Выбор между силиконом и полиуретаном не имеет однозначного победителя. Выбор зависит от нагрузки, температуры, условий окружающей среды, срока службы и способа производства. Выбирайте силикон для экстремальных температур, воздействия УФ-излучения и долговременной герметизации. Выбирайте полиуретан для устойчивости к истиранию, нагрузкам, ударам и широкого диапазона твердости.
Это простое правило предотвращает множество ошибок на начальном этапе. Однако его недостаточно для окончательной спецификации материала. Колесо, статическая прокладка, медицинский клапан, заливочный компаунд и строительный герметик — все они могут использовать один из этих полимеров, но от материала не требуется выполнения одной и той же работы.
Управляющее резюме
- Силикон, как правило, является более безопасным выбором, если он предназначен для использования в условиях воздействия тепла, холода, ультрафиолетового излучения, озона или длительного восстановления после компрессии.
- Полиуретан обычно более прочен при истирании, ударах, многократном контакте и высоких механических нагрузках.
- Не следует выбирать материалы из одной и той же сравнительной таблицы. Сравнивайте фактические характеристики, используя один и тот же метод испытаний, температуру, геометрию образца и условия подготовки.
Сравнение силикона и полиуретана: краткий обзор
| Фактор принятия решения | Силиконовый эластомер | Полиуретановый эластомер |
|---|---|---|
| Полимерная структура | Неорганический кремний-кислородный каркас с органическими боковыми группами | Органический полимер, образованный из полиолов и изоцианатов. |
| Типичная сила | Температурная стабильность, атмосферные воздействия, электроизоляция, восстановление после сжатия | Износостойкость, прочность на разрыв, прочность на растяжение, амортизация ударов |
| Типичная слабость | Более низкая износостойкость и более высокая стоимость сырья. | Более чувствителен к теплу, УФ-излучению, гидролизу и химическим процессам в составе. |
| Диапазон твердости | В продаже имеются распространенные марки формованной резины — от очень мягкой до жесткой. | Очень широкий ассортимент, от гибких пеноматериалов и мягких эластомеров до жестких систем. |
| Воздействие внешней среды | Обычно устойчив к ультрафиолетовому излучению и озону. | В значительной степени зависит от ароматической или алифатической химии и состава стабилизатора. |
| Влажное обслуживание | Низкое водопоглощение, но конструкция соединения по-прежнему имеет значение. | Полиэфирные марки обычно лучше противостоят гидролизу, чем полиэфирные. |
| Обработка | HCR компрессионное/трансферное формование, литье под давлением LSR, экструзия, нанесение покрытий | Литой эластомер, RIM, пенопласт, покрытие, клей, литье под давлением или экструзия ТПУ. |
| Направление затрат | Обычно более высокая стоимость материалов. | Зачастую разница ниже, но стоимость оснастки, брака, вторичных операций и срока службы могут изменить ситуацию в худшую сторону. |
Это тенденции, свойственные семействам материалов. Это не гарантированные значения. Не следует сравнивать наполненный высококонсистентный силиконовый каучук и литой полиэфирный полиуретан, как если бы каждый из них представлял все семейство полимеров.
В каких случаях следует выбирать силикон?
Выбирайте силиконовый герметик, если условия его применения зависят от термических циклов, воздействия погодных условий на открытом воздухе, гибкости при низких температурах или длительной герметизации.
Экстремальные температуры и температурные циклы
Многие универсальные силиконовые эластомеры рассчитаны на длительный срок службы в диапазоне температур от -45°C до 200°C, в то время как отдельные марки могут иметь более узкие или более широкие пределы. Компания Dow указывает диапазон температур от -45°C до 200°C в качестве полезного диапазона для длительного срока службы одного из силиконовых эластомеров SYLGARD и предупреждает, что вблизи этих пределов по-прежнему требуется валидация на уровне отдельных компонентов. Компания Rogers указывает диапазон температур от -55°C до 200°C для своей линейки ячеистых силиконов BISCO.
Важный вопрос заключается не в самой высокой температуре, указанной в брошюре. Важно то, что происходит после сотен циклов нагрева, пока деталь остается сжатой, растянутой или подвергается воздействию жидкости. Твердость, удлинение, остаточная деформация, адгезия и электрические свойства могут изнашиваться с разной скоростью.
Полиуретан выдерживает высокие температуры, но диапазон его применения сильно различается в зависимости от химического состава. Американский химический совет отмечает, что невоспламеняющаяся термическая деградация некоторых полиуретановых изделий может начинаться при температуре около 150–180 °C. Это предупреждение о деградации, а не рекомендуемый диапазон рабочих температур. Предельные значения для непрерывного использования конкретного сорта полиуретана обычно значительно ниже и должны быть указаны в его техническом паспорте.
