Фторкаучук: марки СКФ и FKM и где он не выдерживает

Слово «фторкаучук» объединяет несколько разных полимеров. Общее у них одно: основная часть цепи построена из фторированных звеньев, чаще всего винилиденфторида. Дальше начинаются отличия, и именно они решают, будет ли кольцо работать в вашем узле.

Винилиденфторид даёт стойкость и одновременно слабое место

Почти все массовые фторкаучуки получают совместной полимеризацией винилиденфторида с гексафторпропиленом, иногда с добавкой тетрафторэтилена или перфторметилвинилового эфира. Атомы фтора экранируют углеродную цепь, поэтому масла, топливо, ароматические углеводороды и многие минеральные кислоты действуют на такую резину слабо. Плотность у неё высокая, по справочным данным статьи о фторкаучуках от 1,80 до 1,90 г/см³.

У того же винилиденфторида есть уязвимое звено: соседние атомы водорода и фтора в цепи. Сильное основание отрывает от неё фтористый водород, на цепи появляются двойные связи, резина твердеет, теряет удлинение и трескается. В руководстве по выбору Viton (DuPont Dow Elastomers, 1998) прямо сказано, что фторэластомеры с винилиденфторидом подвержены атаке веществ с высоким pH, включая щёлочи и амины. Отсюда практическое правило: стойкость к маслу и кислоте ничего не говорит о стойкости к щёлочи.

Отечественные марки СКФ-26, СКФ-32 и СКФ-260

В России и странах бывшего СССР фторкаучуки обозначают буквами СКФ и номером. СКФ-26 по составу соответствует сополимеру винилиденфторида с гексафторпропиленом, то есть тому же классу, что и большинство импортных FKM. В СКФ-32 вторым мономером служит трифторхлорэтилен, в СКФ-260 перфторметилвиниловый эфир. Температура стеклования у СКФ-26 и СКФ-32 около −20 °C, у СКФ-260 около −40 °C, поэтому для мороза из этой тройки смотрят именно на СКФ-260.

Требования к самим каучукам СКФ-26 и СКФ-32 задаёт ГОСТ 18376-79. В его области применения сказано, что каучуки предназначены для изделий, работающих в воздухе, окислителях, маслах, бензине и растворителях, за исключением сложных эфиров и кетонов. Для резин на СКФ-26 там указан диапазон от −20 до +250 °C, на СКФ-32 от −20 до +200 °C. Модификации СКФ-26 выпускают по отдельным ТУ, например СКФ-26НМ и СКФ-26ОНМ по ТУ 6-05-1652.

Для заказчика важно другое: ГОСТ описывает каучук, а не готовую резину. Из одного СКФ-26 делают смеси с разной твёрдостью, наполнителем и вулканизующей системой, и у каждой смеси свои свойства. Поэтому в документах на детали обычно стоит номер смеси или марка резины по ТУ изготовителя, а слово «СКФ-26» говорит только о полимерной основе.

Какие марки фторкаучука выпускают в России?

Фторкаучук в России выпускают под обозначением СКФ с номером: СКФ-26 на основе винилиденфторида и гексафторпропилена, СКФ-32 на основе винилиденфторида и трифторхлорэтилена, СКФ-260 с перфторметилвиниловым эфиром для работы на морозе. Каучуки СКФ-26 и СКФ-32 выпускают по ГОСТ 18376-79, модификации СКФ-26 по отдельным ТУ. Свойства детали определяет готовая резиновая смесь, поэтому в заказе нужна ещё и марка смеси.

Типы FKM по составу и буквенные обозначения

Международное сокращение FKM закреплено в ASTM D1418 и ISO 1629. Внутри класса изготовители уплотнений различают пять типов по набору мономеров, а в каталогах колец часто встречаются ещё и буквы A, B, F, GLT, GFLT. Эти буквы пришли из линейки Viton, но ими пользуются и для обозначения сопоставимых материалов других производителей. Таблица собрана по руководству Viton 1998 года и по сводке о типах FKM; значения номинальные.

