Эластомер: что это за материал и чем резина отличается от полиуретана и ТЭП

Эластомер отличается от обычного пластика тем, где лежит его температура стеклования. У оргстекла или полистирола температура стеклования выше комнатной, цепи почти неподвижны, и деталь ломается, растянувшись на единицы процентов. Полиэтилен и капролон тянутся сильнее, но их держат кристаллиты, и после вытяжки деталь остаётся длиннее. У эластомера температура стеклования ниже рабочей, обычно от −20 до −120 °C, поэтому цепи свёрнуты в клубки и легко распрямляются. Сшивки между цепями не дают им проскальзывать, и после снятия нагрузки деталь возвращается к исходной форме. Удлинение при разрыве у резин общего назначения составляет сотни процентов, и после снятия нагрузки образец почти возвращается к исходной длине; у жёстких пластиков удлинение единицы или десятки процентов, а растянутый полиэтилен назад не возвращается.

Эластомер определяют по обратимой деформации, а семейство по типу сшивки

Все эластомеры держатся на сетке, но сетка бывает разной. От неё зависит, как материал перерабатывают, можно ли его переплавить и как он ведёт себя после долгого сжатия в тепле. Удобно делить эластомеры для деталей на три семейства.

Литьевой полиуретан по химии ближе к резине, а термопластичный полиуретан из той же химической семьи относится уже к термоэластопластам. Эта пара часто путается в заявках, хотя термопластичный полиуретан ТПУ перерабатывают совсем иначе и под другую партию.

Резина, полиуретан и ТЭП расходятся по трём свойствам детали

Сравнивать семейства «в целом» бессмысленно: внутри каждого есть марки с очень разными свойствами. Но для деталей по чертежу есть три свойства, по которым семейства расходятся систематически.

Первое свойство: память формы после долгого сжатия в тепле. Резина с химической сеткой возвращается лучше всех, особенно пероксидные смеси. Термоэластопласт при длительном сжатии выше +60…+80 °C садится заметно сильнее, потому что физические узлы сетки при нагреве ослабевают. Изготовитель ТПУ BASF прямо советует ограничивать сжатие жёстких марок 5 %, мягких 10 %, если нужна малая остаточная деформация (справочник Elastollan). Для уплотнительного кольца, которое работает при сжатии 15–25 %, это решающее ограничение.

Второе свойство: стойкость к износу и порезу. Здесь впереди полиуретаны, литьевые и термопластичные; резина общего назначения изнашивается быстрее в абразиве и рвётся по надрезу.

Третье свойство: температура. Резины на FKM и силиконе работают при +200 °C и выше, полиуретаны и большинство ТЭП ограничены примерно +80…+100 °C.

Способ изготовления решает, из чего делать малую партию

У заказчика деталей часто нет выбора между семействами по свойствам: в узле подойдут и резина, и полиуретан. Тогда решает партия. Термоэластопласты перерабатывают на литьевых машинах и экструдерах, и под каждую деталь нужна металлическая литьевая форма. На тысячах штук она окупается, на десяти штуках нет.

Для резины оснастка зависит от формы. Прокладку или шайбу режут из листа плоттером или водой, и партия из пяти штук стоит почти как из одной. Кольцо, колпачок или манжету с объёмным профилем прессуют в форме, а ориентир по новой пресс-форме для формовой детали от 25 000 ₽, ориентировочно, с НДС, точная цена в КП. У литьевого полиуретана оснастка дешевле, а ролик или втулку точат из литой заготовки, поэтому на 2–20 штук такой детали он нередко выигрывает по сроку. Где проходит граница между формованием резины и литьём полиуретана, определяют количество, форма и нужная твёрдость.

Дерево выбора семейства эластомера для детали

Порядок вопросов при выборе семейства держат простым: сначала температура, затем длительное сжатие, затем износ и количество.

Если в узле длительно больше +100 °C, выбирают резину, а смесь подбирают по среде: FKM, силикон, пероксидный EPDM. Если нагрев ниже, а деталь годами стоит сжатой как уплотнение, тоже остаются на резине. Если деталь работает на износ, удар или порез, первым кандидатом становится полиуретан. Если нужна большая серия профиля или детали, которую выгодно лить и сваривать, смотрят на ТЭП; при малой партии того же профиля чаще делают EPDM; так же решают выбор между резиной и термоэластопластом для уплотнителей шкафов и дверей.

