Газопроницаемость резины: какие каучуки держат газ и вакуум

Газ проходит через сплошную резину без всяких щелей: молекулы растворяются в ней со стороны давления, диффундируют сквозь толщу и выходят с другой стороны. Скорость этого процесса описывают коэффициентом проницаемости, произведением растворимости газа в резине на коэффициент диффузии. Он зависит от гибкости цепей каучука, плотности упаковки, наполнителей, газа и температуры, и справочник Parker прямо отмечает, что предсказать его по составу трудно.

Проницаемость измеряют потоком через единичный слой

В справочнике Parker O-Ring Handbook (ORD 5700, таблица 3-24, PDF) проницаемость дана в стандартных кубических сантиметрах газа, прошедших за секунду через слой толщиной 1 см и площадью 1 см² при перепаде давления 1 бар, с множителем 10⁻⁸. Данные собраны из отчёта NASA 1968 года, публикаций Rockwell, бюллетеня Dow Corning и испытаний самого Parker; часть смесей уже не выпускают, и цифры служат ориентиром для марок общего назначения.

Две особенности таблицы важны для чтения. Для одного каучука и газа значения разных источников расходятся в разы: например, азот через нитрильную резину при 25 °C от 0,177 до 1,89. Это следствие разных смесей и содержания акрилонитрила. И проницаемость указана для конкретной температуры, а с её ростом меняется сильно и без простой зависимости.

Азот через каучуки отличается в сотни раз

Для воздуха картина та же: бутил 0,2, полиуретан 0,5, натуральный каучук 6,7, силикон 18–25,6, фторсиликон 48,4 в тех же единицах при комнатной температуре. Бутил и фторкаучук держат газ лучше всех массовых резин, нитрил близко к ним при высоком содержании акрилонитрила, натуральный и бутадиеновые каучуки в десятки раз хуже, силиконы в сотни раз.

Какая резина наименее газопроницаемая?

Наименее газопроницаемые резины из массовых — бутилкаучук IIR и фторкаучук FKM: по таблице Parker азот проходит через них около 0,23–0,24·10⁻⁸ ст. см³·см/(см²·с·бар) при 25–30 °C. Нитрильная резина с высоким содержанием акрилонитрила близка к ним, натуральный каучук пропускает азот примерно в 25–40 раз сильнее, силикон в сотни раз. Выбор между бутилом и FKM решают масло и температура: бутил не держит масло, FKM держит.

Гелий и водород проходят через любую резину легче

Лёгкие газы с маленькими молекулами диффундируют быстрее. По испытаниям Parker при 25 °C гелий проходит через бутил 6,5, через нитрил 8,0, через фторкаучук 12,7, через EPDM 19,7, через силикон 238 единиц ×10⁻⁸. Для бутила это в 27 раз больше, чем азот. Водород ведёт себя похоже: через нитрил при 38 °C от 10,3 до 32,1, через силикон при 39 °C около 1 010.

На схеме значения для гелия при 25 °C из испытаний Parker: полиуретан 3,6, бутил 6,5, хлоропрен 6,5, нитрил 8,0, фторкаучук 12,7, полиакрилат 16,3, EPDM 19,7, фторсиликон 143, силикон 238. Для водородных и гелиевых систем эта разница переводится в разницу утечки сквозь кольцо при той же геометрии.

Нагрев увеличивает проницаемость в десятки раз

Те же испытания Parker при 80 и 150 °C показывают, насколько быстро растёт поток гелия. Бутил: 6,5 при 25 °C, 52 при 80 °C, 240 при 150 °C, рост в 37 раз. Фторкаучук: 12,7, 131 и 490, рост в 39 раз. Нитрил: 8,0, 65,9 и 252. Силикон: 238, 560 и 1 250, всего в 5 раз, но с высокой стартовой точки.

