Силиконовый уплотнитель может задерживать жидкую воду, но при этом пропускать кислород, углекислый газ или водяной пар. Это кажущееся противоречие приводит к ошибкам в технических характеристиках герметичных корпусов, мембран и т.д., силиконовые трубки, а также изделия, чувствительные к давлению.
Проницаемость силикона относительно высока, поскольку молекулы газа растворяются в эластомере и диффундируют через свободный объем между его подвижными силоксановыми цепями. Он устойчив к жидкостям, но не является автоматически газо- или паробарьером.
В этой статье рассматриваются свойства материала, факторы, влияющие на передачу сигнала, и ограничения, которые инженеры должны определить перед выбором силиконового компаунда.
Что такое проницаемость силикона?
Проницаемость силикона — это скорость, с которой определенный газ или пар проходит через силикон при заданных условиях. Это свойство материала в целом. Оно отличается от утечки через зазор, линию разъема, поврежденное уплотнение или плохое сжатие. силиконовое уплотнительное кольцо.
Процесс проникновения происходит в три этапа:
- Газ растворяется в силиконе, находящемся под высоким давлением.
- Молекулы диффундируют через свободный объем в полимерной сетке.
- Газ покидает поверхность низкого давления.
Для однородной мембраны в стационарном состоянии соотношение можно упростить следующим образом:
Расход газа пропорционален проницаемости × площади × разности давлений ÷ толщине
Это уравнение разделяет два часто путаемых термина:
| Срок | Что это описывает | Влияет ли на это геометрия? |
|---|---|---|
| Проницаемость | Внутреннее свойство определенного материала, газа и температуры. | Нет, при правильной нормализации. |
| Проницаемость | Проницаемость, деленная на толщину мембраны. | Да |
| Скорость передачи газа | объем газа, проходящий через определенный образец за определенный промежуток времени | Да, площадь и толщина имеют значение. |
| Скорость утечки | Протекание через отверстие, стык или дефект уплотнения. | В основном это определяется конструкцией уплотнения и его дефектами. |
Низкий измеренный уровень утечки через герметичный корпус не доказывает, что долговременная газопроницаемость незначительна. Испытания на герметичность и испытания на проницаемость отвечают на разные вопросы.
Почему силиконовая резина обладает высокой проницаемостью?
Силиконовая резина обладает гибкостью –Si–O–Si– Основная структура, низкие межмолекулярные силы и высокая подвижность цепей. Эти характеристики создают больший временный свободный объем, чем во многих углеводородных каучуках и термопластах. Молекулы газа могут перемещаться из одного временного отверстия в другое.
Проницаемость является результатом двух взаимодействий материалов:
P = D × S
Pпроницаемость.Д— это коэффициент диффузии.SЭто растворимость газа в полимере.
Размер молекул влияет на диффузию, но сам по себе размер не определяет результат. Растворимость газа в полимере может быть доминирующей. Например, диоксид углерода может проникать через диметилсиликон быстрее, чем более мелкие газы, поскольку он значительно лучше растворяется в полимере.
Опубликованные справочные данные по диметилсиликону иллюстрируют разницу. Значения варьируются в зависимости от состава и условий испытаний, поэтому таблица полезна для сравнительного анализа, а не в качестве спецификации готовой детали.
| Газ | Проницаемость × 10⁹ см³·см/(с·см²·смHg) | Коэффициент диффузии × 10⁶ см²/с | Растворимость, см³(СТП)/(см³·атм) |
|---|---|---|---|
| Азот | 28 | 15 | 0.15 |
| Гелий | 35 | 60 | 0.045 |
| Кислород | 62 | 16 | 0.31 |
| Водород | 65 | 43 | 0.12 |
| Метан | 95 | 13 | 0.57 |
| Углекислый газ | 323 | 11 | 2.2 |
Источник: У. Л. Робб, Тонкие силиконовые мембраны — их проницаемость и некоторые области применения., Анналы Нью-Йоркской академии наук (1968).
Практический аспект прост: “газонепроницаемый силикон” не является обязательным требованием. Необходимо указать вид газа.
Является ли силикон водонепроницаемым, но газопроницаемым?
Да, но только если под “водонепроницаемостью” подразумевается устойчивость к проникновению большого количества жидкости при заданном давлении и условиях сборки. Жидкая вода не протекает через неповрежденный силикон так же, как газ проникает через полимерную сетку.
