Silikon kontra poliuretan to nie jest konkurs, w którym jeden zwycięzca jest jednoznaczny. Wybór zależy od obciążenia, temperatury, środowiska, żywotności i sposobu produkcji. Wybierz silikon do ekstremalnych temperatur, ekspozycji na promieniowanie UV i długotrwałego uszczelnienia. Wybierz poliuretan do zastosowań wymagających odporności na ścieranie, obciążenia, uderzenia i szerokiego zakresu twardości.
Ta prosta zasada zapobiega wielu wczesnym błędom. Nie wystarczy jednak do określenia ostatecznej specyfikacji materiału. Koło, uszczelka statyczna, zawór medyczny, masa zalewowa i uszczelniacz budowlany mogą wykorzystywać jeden z tych polimerów, ale nie wymagają od materiału wykonania tej samej funkcji.
Streszczenie
- Silikon jest zazwyczaj bezpieczniejszym wyborem, gdy żywotność ograniczają czynniki takie jak ciepło, zimno, promieniowanie UV, ozon lub długotrwały proces odzyskiwania pierwotnej kompresji.
- Poliuretan jest zazwyczaj bardziej odporny na ścieranie, uderzenia, powtarzający się kontakt i duże obciążenia mechaniczne.
- Nie zatwierdzaj żadnej z rodzin materiałów z ogólnej tabeli porównawczej. Porównaj rzeczywiste gatunki, stosując tę samą metodę badawczą, temperaturę, geometrię próbki i kondycjonowanie.
Silikon kontra poliuretan w skrócie
| Czynnik decyzyjny | Elastomer silikonowy | Elastomer poliuretanowy |
|---|---|---|
| Struktura polimeru | Nieorganiczny szkielet krzemowo-tlenowy z organicznymi grupami bocznymi | Polimer organiczny powstający z polioli i izocyjanianów |
| Typowa siła | Stabilność temperaturowa, warunki atmosferyczne, izolacja elektryczna, odzyskiwanie po kompresji | Odporność na ścieranie, wytrzymałość na rozdarcie, wytrzymałość na rozciąganie, absorpcja uderzeń |
| Typowa słabość | Niższa odporność na ścieranie i wyższy koszt surowca | Bardziej wrażliwe na ciepło, promieniowanie UV, hydrolizę i chemię formulacji |
| Zakres twardości | Dostępne są powszechnie dostępne gatunki gumy formowanej, od bardzo miękkiej do twardej | Bardzo szeroki asortyment, od pianki elastycznej i miękkiego elastomeru po sztywne systemy |
| Ekspozycja na zewnątrz | Zwykle odporny na promieniowanie UV i ozon | W dużym stopniu zależy od chemii aromatycznej lub alifatycznej i pakietu stabilizatorów |
| Obsługa mokra | Niska absorpcja wody, ale konstrukcja wiązania nadal ma znaczenie | Gatunki polieterowe są zazwyczaj bardziej odporne na hydrolizę niż gatunki poliestrowe |
| Przetwarzanie | Formowanie kompresyjne/transferowe HCR, formowanie wtryskowe LSR, wytłaczanie, powlekanie | Odlew elastomerowy, RIM, pianka, powłoka, klej, formowanie wtryskowe lub wytłaczanie TPU |
| Kierunek kosztów | Zwykle wyższy koszt materiału | Często niższe, ale narzędzia, złom, operacje wtórne i okres eksploatacji mogą odwrócić porównanie |
Są to tendencje dotyczące rodziny materiałów. Nie są to wartości gwarantowane. Wypełnionego kauczuku silikonowego o wysokiej konsystencji i odlewanego poliuretanu poliestrowego nie należy porównywać tak, jakby każdy z nich reprezentował całą rodzinę polimerów.
Kiedy należy wybrać silikon?
Wybierz silikon, jeśli jego zastosowanie zależy od cykli termicznych, warunków atmosferycznych, elastyczności w niskich temperaturach lub długotrwałej siły uszczelniającej.
Ekstremalne temperatury i cykle cieplne
Wiele uniwersalnych elastomerów silikonowych jest przeznaczonych do długotrwałej eksploatacji w zakresie temperatur od -45°C do 200°C, podczas gdy poszczególne gatunki mogą mieć węższe lub szersze limity. Dow podaje zakres od -45°C do 200°C jako użyteczny zakres długoterminowy dla jednego elastomeru silikonowego SYLGARD i ostrzega, że w pobliżu tych limitów nadal wymagana jest walidacja na poziomie części. Rogers podaje zakres od -55°C do 200°C dla swojej gamy silikonów komórkowych BISCO.