Типы 4 и 5 по составу ближе к ETP: в них есть пропилен или этилен, и стойкость к основаниям у них выше, зато в углеводородах они набухают сильнее. Такие материалы дороже и встречаются реже; в заявке их называют по марке изготовителя, общего слова FKM для них мало.

Доля фтора меняет набухание, а оно меняет сечение кольца

Чем больше в полимере фтора, тем меньше он набухает в топливе и растворителях и тем выше температура, при которой он дубеет. Хорошо это видно на метаноле. По руководству Viton, за 168 часов при 23 °C объём резины типа A и GLT вырастает примерно на 90 %, типа B на 40 %, а у F, GFLT и ETP всего на 5 %. Для топлив с метанолом и для метанола в химии разница между типами получается решающей.

Пример расчёта для кольца с сечением 3,53 мм. Если объём вырос на 90 %, каждый линейный размер растёт примерно в корень кубический из 1,9, то есть в 1,24 раза. Сечение становится около 4,4 мм, и в канавке, рассчитанной на сжатие 20 %, кольцу уже не хватает места: его выдавливает в зазор, а прочность набухшей резины падает. При росте объёма на 5 % сечение увеличится примерно на 1,6 %, до 3,59 мм, и узел этого почти не заметит.

Из того же расчёта следует, почему FKM типа F нельзя считать лучшим во всём. Его 70 % фтора дают минимальное набухание, но TR-10 у него около −6 °C, и на улице зимой он будет жёстким даже в неподвижном соединении. Тип GLT, наоборот, держит мороз до −30 °C по TR-10, но в метаноле набухает так же, как тип A.

Где фторкаучук не выдерживает

Слабые места фторкаучука известны и описаны изготовителями каучука. Ниже сводка для марок общего назначения по руководству Viton и ГОСТ 18376-79; смесь под конкретный узел фиксируют в КП.

Отдельно о щёлочах. В таблице руководства Viton для 30-процентного раствора KOH при 70 °C в течение 168 часов результат указан только для ETP, рост объёма 14 %. Остальные типы так набухли и разрушились, что испытание довести до конца не удалось. По поведению в NaOH, KOH и на CIP-мойке видно, какая резина держит щёлочи.

Выдерживает ли фторкаучук щёлочи?

Фторкаучук общего назначения щёлочи и амины держит плохо. В типах A, B, F и GLT есть винилиденфторид, от которого основание отрывает фтористый водород, и резина твердеет и трескается. Изготовитель каучука Viton относит щёлочи с высоким pH и амины к средам, где эти типы не рекомендуются. Стойкость к основаниям есть у специальных марок вроде ETP, но их называют в заказе отдельно и подтверждают документом на смесь.

Вулканизация решает, держит ли резина пар

Фторкаучук сшивают тремя способами: диаминами, бисфенолом и пероксидами. Диаминовую систему сейчас применяют редко, в основном там, где нужна хорошая связь резины с металлом. Бисфеноловая вулканизация самая распространённая: она даёт малую остаточную деформацию сжатия, и кольца из такой резины дольше держат натяг в горячем масле.

Для воды, пара и кислот выгоднее пероксидная сшивка. В руководстве Viton стойкость к пару, воде и кислотам у пероксидных резин оценена как отличная, у бисфеноловых как хорошая; к остальным средам разницы почти нет. Поэтому две детали «из FKM 75» одного размера могут прожить на паровом клапане совершенно разный срок. После формования обе группы резин прогревают в печи, и о том, зачем это нужно и как записать режим в заказе, есть отдельный материал про постотверждение.

Морозостойкость читают по TR-10

TR-10 показывает температуру, при которой растянутый и замороженный образец восстанавливает 10 % деформации. Это лабораторная точка, и неподвижное кольцо часто уплотняет немного ниже неё, а подвижное, наоборот, теряет герметичность раньше. Для FKM общего назначения справочники колец дают нижнюю границу около −26 °C для статики, например сводка по материалу FKM указывает −26…+205 °C.