Ультрафиолетовое излучение, озон и атмосферные воздействия
Силикон обычно является менее рискованным вариантом для открытых уплотнений, осветительных приборов, наружных корпусов и стыков остекления. Его кремниево-кислородная основа обеспечивает ему высокую устойчивость к УФ-излучению и озону. Компания Dow описывает структурный силиконовый герметик как устойчивый к УФ-излучению, теплу, влажности, озону и экстремальным температурам.
Для полиуретана необходим более конкретный вопрос: является ли система ароматической или алифатической, и какие стабилизаторы или покрытия защищают её? Ароматический полиуретан может обесцвечиваться под воздействием УФ-излучения. Обесцвечивание не всегда означает немедленное механическое разрушение, но это важно для видимых компонентов и может указывать на старение поверхности. Алифатические системы улучшают стабильность цвета, обычно за счёт увеличения стоимости рецептуры.
Команды часто недооценивают воздействие атмосферных явлений, поскольку первоначальные данные по прочности на растяжение кажутся приемлемыми. Реальная разница проявляется после нескольких месяцев воздействия солнечного света, влаги и термических деформаций. Черный промышленный ролик и белый наружный уплотнитель имеют разные критерии приемлемости.
Долговременная герметизация и восстановление сжатия
Для статических прокладок, подверженных воздействию тепла, силикон часто сохраняет герметичность лучше, чем полиуретан общего назначения. Низкая остаточная деформация при сжатии имеет значение, поскольку прокладка может выглядеть целой, но при этом терять контактное давление.
Значения остаточной деформации при сжатии легко использовать неправильно. Стандарты ASTM D395 для твердой резины и ASTM D3574 для ячеистых материалов используют разные образцы и процедуры. Температура, процент сжатия, время восстановления и толщина образца — все это влияет на результат. Сравнивайте значения только при совпадении условий испытаний.
При проверке уплотнительной прокладки шкафа или корпуса батареи мы учитываем не только начальное усилие сжатия. Мы также проверяем допуск на зазор, целевое сжатие, релаксацию усилия, нагрузку закрытия и восстановление после старения. Чрезмерное сжатие мягкой прокладки может сократить срок службы, даже если сам материал пригоден для использования.
Чистота, биосовместимость и применение в контакте с пищевыми продуктами.
Силикон широко используется для детские товары, Кухонная утварь, медицинские компоненты, трубки и клапаны, поскольку подходящие марки могут сочетать в себе термостойкость, гибкость и чистоту формования. Это не означает, что каждая марка силикона подходит для этих целей. безопасный для пищевых продуктов или медицинского назначения.
Соответствие требованиям определяется точным объемом испытаний состава и готовой детали. FDA 21 CFR 177.2600, рекомендации LFGB, USP Class VI и ISO 10993 отвечают на различные вопросы. Пигменты, условия постполимеризации, разделительные агенты для пресс-форм, клеи и печать могут изменить готовую деталь. Перед утверждением материала запросите декларацию состава и соответствующий протокол испытаний.
В каких случаях следует выбирать полиуретан?
Выбирайте полиуретан, если компонент подвергается износу при скольжении, качению, ударам, высоким нагрузкам или уровню твердости, который силикон не может эффективно обеспечить.
Устойчивость к истиранию, порезам и разрывам.
Полиуретан обычно является наиболее подходящим материалом для колес, роликов, скребков, приводных компонентов, защитных накладок, деталей горнодобывающей промышленности и компонентов погрузочно-разгрузочной техники. Американский химический совет перечисляет среди свойств полиуретановых эластомеров устойчивость к истиранию, ударам, порезам, разрывам, маслам и растворителям. Компания BASF также позиционирует полиуретан для промышленных колес, где несущая способность и износостойкость определяют эксплуатационные характеристики.
Это преимущество не является теоретическим. При многократном контакте силиконовая поверхность может полироваться, повреждаться или рваться по краям, в то время как полиуретановая часть продолжает нести нагрузку. Разрушение часто начинается в месте литья, остром углу, на границе склеивания или в локальной концентрации напряжений, а не в середине стандартного образца для испытаний на растяжение.
Указывать износостойкость можно с помощью метода испытаний, например, DIN 53516 или ASTM D5963. Заявления типа “отличная износостойкость” недостаточно для сравнения поставщиков.
Поведение при нагрузке и ударе
Полиуретан можно изготавливать с высокой прочностью на растяжение, прочностью на разрыв и несущей способностью, сохраняя при этом эластичность. Это делает его полезным для бамперов, амортизаторов, колес, муфт и защитных элементов.