Паропроницаемость Это другое дело. Отдельные молекулы пара могут растворяться и диффундировать через силикон. лист силиконовой резины Таким образом, может блокировать дождь или брызги жидкости, одновременно обеспечивая прохождение водяного пара с течением времени.
Это различие имеет значение в следующих случаях:
- герметичная электроника, подверженная колебаниям влажности;
- Накладные пластыри, требующие отвода влаги;
- медицинские и лабораторные мембраны;
- Закупорочные средства для пищевых продуктов или фармацевтических препаратов, требующие наличия определенного паронепроницаемого барьера;
- наружные корпуса, где реальный риск представляет собой образование конденсата внутри.
Не следует использовать результаты погружения в воду в качестве замены данных о паропроницаемости. Они измеряют разные механизмы переноса.
Какие газы быстрее всего проникают в силикон?
Углекислый газ обычно демонстрирует более высокую скорость пропускания через VMQ, чем кислород, азот, гелий или водород в сопоставимых условиях. Последовательность зависит от соединения и температуры, но разница достаточно велика, чтобы повлиять на проектные решения.
Исследование структуры силиконовой мембраны Исследование показывает, что органические заместители вдоль полимерной цепи могут существенно изменять проницаемость для кислорода и азота. Более крупные алкильные, арильные и трифторпропильные группы, как правило, снижают проницаемость по сравнению с диметилсиликоном, хотя результат зависит от газа и состава.
| Тип силикона | Тенденция к относительной проницаемости | Структурная причина |
|---|---|---|
| ВМQ | В целом высокий | Структура диметилсилоксана сохраняет высокую подвижность цепи и свободный объем. |
| PVMQ | Часто ниже, чем у сопоставимых газовых смесей по показателю VMQ. | Фенильные заместители изменяют упаковку цепей, растворимость и диффузию. |
| FVMQ | Обычно ниже, чем стандартный VMQ. | Фторированные боковые группы повышают полярность и изменяют растворимость газов. |
Сравнение показывает, почему термин “силикон” слишком широк для технического чертежа. VMQ, PVMQ и FVMQ не обеспечивают одинакового барьерного действия, и качественная оценка не может заменить данные испытаний, специфичные для конкретного соединения.
Что влияет на проницаемость силикона?
Наибольшее влияние оказывают тип газа, химический состав силикона, температура, толщина, площадь контакта и разница парциальных давлений. Состав компаунда и обработка поверхности также могут иметь значение, но их влияние необходимо проверить на реальном материале. Более широкий диапазон механических, термических, электрических и химических свойств см. в этом полном руководстве. свойства силиконовой резины.
| Переменная | Влияние на проницаемость или общую передачу | Последствия для спецификации |
|---|---|---|
| Газообразные виды | Изменяет как растворимость, так и диффузию. | Проверьте фактический газ или газовую смесь. |
| семейство силиконов | FVMQ и модифицированные составы способны пропускать меньше газа, чем VMQ общего назначения. | Укажите семейство и марку полимера. |
| Температура | Повышение температуры, как правило, увеличивает подвижность цепи и эффективность передачи. | Испытание при минимальной и максимальной рабочей температуре. |
| Толщина | Не изменяет внутреннюю проницаемость; большая толщина уменьшает общий поток. | Контроль минимальной толщины готового изделия |
| Открытая область | Не изменяет внутреннюю проницаемость; большая площадь увеличивает общий поток. | Используйте эффективную площадь открытой поверхности при расчетах. |
| Разность парциальных давлений | Увеличение разницы между фактическим и фактическим расходом газа приводит к увеличению газового потока. | Определите состав газа и давление с обеих сторон. |
| Наполнители | Может увеличить извилистость траектории и уменьшить диффузию. | Не следует предполагать, что два соединения с одинаковой твердостью ведут себя одинаково. |
| Обработка поверхности | Оксидированная поверхность, подобная кремнезему, может временно снизить диффузию кислорода. | Определите условия обработки, старения и хранения. |
| Плотность сшивки | Зачастую оказывает меньшее воздействие, чем ожидалось, в пределах стандартных диапазонов состава силиконовых эмульсий. | Не используйте твердость по Шору в качестве показателя проницаемости. |
Снижает ли более высокая твердость по Шору проницаемость?
Ненадежно. Более твердый компаунд может содержать различное количество наполнителя или иметь различную структуру сетки, но Твердость по Шору А В документе прямо не указана схема транспортировки газа.