Если узел стоит на улице и должен уплотнять при пуске на морозе, ориентир «−20 °C» из рекламы колец мало что даёт. Нужны минимальная температура при пуске, характер движения и давление в момент пуска. Если при этом в узле топливо или масло, рядом с GLT и GFLT стоит рассмотреть фторсиликон FVMQ, который сочетает топливостойкость с работой на сильном морозе.

При какой температуре фторкаучук теряет эластичность?

Фторкаучук общего назначения типа A теряет эластичность около −17 °C по испытанию TR-10, тип F с 70 % фтора около −6 °C. Морозостойкие типы GLT и GFLT сохраняют её до −30 и −24 °C соответственно. Неподвижные кольца из обычного FKM справочники допускают примерно до −26 °C, подвижные уплотнения дубеют раньше. Для уличной техники минимальную температуру указывают в заказе отдельно от рабочей.

Масса детали увеличивает разницу в цене с NBR

Фторкаучук как сырьё в несколько раз дороже NBR, и к этому добавляется плотность. Пример: прокладка одного объёма из FKM с плотностью 1,85 г/см³ весит примерно в 1,5 раза больше, чем из NBR с плотностью около 1,25 г/см³. Цену материала считают за килограмм, поэтому разница на детали получается больше, чем разница в цене за килограмм.

На кольцах малого сечения это почти не видно: материала там граммы, и цену определяют формование и пресс-форма. На крупной прокладке из листа или на толстой мембране масса уже сотни граммов, и выбор между FKM и HNBR или NBR влияет на счёт заметно. Когда температура и среда не требуют фторкаучука, логику выбора по горячему маслу и топливу удобно сверить со статьёй про витоновые прокладки.

Что проверяют до обещания стойкости

По фторкаучуку ошибаются чаще всего не в температуре, а в составе среды. Рабочая жидкость может содержать амин в пакете присадок, щелочной моющий раствор раз в смену, метанол в топливе или кетон в растворителе для промывки. По этой причине стойкость конкретной смеси по одной только таблице не обещают: таблица даёт ориентир для марок общего назначения, а ресурс в вашей среде подтверждает испытание.

Короткая проверка выглядит так. Образец смеси или готовое кольцо выдерживают в рабочей жидкости при рабочей температуре, затем сравнивают с эталоном массу, объём, твёрдость по Шору A и внешний вид. Рост объёма в пределах нескольких процентов и сохранённая твёрдость говорят о том, что смесь подходит. Твердение, трещины после изгиба или липкость поверхности означают, что тип фторкаучука выбран неверно, и вопрос переходит к ETP, FFKM или фторопласту. Подобрать материал по составу среды можно и до заказа через подбор материала уплотнения.

Запись фторкаучука в чертеже и заявке

Запись «резина FKM» оставляет изготовителю слишком много свободы. Ниже три уровня записи, от слабой к полной.

Всё, что изготовитель подставил сам, в КП должно стоять отдельной строкой как предложение, например «предлагаем FKM тип A бисфеноловой вулканизации, 75 Shore A». Тогда при смене поставщика или повторном заказе вы знаете, что именно утверждали. Для колец, которые идут в комплект узла, такую запись удобно повторить в карточке изделия; ошибки при заказе именно колец из FKM собраны отдельно.

Для расчёта детали из фторкаучука нужны чертёж или образец, количество, среда со всеми жидкостями, которые касаются резины, рабочая и минимальная температура, давление и характер движения. Если среда содержит щёлочь, амин, кетон или пар, напишите это отдельной строкой: по этой строке решается, нужен ли обычный FKM, специальный тип или другой материал. Кольца, прокладки и манжеты из фторкаучука делаются формованием или резкой из листа; виды изделий и сроки зависят от материала FKM / Viton.