Одной лишь твердости недостаточно для описания такого поведения. Два материала с твердостью по Шору А 80 могут иметь разные модули упругости, упругость, гистерезис, прочность на разрыв и тепловыделение. Для динамического колеса необходимы такие параметры, как нагрузка, скорость, рабочий цикл, конструкция ступицы, рабочая температура и приемлемое поведение в зоне деформации. Более твердый компаунд может увеличить грузоподъемность, но при этом передавать больше вибрации и генерировать другое внутреннее тепло.
Широкий выбор твердости и вариантов обработки.
Полиуретан охватывает литые эластомеры, гибкие и жесткие пенопласты, покрытия, клеи, герметики и термопластичный полиуретан. Такой широкий диапазон позволяет инженерам регулировать твердость, плотность, упругость, демпфирование и технологические процессы гораздо эффективнее, чем при использовании стандартной силиконовой резины.
Компромисс заключается в чувствительности состава. “Полиуретан” — это не один материал. Полиэфирные, полиэфирные и поликарбонатные мягкие сегменты ведут себя по-разному. Химия изоцианатов также влияет на УФ-стойкость, механические свойства и технологические процессы. Замена поставщика, которая сохраняет постоянным только твердость по Шору, все равно может изменить срок службы.
Способность к покраске и адгезия
Для строительных швов и соединений, требующих покраски, полиуретановый герметик часто проще в применении. Многие силиконовые поверхности трудно красить, и сложно сблизиться без плазменной обработки, грунтовки или специального силиконового клея.
Не следует обобщать это на утверждение “полиуретан обеспечивает лучшее сцепление”. Адгезия зависит от подложки, поверхностной энергии, загрязнения, грунтовки, подвижности соединения, условий отверждения и химического состава клея. Для стекла, анодированного алюминия, окрашенного металла, АБС-пластика, нейлона и необработанного полипропилена требуются разные методы проверки.
Как тепло, вода и химические вещества влияют на принятие решения?
Правильный ответ зависит от времени воздействия, концентрации, температуры и механического воздействия. Кратковременный тест на протирание при комнатной температуре не позволяет предсказать результат при непрерывном погружении в воду при 80°C.
Вода и гидролиз
Силикон обладает низким водопоглощением и обычно хорошо себя зарекомендовал во влажной среде. Характеристики полиуретана в значительной степени зависят от химического состава мягкого сегмента. Полиэфирный полиуретан, как правило, обладает лучшей устойчивостью к гидролизу, чем полиэфирный полиуретан. Полиэфирные марки могут обеспечивать высокие механические свойства и маслостойкость, но могут терять прочность при длительном воздействии горячей воды или высокой влажности.
Этот момент часто упускается из виду, поскольку оба сорта могут выдержать кратковременное замачивание при комнатной температуре. Гидролиз ускоряется при нагревании. Для деталей из полиуретана, используемых во влажных условиях, необходимо запросить данные о сохранении прочности на растяжение, сохранении удлинения, изменении твердости и изменении размеров после согласованных условий старения.
Масла, топливо, растворители, кислоты и щелочи
Ни одно из семейств полимеров не выигрывает во всех отношениях. химическое воздействие. Силикон может набухать в некоторых видах топлива, маслах и неполярных растворителях. Полиуретан хорошо противостоит маслам и истиранию, но концентрированные кислоты или щелочные растворы могут воздействовать на некоторые марки. Компания BASF отмечает, что химическая стойкость полиуретана изменяется в зависимости от времени воздействия, температуры, концентрации и типа химического вещества, а также что деградация может происходить вследствие набухания и разрыва молекулярных цепей.
Используйте испытание на погружение в соответствии со стандартом ASTM D471 или соответствующим прикладным стандартом. Зафиксируйте изменение объема, изменение массы, твердость, прочность на разрыв и визуальное состояние. Испытывайте именно окрашенный компаунд, а не только базовый полимер.
Какой материал лучше подходит для литьевых деталей?
Геометрия и объем детали могут определять технологический процесс производства раньше, чем это сделает таблица характеристик.
маршруты формования силикона
Высококонсистентная силиконовая резина Жидкий силиконовый каучук может быть получен методом компрессионного формования, трансферного формования, экструзии или литья под давлением в зависимости от состава и геометрии. В жидком силиконовом каучуке используется двухкомпонентная система дозирования, холодный литник и нагреваемая форма. Жидкий силиконовый каучук хорошо подходит для производства деталей в больших объемах, тонких деталей, автоматизированного извлечения из формы и литья под давлением, если оснастка и подложка разработаны соответствующим образом.
Силиконовые инструменты Необходимо контролировать образование облоя на линии разъема и вентиляционных отверстиях. Низковязкий LSR может проникать в очень малые зазоры. Поэтому посадка инструмента, вакуум, давление впрыска и стабильность зажима влияют на образование облоя сильнее, чем это предполагает сравнение с аналогичными материалами.
