Температура плавления полиуретана: литьевой, ТПУ и предел для деталей

Слово «плавление» к полиуретановой детали применимо только наполовину. Для отливки число плавления не существует вовсе, у гранул ТПУ оно есть, но лежит в полутора сотнях градусов выше рабочей зоны. Покупателю ролика или манжеты нужнее граница, за которой деталь теряет твёрдость под нагрузкой, и ответ на вопрос, чем ТПУ отличается от литого при нагреве: термопластичная деталь мягчеет плавнее и раньше теряет форму, литая дольше держит геометрию, а затем темнеет и рассыпается.

Литьевой полиуретан при нагреве разлагается, а не течёт

Сетка литьевого полиуретана держится на химических связях между цепями. Слабое место в ней уретановая связь и родственные ей аллофанатные узлы. По справочным данным химии полиуретанов, первыми при нагреве распадаются аллофанатные узлы, ориентировочно со 100–120 °C, уретановые примерно со 150–200 °C, а изоциануратные держатся почти до 270 °C. Это температуры начала распада в лаборатории, а не рабочие пределы.

На детали распад выглядит так: поверхность темнеет до коричневого, становится липкой, по кромке появляются пузыри, а при длительном перегреве слой осыпается. Жидкой капли нет никогда. Поэтому вопрос «при скольких градусах плавится литьевой полиуретан» на практике заменяют другим: при какой температуре деталь ещё сохраняет твёрдость и прочность из паспорта.

Термопластичный полиуретан плавится в узком окне

У ТПУ узлы сетки физические: жёсткие участки цепей собраны в домены, которые расходятся при нагреве. Поэтому у него есть температура переработки, и она растёт с твёрдостью. В рекомендациях BASF по переработке Elastollan расплав для литья под давлением задан так: 190–205 °C для марок 60–80 Shore A, 205–220 °C для 85–95 Shore A, 215–235 °C для марок от 98 Shore A до 74 Shore D. Для экструзии по зонам цилиндра диапазон шире, от 140 до 240 °C. Там же сказано, что разложение может начинаться примерно с 230 °C.

Окно между расплавом жёстких марок и разложением в 5–20 градусов объясняет, почему ТПУ сушат перед литьём и не держат расплав в цилиндре машины лишнее время. Для заказчика вывод другой: термопластичная деталь начинает терять форму задолго до температуры переработки. Мягкие марки ТПУ под нагрузкой оплывают уже при +100…+120 °C.

Значения в таблице ориентировочные и взяты для распространённых марок; точный предел у конкретной системы стоит в её паспорте и переносится в КП.

На схеме те же диапазоны полосами: длительная работа литых и термопластичных марок от −40 до +80…+100 °C, распад узлов сетки литого материала от 120 °C у аллофанатных до 270 °C у изоциануратных, переработка ТПУ литьём и экструзией в пределах 140–240 °C. Разрыв между первой полосой и остальными показывает, почему температуру плавления для расчёта детали не используют.

Рабочий предел детали задают нагрузка и часы на нагреве

Каталоги уплотнений дают для полиуретана общего назначения диапазон от −40 до +80 °C, например таблица материалов Global O-Ring. Эту цифру берут для детали, которая работает под нагрузкой непрерывно. Короткий нагрев выше, на десятки минут в смену, литая деталь обычно переносит без следа, но каждый такой эпизод съедает часть запаса по прочности.

Температура меняет полиуретан раньше, чем появляются видимые следы. Пример: колесо 95 Shore A, которое на холодном складе держит паспортную нагрузку, в цехе с воздухом +45 °C и после часа качения прогревается внутри шинки сильнее воздуха. Твёрдость падает на несколько единиц, сопротивление раздиру тоже, и кромка начинает рваться. Для деталей, которые катятся или сжимаются с частотой, расчёт ведут по температуре внутри слоя, а не по воздуху у машины.

Горячая вода снижает предел сильнее сухого жара

В сухом воздухе полиуретан теряет свойства медленно. В горячей воде, паре и влажном воздухе к нагреву добавляется гидролиз, и предел опускается. Тот же каталог Global O-Ring допускает простоэфирный полиуретан в воде только до +50 °C, а сложноэфирный в горячей воде и паре не рекомендует совсем. Вода рвёт сложноэфирные связи, и гидролиз полиуретана при +60 °C идёт в разы быстрее, чем при +20 °C.

Для температурного расчёта из этого следует простое правило: в заявке указывают температуру и среду вместе. «+70 °C» для манжеты в минеральном масле и «+70 °C» для скребка в горячей промывочной воде дают разные решения: в первом случае полиуретан подходит, во втором его ставят только после пробы или заменяют EPDM.

При какой температуре плавится полиуретан?