Istotna jest nie najwyższa temperatura podana w broszurze. Istotna jest sytuacja po setkach cykli cieplnych, gdy element pozostaje ściśnięty, rozciągnięty lub wystawiony na działanie cieczy. Twardość, wydłużenie, odkształcenie trwałe po ściskaniu, przyczepność i właściwości elektryczne mogą nie starzeć się w tym samym tempie.
Poliuretan jest odporny na wysokie temperatury, ale jego zakres przydatności różni się znacznie w zależności od składu chemicznego. Amerykańska Rada Chemii (American Chemistry Council) zauważa, że degradacja termiczna niektórych produktów poliuretanowych bez spalania może rozpocząć się w temperaturze około 150–180°C. Jest to ostrzeżenie o degradacji, a nie zalecany zakres roboczy. Limity ciągłego użytkowania dla konkretnego gatunku poliuretanu są zazwyczaj znacznie niższe i muszą być określone w jego karcie charakterystyki technicznej.
UV, ozon i warunki atmosferyczne
Silikon jest zazwyczaj mniej ryzykownym rozwiązaniem w przypadku uszczelnień narażonych na działanie czynników zewnętrznych, elementów oświetleniowych, obudów zewnętrznych i połączeń szyb. Jego krzemowo-tlenowa struktura zapewnia mu wysoką odporność na promieniowanie UV i ozon. Dow opisuje konstrukcyjne uszczelnienia silikonowe jako odporne na promieniowanie UV, ciepło, wilgoć, ozon i ekstremalne temperatury.
Poliuretan wymaga bardziej szczegółowego pytania: czy układ jest aromatyczny, czy alifatyczny, i jakie stabilizatory lub powłoki go chronią? Poliuretan aromatyczny może odbarwiać się pod wpływem promieniowania UV. Odbarwienie nie zawsze oznacza natychmiastowe uszkodzenie mechaniczne, ale ma znaczenie dla widocznych elementów i może wskazywać na starzenie się powierzchni. Układy alifatyczne poprawiają stabilność koloru, zazwyczaj przy wyższych kosztach formulacji.
Zespoły często niedoceniają odporności na warunki atmosferyczne, ponieważ początkowe dane dotyczące rozciągania wydają się akceptowalne. Prawdziwa różnica pojawia się po miesiącach nasłonecznienia, wilgoci i ruchu termicznego. Czarny wałek przemysłowy i biała powłoka zewnętrzna nie spełniają tych samych kryteriów akceptacji.
Długotrwałe uszczelnianie i odzyskiwanie kompresji
W przypadku uszczelek statycznych narażonych na działanie ciepła, silikon często zachowuje siłę uszczelniającą lepiej niż poliuretan ogólnego zastosowania. Niskie odkształcenie trwałe ma znaczenie, ponieważ uszczelka może wyglądać na nienaruszoną, a mimo to tracić docisk.
Wartości odkształcenia trwałego po ściskaniu są łatwe do nadużycia. Normy ASTM D395 dla gumy litej i ASTM D3574 dla materiałów komórkowych wykorzystują różne próbki i procedury. Temperatura, stopień ściskania, czas powrotu i grubość próbki wpływają na wynik. Porównuj wartości tylko wtedy, gdy warunki badania są zgodne.
W przypadku uszczelek szafek lub obudów akumulatorów sprawdzamy nie tylko początkową siłę ściskania. Sprawdzamy również tolerancję szczeliny, docelową siłę ściskania, relaksację siły, obciążenie zamknięcia i powrót do pierwotnego kształtu po starzeniu. Nadmierne ściskanie miękkiej uszczelki może skrócić jej żywotność, nawet jeśli sam materiał jest odpowiedni.
Czystość, biokompatybilność i zastosowania w kontakcie z żywnością
Silikon jest szeroko stosowany do produkty dla dzieci, naczynia kuchenne, komponenty medyczne, przewody i zawory, ponieważ odpowiednie gatunki silikonu łączą w sobie odporność na ciepło, elastyczność i czyste formowanie. To nie oznacza, że każdy gatunek silikonu… bezpieczne dla żywności lub o jakości medycznej.