Технологии формования полиуретана
Литой полиуретан подходит для малых и средних объемов, толстых деталей, роликов, колес и крупных эластомерных изделий. Реакционное литье под давлением позволяет изготавливать детали больших размеров и сложной формы. Термопластичный полиуретан (ТПУ) может быть получен методом литья под давлением или экструзии с использованием термопластичного оборудования.
Контроль влажности имеет решающее значение для многих полиуретановых систем. Полиолы, предполимеры, наполнители, формы и окружающий воздух могут содержать воду. Вода реагирует с изоцианатом и может приводить к образованию углекислого газа, пузырьков, пустот или нестабильных свойств. Поэтому сушка, соотношение компонентов смеси, дегазация, температура формы и последующая полимеризация должны быть включены в техническое задание.
Силикон дороже полиуретана?
Силикон обычно имеет более высокую стоимость материала, но цену за единицу товара нельзя предсказать, исходя только из семейства полимеров.
| фактор затрат | силиконовый удар | Ударный полиуретан |
|---|---|---|
| Сырье | Обычно выше | Часто более низкие значения, с большими колебаниями в зависимости от химического состава. |
| Инструменты | Для контроля образования налета на LSR-пластинках может потребоваться прецизионный инструмент. | Литье под давлением может быть экономичным при небольших объемах производства; оснастка для литья из ТПУ может быть сопоставима с оснасткой для литья из пластмассы. |
| Цикл и лечение | LSR позволяет проводить быстрые автоматизированные циклы; HCR может потребовать вторичной постполимеризации. | Для литых систем может потребоваться контролируемое отверждение и последующее отверждение; ТПУ может выдерживать термопластичные циклы. |
| Выбросить и переделать | Термореактивный силикон не подлежит повторному расплавлению. | Термореактивный полиуретан не подлежит повторному расплавлению; литники из ТПУ могут быть переработаны при соблюдении ограничений по качеству. |
| Вторичные операции | Может потребоваться плазма, грунтовка или специальный клей. | Возможно, потребуется предварительная обработка поверхности или грунтовка; возможность покраски может упростить вторичную обработку. |
| Срок службы | Может компенсировать стоимость при использовании в условиях высоких температур, на открытом воздухе или для герметизации в течение длительного времени. | Может компенсировать цену в условиях абразивного воздействия, ударных нагрузок или высоких нагрузок. |
Правильное сравнение — это общая стоимость детали при требуемом сроке службы. Более дешевая прокладка, которая быстро теряет герметичность, не является более дешевой. Высококачественный силиконовый ролик, быстро изнашивающийся при контакте с абразивными материалами, также не является удачной покупкой.
Практический метод выбора между силиконом и полиуретаном.
Используйте тот предельный уровень приложения, который приведет к первой недопустимой ошибке.
- Определите непрерывную и пиковую температуру, включая количество циклов и время выдержки.
- Зафиксируйте статическую нагрузку, динамическую нагрузку, сжатие, скорость скольжения и частоту ударов.
- Перечислите жидкости, указав концентрацию, температуру и продолжительность воздействия.
- Укажите воздействие внешней среды, уровень ультрафиолетового излучения, содержание озона, влажность и требуемый внешний вид.
- Установите измеримые допустимые пределы для остаточной деформации при сжатии, потери прочности на истирание, сохранения прочности на растяжение, изменения твердости, набухания и изменения цвета.
- Выбирайте семейство и марку материала только после сопоставления метода испытаний с характером разрушения.
- Подтвердите соответствие формованных деталей заданному технологическому процессу. Таблички и технические характеристики поставщиков не отражают информацию о литниковых каналах, зонах сварки, линиях соединения, приклеенных вставках или производственных отклонениях.
Какая информация необходима перед составлением коммерческого предложения?
Для получения полезных рекомендаций по выбору материала, отправьте чертеж, годовой объем производства, целевую твердость, температурный диапазон, условия нагрузки, воздействие химических веществ, требуемый срок службы, цвет, область соответствия и текущий вид отказа. Если заменяется существующая деталь, укажите марку материала и протоколы испытаний.
Силикон по умолчанию более устойчив к воздействию тепла, атмосферных явлений и обеспечивает долговременную герметизацию. Полиуретан по умолчанию более устойчив к износу, ударам и нагрузкам. Окончательное решение зависит от марки, геометрии, технологического процесса и условий проверки, а не от названия полимера.
Технические справочные материалы
- Xometry: силикон против полиуретана
- Обзор силиконовых материалов Rogers BISCO
- Технические характеристики силиконового эластомера Dow SYLGARD 186
- Американский химический совет: Применение полиуретанов в рамках CASE-проектов
- Американский химический совет: Руководство по термической деградации полиуретанов
- BASF: Химические свойства эластоллана