Это распространённая ошибка при выборе. Команды сравнивают листы с твердостью 40 по Шору А и 70 по Шору А и предполагают, что более твёрдый сорт автоматически обеспечивает лучшие газонепроницаемые свойства. Опубликованные работы по силиконовой резине и необработанному ПДМС показывают, что обычные изменения плотности сшивки могут оказывать незначительное влияние по сравнению с химическим составом полимера, растворимостью газов, температурой и наполнителями.
Если важна проницаемость, запросите данные о проницаемости или пропускании воздуха именно для данного соединения. Не следует делать выводы на основе твердости, прочности на растяжение или остаточной деформации при сжатии.
Повышает ли температура проницаемость силикона?
В целом, да. Более высокая температура увеличивает подвижность полимерных цепей и диффузию газа. Более низкая температура уменьшает свободный объем и молекулярное движение, хотя фазовые переходы и растворимость газа могут осложнить эту тенденцию.
Таким образом, значение температуры, соответствующей комнатной температуре, является слабым доказательством работоспособности уплотнения при 150 °C. Деталь может сохранять свои механические свойства, пропуская при этом значительно больше газа, чем ожидалось. Стойкость материала и барьерные свойства — это отдельные требования.
Предотвратит ли более толстая силиконовая стенка проникновение влаги?
Увеличение толщины стенки снижает скорость пропускания, но не превращает силикон в настоящий барьерный материал. В стационарных условиях удвоение толщины примерно вдвое уменьшает поток, если материал, газ, площадь, температура и разница давлений остаются неизменными.
Увеличение толщины также увеличивает время, необходимое для достижения установившегося режима потока. Это может сделать короткий тест более предпочтительным, чем длительный срок службы. Для хранения, удержания вакуума или многодневной выдержки под давлением продолжительность теста должна быть достаточной, чтобы отделить переходную диффузию от поведения в установившемся режиме.
Чем отличаются VMQ, PVMQ и FVMQ?
The семейство силиконовых полимеров это изменяет как проницаемость, так и другие свойства, которые оправдывали выбор силикона.
| Материал | Тенденция к повышению проницаемости | Главная причина выбора | Граница для проверки |
|---|---|---|---|
| ВМQ | Высокий | Общая термостойкость, гибкость, электроизоляция и широкая технологичность. | Неудачный выбор, когда основной функцией является удержание газа. |
| PVMQ | Ниже некоторых оценок VMQ, но все же проницаемый. | Гибкость при низких температурах; фенильные группы подавляют кристаллизацию. | Барьерные свойства по-прежнему зависят от состава препарата. |
| FVMQ | Обычно ниже, чем VMQ или PVMQ. | Повышенная устойчивость к топливу, маслам и растворителям, а также сниженная газопроницаемость. | Стоимость, поведение при низких температурах и механические свойства отличаются от VMQ. |
| Бутилкаучук | Гораздо более низкая газопроницаемость, чем у силикона. | Удержание газа, воздушные подушки, внутренние вкладыши | Более низкая термостойкость и различные химические пределы |
| инженерный ламинат | Может обеспечить гораздо более низкий путь передачи. | Области применения, требующие силиконовых поверхностей в сочетании с барьерными свойствами. | Склеивание, усталость при изгибе, кромки, микроотверстия и сложность процесса. |
Если первостепенное требование — низкая проницаемость, изменение геометрии детали из VMQ может оказаться менее эффективным, чем изменение полимера или добавление барьерного слоя. Если же первостепенное требование — гибкость при экстремальных температурах, то модифицированная конструкция из PVMQ или композитного материала может стать лучшим компромиссом.
В каких случаях полезна высокая проницаемость силикона?
Высокая проницаемость полезна в тех случаях, когда контролируемый газообмен является частью функционирования, а не недостатком.
В качестве примеров можно привести оксигенационные мембраны, микрофлюидные устройства для культивирования клеток, исследования в области разделения газов, дышащие медицинские компоненты, системы выравнивания давления и некоторые носимые интерфейсы. Тонкие мембраны из полидиметилсилоксана (PDMS) может обеспечивать обмен кислорода и углекислого газа, одновременно содержа жидкую среду.
Конструкция по-прежнему должна иметь четко определенный диапазон пропускания воздуха. Показатель “воздухопроницаемость” не является измеримой характеристикой. На чертеже или плане проверки должны быть указаны газ, температура, разница давлений, активная площадь, толщина и допустимый диапазон расхода.