Zgodność dotyczy konkretnego zakresu badań mieszanki i gotowego elementu. Normy FDA 21 CFR 177.2600, zalecenia LFGB, USP Class VI oraz ISO 10993 odpowiadają na różne pytania. Pigmenty, warunki utwardzania, środki antyadhezyjne, kleje i druk mogą zmieniać gotowy element. Przed zatwierdzeniem materiału należy poprosić o deklarację mieszanki i odpowiedni raport z badań.
Kiedy warto wybrać poliuretan?
Wybierz poliuretan, jeśli element jest narażony na zużycie ślizgowe, toczenie, uderzenia, duże obciążenie lub poziom twardości, którego silikon nie jest w stanie zapewnić w wydajny sposób.
Odporność na ścieranie, przecięcie i rozdarcie
Poliuretan jest zazwyczaj lepszym kandydatem do kół, rolek, skrobaków, elementów napędowych, podkładek ochronnych, części górniczych i elementów transportu bliskiego. Amerykańska Rada Chemii wymienia wśród właściwości elastomerów poliuretanowych odporność na ścieranie, uderzenia, przecięcia, rozdarcia, oleje i rozpuszczalniki. BASF rekomenduje również poliuretan do kół przemysłowych, gdzie nośność i odporność na ścieranie decydują o ich właściwościach.
Ta zaleta nie jest teoretyczna. W przypadku wielokrotnego kontaktu powierzchnia silikonowa może ulec wypolerowaniu, wyszczerbieniu lub rozdarciu na krawędzi, podczas gdy element poliuretanowy nadal przenosi obciążenie. Uszkodzenie często zaczyna się w miejscu wlewu, ostrym narożniku, styku spoiny lub w miejscu lokalnej koncentracji naprężeń, a nie w środku standardowej próbki do rozciągania.
Określ odporność na ścieranie za pomocą metody badawczej, takiej jak DIN 53516 lub ASTM D5963. Stwierdzenie takie jak “doskonała odporność na zużycie” nie wystarczy do porównania z dostawcami.
Nośność i zachowanie przy uderzeniu
Poliuretan może charakteryzować się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, rozdarcie i nośnością, zachowując jednocześnie elastyczność. Dzięki temu nadaje się do zderzaków, amortyzatorów, kół, sprzęgów i elementów ochronnych.
Sama twardość nie opisuje tego zachowania. Dwa materiały o twardości Shore'a A 80 mogą mieć różny moduł sprężystości, odbicia, histerezy, wytrzymałości na rozdarcie i nagrzewania. W przypadku koła dynamicznego potrzebujemy danych dotyczących obciążenia, prędkości, cyklu pracy, konstrukcji piasty, temperatury roboczej i akceptowalnego zachowania w miejscu spłaszczenia. Twardsza mieszanka może zwiększyć nośność, ale przenosi więcej drgań i generuje inne ciepło wewnętrzne.
Szeroki zakres twardości i możliwości obróbki
Poliuretan obejmuje elastomery odlewane, pianki elastyczne i sztywne, powłoki, kleje, uszczelniacze oraz poliuretan termoplastyczny. Ten zakres pozwala inżynierom na dostrojenie twardości, gęstości, odbicia, tłumienia i procesu obróbki w szerszym zakresie niż w przypadku standardowego programu gumy silikonowej.
Kompromisem jest wrażliwość formulacji. “Poliuretan” nie jest jednym materiałem. Miękkie segmenty poliestru, polieteru i poliwęglanu zachowują się inaczej. Skład chemiczny izocyjanianów wpływa również na stabilność UV, właściwości mechaniczne i proces przetwarzania. Zmiana dostawcy, która utrzymuje jedynie stałą twardość Shore'a, może nadal wpłynąć na żywotność.
Możliwość malowania i klejenia
W przypadku spoin konstrukcyjnych i elementów wymagających malowania, często łatwiej jest zastosować uszczelniacz poliuretanowy. Wiele powierzchni silikonowych jest trudnych do pomalowania i trudne do wiązania bez obróbki plazmowej, podkładu lub specjalnego kleju silikonowego.
Nie należy uogólniać tego stwierdzenia, że “poliuretan lepiej wiąże”. Przyczepność zależy od podłoża, energii powierzchniowej, zanieczyszczeń, podkładu, ruchu spoiny, stanu utwardzania i składu chemicznego kleju. Szkło, anodowane aluminium, malowany metal, ABS, nylon i nieobrobiony polipropylen wymagają innej walidacji.
Jak ciepło, woda i chemikalia zmieniają decyzję?
Prawidłowa odpowiedź zależy od czasu ekspozycji, stężenia, temperatury i obciążenia mechanicznego. Krótki test ścierania w temperaturze pokojowej nie przewiduje ciągłego zanurzenia w temperaturze 80°C.