Практический вывод: сравнивать резины по проницаемости нужно при рабочей температуре узла. Фторкаучук пропускает гелий примерно вдвое сильнее бутила и при 25 °C, и при +150 °C, а силикон по-прежнему хуже обоих. Для азота у бутила рост от 0,244 при 25 °C до 1,25 при 50 °C, то есть в пять раз уже на первых 25 градусах.

Утечку газа через кольцо оценивают по формуле

Parker даёт приближённую формулу утечки сквозь кольцо: L = 0,7·F·D·P·Q·(1 − S)², где L утечка в ст. см³/с, F проницаемость при рабочей температуре, D внутренний диаметр кольца в дюймах, P перепад давления в psi, Q коэффициент сжатия и смазки по графику справочника, S сжатие сечения в долях. Формула даёт порядок величины, а для гелия справочник советует закладывать разброс ±50 %.

Пример: кольцо с внутренним диаметром 100 мм (3,94 дюйма) держит азот при перепаде 10 бар (145 psi), сжатие 20 %, Q условно 1. Множитель 0,7 × 3,94 × 145 × 1 × 0,64 ≈ 256. Для FKM с F = 0,233·10⁻⁸ утечка около 6·10⁻⁷ ст. см³/с, за год около 19 см³. Для NBR с F условно 1·10⁻⁸ около 80 см³ в год. Для силикона с F около 150·10⁻⁸ около 12 литров в год при нормальных условиях.

На второй схеме те же годовые объёмы для одного кольца: FKM около 19 см³, бутил около 20, NBR около 81, натуральный каучук около 650 см³, силикон около 12 100 см³. Для баллона пневмоаккумулятора или газовой пружины даже 80 см³ в год заметны, если объём газа мал; для трубопровода с постоянной подпиткой это ничтожно.

Как оценить утечку газа через резиновое кольцо?

Утечку газа сквозь резиновое кольцо оценивают по формуле Parker L = 0,7·F·D·P·Q·(1 − S)², где F проницаемость резины при рабочей температуре, D внутренний диаметр кольца в дюймах, P перепад давления в psi, Q поправка на сжатие и смазку, S сжатие сечения в долях. Для кольца 100 мм при 10 бар азота и сжатии 20 % это около 19 см³ в год у FKM и около 12 литров у силикона. Формула даёт только порядок величины.

Выбор каучука под газ решают среда и температура

Бутил первый по газонепроницаемости при умеренной температуре, но набухает в маслах и топливах и не любит нагрев выше примерно +120 °C (ориентир для марок общего назначения); подробности о нём собраны в описании бутилкаучука IIR. Фторкаучук близок по азоту, держит масло и нагрев, дороже. Нитрил хорош там, где есть масло и умеренная температура, и чем выше в нём акрилонитрил, тем ниже проницаемость. Силикон для удержания газа берут последним.

Для вакуума работает та же физика, но добавляются газовыделение резины и прогрев камеры; как выбирать кольцо под уровень вакуума, разобрано на примерах вакуумной резины. Если газ под высоким давлением сбрасывают быстро, растворённый в резине газ может разорвать её изнутри, и тогда проницаемость становится причиной взрывной декомпрессии.

Данные о газе отделяем от наших допущений

Цифра утечки получится только при известных газе, давлении, температуре и геометрии. Чего не хватает, мы допускаем и пишем в КП отдельно.

Детали для газового оборудования мы принимаем только после отдельной технической оценки; если характеристики материала для вашего газа подтвердить нельзя, от заказа отказываемся.

Что указать в заявке на газонепроницаемую деталь

Пришлите чертёж или размеры уплотнительного кольца, прокладки или мембраны, газ, перепад давления, рабочую и пиковую температуру, есть ли масло или топливо и какую потерю газа узел допускает за год или между обслуживаниями. По этим данным резину под газ, масло и температуру подбирают через подбор материала, а расчёт утечки по таблице проницаемости показывает, хватит ли выбранного каучука или нужен другой.

Нормы приведены по состоянию на октябрь 2026 года. Данные о материалах — ориентир для марок общего назначения; материал, размеры и допуски для вашего узла фиксируются в КП после технической оценки.