Обработка поверхности также требует контроля. Исследования полидиметилсилоксана (ПДМС), обработанного кислородной плазмой, показали, что окисленная кремнеподобная поверхность первоначально снижала диффузию кислорода — иногда более чем на 501 ТТ3Т, — но стандартный ПДМС с соотношением 10:1, хранящийся на воздухе, восстанавливал свою первоначальную наблюдаемую скорость диффузии примерно через три дня. Хранение в воде замедляло восстановление. Источник: Изменение диффузии газов через ПДМС.
Препарат, изменяющий проницаемость в первый день применения, может не дать того же результата после хранения или повторного использования.
В каких случаях силикон не подходит в качестве газобарьерного материала?
Силикон — неудачный вариант по умолчанию, когда его основная функция заключается в удержании газа, поддержании вакуума, предотвращении окисления или ограничении длительного проникновения паров. Типичные случаи риска включают:
- Предполагается, что пневматические баллоны будут удерживать давление в течение длительного времени;
- вакуумные уплотнения, в которых после устранения внешней утечки преобладает проницаемость;
- Упаковка, чувствительная к кислороду;
- герметик или специальный газ;
- герметичные датчики со строгими ограничениями по колебаниям влажности;
- тонкие диафрагмы, подверженные постоянному перепаду давления.
В этих областях применения сначала следует сравнить бутилкаучук, фторполимеры, металлические барьеры, ткани с покрытием или многослойные структуры. Силикон может оставаться необходимым по причинам, связанным с температурой, гибкостью, биосовместимостью или технологичностью, но его слабые барьерные свойства в этом случае необходимо учитывать при проектировании.
Как следует проверять проницаемость силикона?
Используйте метод, который сообщает о свойстве, необходимом для проекта. ASTM D1434-23 Используется манометрический метод для определения скорости газопроницаемости, проницаемости и — где это применимо — проницаемости пленок и листов. ISO 15105-1:2007 В документе рассматриваются испытания на перепад давления пластиковых пленок и листов; ISO указывает это издание как действующее, но находящееся в стадии пересмотра по состоянию на 2026 год.
В удобную спецификацию тестирования следует включить:
- точный состав и условия отверждения;
- толщина образца и площадь открытой поверхности;
- целевой газ или определенная газовая смесь;
- давление и парциальное давление с обеих сторон;
- температура и относительная влажность;
- История подготовки и послелечебного периода;
- Обработка поверхности и время старения;
- Продолжительность теста и критерий установившегося состояния;
- требуемое количество единиц и допустимый предел.
Проверить материал или готовую сборку?
Проверяйте оба метода, когда применение критически важно. Тест на проницаемость плоского листа позволяет изолировать поведение основного материала. Тест на снижение давления, использование трассирующего газа или проверку на влажность готового изделия позволяют оценить состояние соединений, сжатия, склеивания, линий разъема и реальную геометрию.
Эти два результата не следует заменять друг другом:
| Уровень теста | Что это раскрывает | Чего в нём не хватает |
|---|---|---|
| Материальный купон | Внутренняя передача сложных сигналов в контролируемых условиях | Геометрия уплотнения, соединения, варианты формовки. |
| Формованная деталь | Влияние фактической толщины, процесса отверждения и локальной геометрии | Полные интерфейсы сборки |
| Завершенная сборка | Совместная проницаемость и утечка в условиях эксплуатации. | Возможно, не удастся определить, какой именно путь привел к результату. |
Для контроля качества продукции недостаточно лишь измерения размеров и твердости по Шору, когда газопроницаемость является критически важной характеристикой. Может потребоваться сертификат на компаунд, контролируемый процесс отверждения и периодическая проверка газопроницаемости.
Какая информация необходима перед тем, как выбрать силикон?
Выбор материала только по слову “силикон” невозможен. Сначала определите транспортную проблему:
- Какой газ или пар должен пройти или должен быть заблокирован?
- Какова допустимая скорость передачи данных?
- Каковы рабочая температура и перепад давления?
- Какова площадь открытой поверхности?
- Какова минимальная толщина стенки или мембраны?
- Измеряется ли требуемое значение после постполимеризации, плазменной обработки, стерилизации или старения?
- Какие механические, химические и нормативные требования препятствуют использованию материалов с низкой проницаемостью?
Если эти данные отсутствуют, показатель проницаемости из типового технического описания имеет небольшую ценность. Он может описывать другой газ, толщину, систему единиц, состояние отверждения или температуру. Правильное решение заключается не в том, является ли силикон “проницаемым”, а в том, остается ли измеренная пропускающая способность именно этого компаунда и геометрии в пределах допустимых значений для данного продукта в условиях его эксплуатации.