Твёрдость по Шору сравнивают внутри одной шкалы

Эластомеры для деталей обычно лежат в шкале Шор A от 30 до 95 единиц. Термопластичные полиуретаны перекрывают её и уходят в шкалу Шор D: у марок BASF Elastollan диапазон от 60 Shore A до 74 Shore D. Числа разных шкал напрямую не сравнивают; соотношение A и D для одной марки смотрят по графику изготовителя.

Вторая ловушка в том, что одинаковая твёрдость не означает одинаковой жёсткости детали. Кольцо 70 Shore A из NBR и такое же из полиуретана сжимаются под одним усилием по-разному, потому что у полиуретана выше модуль при той же твёрдости и иначе работает его структура. При замене семейства твёрдость пересчитывают по назначению детали, а не переписывают из старого чертежа.

Обещание по эластомеру ограничено паспортом смеси

Изготовитель детали знает паспорт смеси или системы: твёрдость с допуском, прочность и удлинение на образцах, иногда остаточную деформацию по стандартным условиям и набухание в эталонных жидкостях. Ресурс детали в вашем узле из паспорта не следует. Набухание в рабочей жидкости с присадками, нагрев от трения, осадка при вашей температуре и ваших циклах проверяются только испытанием детали или образца в среде.

Поэтому в КП на эластомерную деталь граница проходит так. Сразу фиксируют семейство и марку смеси, твёрдость с допуском, размеры и количество, документы на материал. С пометкой «требует проверки» идут стойкость к конкретной химии, ресурс в часах или циклах и поведение на краю температурного диапазона. Если в узле нет запаса, первую партию ставят пробной и записывают условия работы, чтобы решение о серии опиралось на снятые детали, а не на таблицы.

Термины вокруг эластомеров путают в трёх местах

Чем эластомер отличается от резины?

Эластомер означает любой полимер, который при рабочей температуре многократно растягивается и возвращает форму, а резина обозначает одно семейство эластомеров: вулканизованный каучук с наполнителями. Кроме резины к эластомерам относят литьевой полиуретан и термоэластопласты, включая ТПУ и TPV. Резина лучше остальных держит форму после долгого сжатия в тепле, полиуретан выигрывает в износе, ТЭП в скорости переработки и сварке.

Термоэластопласт можно считать резиной?

Термоэластопласт по ощущению в руке похож на резину, но по устройству относится к другому семейству эластомеров: его упругость держат физические узлы, которые при нагреве расходятся, поэтому ТЭП плавится и перерабатывается как пластик. Отсюда два следствия для детали. Рамку из ТЭП сваривают за секунды, а при долгом сжатии выше +60…+80 °C он садится сильнее вулканизованной резины той же твёрдости.

Какие эластомеры держат масло?

Масло держат эластомеры с полярными группами в цепи: нитрильная резина NBR и её гидрированный вариант HNBR, фторкаучук FKM, акрилатная резина ACM, а также полиуретаны. Резина EPDM, натуральный каучук и силикон общего назначения в минеральном масле сильно набухают. Внутри NBR стойкость растёт с долей акрилонитрила, но вместе с ней падает морозостойкость, поэтому марку подбирают по маслу и минимальной температуре.

Для подбора эластомера нужны четыре сведения об узле

Чтобы технолог выбрал семейство и марку по фактам, ему нужны: среда с марками масел и моющих средств, температура длительная и пиковая, характер работы детали (статика под сжатием, движение, удар, износ) и количество с прогнозом повторов. Внутри нитрильной резины следующий выбор делают по составу каучука, и как доля акрилонитрила сдвигает стойкость и мороз, видно на примере бутадиен-нитрильного каучука. Если деталь работала и сломалась, к этим сведениям добавьте саму деталь или фото разрушения: характер износа часто подсказывает, в каком семействе искать замену, точнее любой таблицы.