Литьевой полиуретан не плавится: при нагреве примерно со 120–150 °C его химические связи распадаются, и материал разлагается без перехода в жидкость. Термопластичный полиуретан (ТПУ) перерабатывают в расплаве при 190–235 °C, а разложение у части марок начинается около 230 °C. Для детали в узле обе цифры не рабочие: длительно полиуретан общего назначения работает примерно до +80 °C.

Какую максимальную температуру выдерживает полиуретановая деталь?

Полиуретановый ролик, манжета или скребок длительно держат около +80 °C, если вокруг сухой воздух или минеральное масло. Подъём до +100…+120 °C допустим эпизодами, без удара и полной нагрузки. В воде граница ниже, у простоэфирных марок около +50 °C. Системы для горячих узлов существуют, но их предел берут только из паспорта выбранной марки.

Технология изготовления тоже упирается в температуру

Литьё полиуретана идёт при нагреве: форполимер греют, форму подогревают, отливку дотверждают в печи. В испытаниях SABIC отливки MDI-BDO отверждали в форме под давлением при 80 °C, а систему TDI с отвердителем MOCA при 120 °C (описание испытаний); это режимы конкретного опыта, у другой системы они свои. Значит, отлитая деталь уже прошла через нагрев выше своей рабочей температуры, но без нагрузки и в течение заданного режима.

Отсюда практическое следствие для мехобработки. При точении и шлифовке полиуретан греется в зоне резания, и на тупом инструменте кромка может подгореть. Изготовитель держит режимы с охлаждением, а заказчику достаточно знать, что потемневшая поверхность после шлифовки говорит о перегреве при обработке, а не о плохом материале. Режимы заливки и дотверждения задаёт паспорт системы, по нему и работает участок литья полиуретана.

Сценарии нагрева подсказывают решение до расчёта

Классификация Сивиза для заявок, где температура у полиуретана выходит за обычные +80 °C:

• если нагрев короткий, до +100 °C, в сухом воздухе и деталь не несёт удара, литой полиуретан оставляют и фиксируют в КП длительность нагрева;
• если деталь постоянно катится или сжимается при воздухе выше +50 °C, сначала оценивают нагрев внутри слоя, а твёрдость и толщину подбирают так, чтобы слой меньше грелся;
• если рядом горячая вода выше +50 °C или пар, полиуретан уходит в жёлтую зону и требует пробы;
• если деталь проходит через печь +150 °C и выше, полиуретан не предлагают, а ищут силикон, фторопласт или металл;
• если в заявке «ТПУ» и деталь сварная, предел шва считают ниже предела основного материала.

В заявке указывают не одну температуру, а три

Чтобы расчёт пришёл с первого раза, для полиуретановой детали описывают нагрев так:

• длительная температура у детали в рабочем режиме;
• пиковая температура и сколько минут или часов она держится;
• среда при этом нагреве: воздух, масло, вода, пар, моющий раствор;
• нагрузка: статика, качение, удар, частота циклов;
• откуда берётся тепло: среда, трение, соседний горячий узел;
• как мерили: термометр в среде, пирометр по детали, оценка по паспорту машины.

Нет замера, значит, в заявке так и отмечают: «температура по оценке». В КП изготовитель тогда пишет, что предел принят по словам заказчика, и предлагает марку с запасом. Сравнить запас полиуретана с резинами и пластиками помогает таблица рабочих температур материалов.

Перегретую деталь отличают от изношенной по трём признакам

Если полиуретановая деталь вышла из строя и есть подозрение на температуру, смотрят на цвет, твёрдость и характер разрушения. Перегретый литой полиуретан темнеет равномерно по горячей стороне, становится мягче паспорта или, наоборот, хрупким, а трещины идут от центра сечения, где тепло копится сильнее. Изношенная деталь сохраняет цвет и твёрдость, но теряет размер по рабочей поверхности.

Гидролиз даёт третью картину: липкость, мягкость и крошение по всей поверхности, которая была в воде. Перед заменой марки снятую деталь сохраняют, замеряют твёрдость рядом с повреждением и на целом участке и записывают температуру узла. С этими данными новая марка выбирается по причине отказа, а не по самой высокой цифре в каталоге.

Горячий узел начинают с пробной детали

Ни один паспорт полиуретана не обещает ресурс при +90 или +100 °C в конкретной машине. Поэтому для узла на границе предела разумный порядок такой: одна-две пробные детали из выбранной системы, работа до плановой остановки, замер твёрдости и размеров на снятой детали. Если твёрдость упала больше чем на пять единиц, предел для этой марки в этом узле считают пройденным.

Литые детали из полиуретана по чертежу или по снятому образцу делают от одной штуки. Для расчёта пришлите чертёж или образец, описание нагрева по трём строкам и среду, а марку изготовитель предложит отдельной строкой КП, если она не задана в чертеже.