Woda i hydroliza
Silikon charakteryzuje się niską absorpcją wody i zazwyczaj dobrze sprawdza się w warunkach wilgotnych lub mokrych. Wydajność poliuretanu w dużym stopniu zależy od składu chemicznego segmentu miękkiego. Polieteropoliuretan ma zazwyczaj lepszą odporność na hydrolizę niż poliuretan poliestrowy. Gatunki poliestru mogą zapewniać dobre właściwości mechaniczne i odporność na olej, ale mogą tracić wytrzymałość pod wpływem długotrwałego działania gorącej wody lub wysokiej wilgotności.
Często jest to pomijane, ponieważ oba gatunki mogą przejść krótką kąpiel w temperaturze pokojowej. Hydroliza przyspiesza pod wpływem ciepła. W przypadku części poliuretanowych przeznaczonych do pracy w warunkach mokrych, należy zapytać o zachowanie wytrzymałości na rozciąganie, zachowanie wydłużenia, zmianę twardości i zmianę wymiarów po ustalonych warunkach starzenia.
Oleje, paliwa, rozpuszczalniki, kwasy i zasady
Żadna z rodzin polimerów nie wygrywa w każdym przypadku narażenie na działanie substancji chemicznych. Silikon może pęcznieć w niektórych paliwach, olejach i rozpuszczalnikach niepolarnych. Poliuretan może być odporny na oleje i ścieranie, ale stężone kwasy lub roztwory alkaliczne mogą uszkodzić niektóre gatunki. BASF zauważa, że odporność chemiczna poliuretanu zmienia się w zależności od czasu ekspozycji, temperatury, stężenia i rodzaju substancji chemicznej, a degradacja może następować wraz z pęcznieniem i rozszczepianiem łańcuchów molekularnych.
Wykonaj test zanurzeniowy zgodnie z normą ASTM D471 lub odpowiednią normą aplikacyjną. Zanotuj zmianę objętości, zmianę masy, twardość, wytrzymałość na rozciąganie i stan wizualny. Przetestuj rzeczywisty kolorowy związek, a nie tylko polimer bazowy.
Który materiał jest lepszy do produkcji części formowanych?
Geometria i objętość części mogą decydować o ścieżce produkcji zanim zrobi to wykres właściwości.
Drogi formowania silikonowego
Wysokiej konsystencji guma silikonowa W zależności od mieszanki i geometrii, guma silikonowa może być formowana metodą tłoczenia, formowania transferowego, wytłaczania lub formowania wtryskowego. Ciekły kauczuk silikonowy wykorzystuje dwuskładnikowy system dozowania, kanał chłodzący i podgrzewaną formę. Technologia LSR sprawdza się w przypadku części o dużej objętości, cienkich profili, automatycznego wyjmowania z formy oraz formowania wtryskowego, gdy narzędzie i podłoże są do tego przystosowane.
Narzędzia silikonowe Należy kontrolować wypływki na linii podziału i otworach wentylacyjnych. Płyn LSR o niskiej lepkości może wnikać w bardzo małe szczeliny. Dopasowanie narzędzia, podciśnienie, ciśnienie wtrysku i stabilność zacisku wpływają zatem na wypływki bardziej niż sugeruje porównanie materiałów generycznych.
Drogi formowania poliuretanu
Odlewany poliuretan jest przydatny do produkcji małych i średnich objętości, grubych profili, rolek, kół i dużych elementów elastomerowych. Formowanie wtryskowe z reakcją chemiczną umożliwia produkcję większych elementów i skomplikowanych kształtów. TPU można formować wtryskowo lub wytłaczać za pomocą urządzeń termoplastycznych.
Kontrola wilgotności ma kluczowe znaczenie dla wielu systemów poliuretanowych. Poliole, prepolimery, wypełniacze, formy i powietrze otoczenia mogą wprowadzać wodę. Woda reaguje z izocyjanianem i może powodować powstawanie dwutlenku węgla, pęcherzyków, pustych przestrzeni lub niejednorodnych właściwości. Suszenie, proporcje mieszania, odgazowywanie, temperatura formy i utwardzanie po utwardzeniu należą zatem do specyfikacji procesu.
Czy silikon jest droższy od poliuretanu?
