekstrakcyjnych i statusem regulacyjnym.
Często Zadawane Pytania
Czy silikon spożywczy unosi się na wodzie?
Kontakt z żywnością nie decyduje o wyporności. Większość stałych silikonowych części przeznaczonych do kontaktu z żywnością tonie, ponieważ ich gęstość przekracza 1,00 g/cm³. Elementy puste w środku lub wykonane z pianki mogą unosić się na wodzie.
Czy silikon jest cięższy od wody?
Większość stałego kauczuku silikonowego jest cięższa w przeliczeniu na jednostkę objętości niż słodka woda. Typowa gęstość mieszanki wynosi około 1,05–1,60 g/cm³, podczas gdy słodka woda ma gęstość zbliżoną do 1,00 g/cm³.
Czy wyższa twardość Shore’a oznacza wyższą gęstość?
Niekoniecznie. Twardość i gęstość zależą od składu, ale nie ma uniwersalnego przelicznika. Dla każdej wartości należy użyć TDS związku.
Granica projektu
Do obliczeń masy należy podać objętość gotowego elementu CAD, masę wkładki, zatwierdzoną gęstość mieszanki oraz tolerancję masy elementu. W przypadku flotacji należy podać całkowitą masę zespołu, objętość wypartą zewnętrznie, metodę uszczelnienia wnęki oraz ciecz eksploatacyjną. W przypadku wodoodporności należy określić ciśnienie, czas, temperaturę, geometrię złącza oraz odpowiedni test.
Bez tych danych wejściowych stwierdzenia “silikon unosi się na wodzie” i “silikon jest wodoodporny” są uogólnieniami dotyczącymi materiałów, a nie specyfikacjami produkcyjnymi.