Silikon jest zazwyczaj droższy pod względem ceny, ale ceny jednostkowej nie da się przewidzieć wyłącznie na podstawie rodziny polimerów.
| Kierowca kosztów | Silikonowy element udarowy | Udar poliuretanu |
|---|---|---|
| Surowiec | Zwykle wyższe | Często niższe, z dużą zmiennością w zależności od składu chemicznego |
| Obróbka | Do sterowania pamięcią flash LSR może być konieczne użycie precyzyjnych narzędzi | Narzędzia odlewnicze mogą być ekonomiczne przy mniejszych wolumenach; narzędzia wtryskowe TPU mogą być porównywalne z narzędziami do tworzyw sztucznych |
| Cykl i leczenie | LSR może obsługiwać szybkie cykle automatyczne; HCR może wymagać wtórnego utwardzania | Systemy odlewane mogą wymagać kontrolowanego utwardzania i utwardzania wtórnego; TPU może przechodzić cykle termoplastyczne |
| Złom i przeróbka | Silikonu termoutwardzalnego nie można przetopić | Utwardzanego termoplastycznie poliuretanu nie można przetapiać; wytłoki TPU mogą być poddawane recyklingowi, z zastrzeżeniem ograniczeń jakościowych |
| Operacje wtórne | Może być potrzebna plazma, podkład lub specjalny klej | Nadal może być konieczne zastosowanie obróbki powierzchni lub podkładu; możliwość malowania może zmniejszyć złożoność wtórną |
| Żywotność | Możliwość obniżenia ceny w zastosowaniach wymagających uszczelnienia na gorąco, na zewnątrz lub w warunkach długotrwałego stosowania | Możliwość obniżenia ceny w zastosowaniach ściernych, udarowych lub wymagających dużego obciążenia |
Prawidłowym porównaniem jest całkowity koszt części przy wymaganym okresie użytkowania. Tańsza uszczelka, która szybko traci siłę uszczelniającą, nie jest tańsza. Wysokiej jakości silikonowy wałek, który szybko się zużywa w kontakcie z materiałami ściernymi, również nie jest dobrym zakupem.
Praktyczna metoda wyboru silikonu i poliuretanu
Użyj limitu aplikacji, który spowodowałby pierwszą niedopuszczalną awarię.
- Zdefiniuj temperaturę ciągłą i szczytową, łącznie z liczbą cykli i czasem przebywania.
- Rejestruj obciążenie statyczne, obciążenie dynamiczne, ściskanie, prędkość ślizgu i częstotliwość uderzeń.
- Wymień płyny wraz ze stężeniem, temperaturą i czasem ekspozycji.
- Zdefiniuj ekspozycję na warunki zewnętrzne, promieniowanie UV, ozon, wilgotność i wymagany wygląd.
- Ustal mierzalne granice akceptacji dla odkształcenia trwałego pod wpływem ściskania, ścierania, retencji przy rozciąganiu, zmiany twardości, pęcznienia i zmiany koloru.
- Wybrać rodzinę i gatunek materiału dopiero po dopasowaniu metody badania do rodzaju uszkodzenia.
- Sprawdź, czy elementy formowane są w procesie zgodnym z przeznaczeniem. Płytki i karty katalogowe dostawców nie uwzględniają wlewów, obszarów spoin, linii łączenia, wkładek klejonych ani odchyleń produkcyjnych.
Jakie informacje są potrzebne przed sporządzeniem oferty?
Aby uzyskać przydatne zalecenia dotyczące materiałów, prześlij rysunek, roczną objętość, docelową twardość, zakres temperatur, stan obciążenia, narażenie na działanie substancji chemicznych, wymaganą żywotność, kolor, zakres zgodności i aktualny rodzaj awarii. Jeśli istniejąca część jest wymieniana, dołącz jej klasę materiału i raporty z testów.
Silikon jest lepszym wyborem w przypadku wysokiej temperatury, warunków atmosferycznych i długotrwałego uszczelnienia. Poliuretan jest lepszym wyborem w przypadku zużycia, uderzeń i obciążeń. Ostateczna decyzja zależy od gatunku, geometrii, procesu i warunków walidacji, a nie od nazwy polimeru.
Odniesienia techniczne
- Xometria: Silikon kontra poliuretan
- Przegląd materiałów silikonowych Rogers BISCO
- Dane techniczne elastomeru silikonowego Dow SYLGARD 186
- Amerykańska Rada Chemii: Zastosowania poliuretanu w CASE
- Amerykańska Rada Chemii: Wytyczne dotyczące degradacji termicznej poliuretanu
- BASF: Właściwości chemiczne elastolanu
