Температура стеклования резины и морозостойкость уплотнения

У резины при охлаждении нет резкой границы, как у льда при плавлении. Сначала она становится чуть жёстче, затем жёсткость растёт быстрее, и в узком интервале около температуры стеклования резина теряет упругость почти полностью. Именно этот интервал, а не одна цифра, решает судьбу уплотнения на морозе.

Стеклование превращает резину в жёсткий пластик

Резина упругая, потому что её цепи свёрнуты в клубки и при растяжении распрямляются за счёт теплового движения. При охлаждении движение замедляется. Ниже температуры стеклования сегменты цепей почти неподвижны: модуль упругости растёт от единиц мегапаскалей до тысяч, удлинение при разрыве падает до единиц процентов.

Для детали это значит, что кольцо или манжета перестают следовать за поверхностью. Пока узел неподвижен, такое кольцо иногда держит за счёт остаточного поджатия, но первый же сдвиг штока, удар или вибрация дают течь или трещину. Резина при этом не разрушается химически: после отогрева она возвращается в прежнее состояние, если её не повредили механически.

Каучук задаёт точку стеклования, смесь сдвигает её

Основную часть цифры определяет каучук: насколько гибка его цепь и есть ли в ней полярные группы. Силиконовая цепь с кислородом очень гибкая, поэтому силикон стеклуется около −120 °C. Нитрильные звенья в NBR делают цепь жёстче, и чем их больше, тем выше точка стеклования.

Табличные значения относятся к каучуку, а не к готовой смеси, и даны как ориентир для марок общего назначения. Отечественный фторкаучук СКФ-26/3-8 с фтором 66 % назван в таблице по данным изготовителя, у других марок FKM цифра лежит рядом, от −25 до −15 °C.

Пластификатор опускает стеклование смеси на 5–15 градусов, это ориентир для марок общего назначения. Поэтому две нитрильные резины на одном каучуке могут различаться по морозу на десяток градусов, а вымывание пластификатора в масле или топливе со временем возвращает границу вверх.

Какая температура стеклования у резины?

Температура стеклования резины определяется гибкостью цепи каучука и лежит от −120 °C у силикона до −15 °C у нитрильной смеси с высокой долей акрилонитрила; пластификатор опускает её ещё на 5–15 градусов. Ниже этой точки модуль резины растёт в сотни раз. Цифру читают вместе с методом: калориметрия даёт значение на 10–20 градусов ниже, чем пик механических потерь.

Цифры стеклования зависят от метода измерения

Стеклование измеряют несколькими методами, и они дают разные числа для одной смеси. Дифференциальная сканирующая калориметрия ловит скачок теплоёмкости и даёт самое низкое значение. Динамический механический анализ показывает пик потерь, и эта цифра обычно на 10–20 градусов выше, особенно если частота нагружения высокая.

Отсюда практическое правило чтения паспорта: значение Tg без метода и частоты сравнивать с другим паспортом нельзя. Если в одном документе для NBR стоит −38 °C по калориметрии, а в другом −25 °C по пику механических потерь, это может быть одна и та же резина. Для подбора уплотнения надёжнее смотреть на испытания самой смеси: температуру хрупкости по ГОСТ 7912-74 или восстановление после сжатия на холоде.

Быстрая нагрузка сдвигает стеклование вверх

Резина на холоде ведёт себя по-разному в зависимости от скорости деформации. Медленное сжатие неподвижного кольца она ещё успевает отработать, а быстрый удар или вибрацию с высокой частотой уже нет. Для динамической нагрузки резина фактически стеклуется при более высокой температуре, чем показывает калориметр.

Поэтому для подвижных узлов, ударной нагрузки и вибрации запас от стеклования берут больше, чем для неподвижной прокладки. Пример: манжета штока экскаватора, который зимой начинает работать сразу после запуска, нагружается быстро и при самой низкой температуре суток. Ей нужен заметно больший запас, чем кольцу крышки в том же климате.

Холод уменьшает поджатие кольца ещё до стеклования

Помимо жёсткости, на морозе резина сжимается сильнее металла. Пример с ориентиром: коэффициент линейного расширения резины около 2·10⁻⁴ 1/K, у стали около 1,2·10⁻⁵ 1/K, то есть резина сжимается примерно в 15 раз сильнее. Кольцо сечением 5,33 мм при охлаждении с +20 до −40 °C, на 60 градусов, теряет 5,33 × 2·10⁻⁴ × 60 ≈ 0,064 мм сечения.

При монтажном поджатии 1,07 мм, это 20 %, к −40 °C остаётся около 1,0 мм. Если в той же точке резина подходит к стеклованию и уже не восстанавливает форму, а канавку при сборке сделали по нижнему допуску, остаётся ещё меньше. Это один из механизмов, почему неподвижное соединение течёт только в первые минуты после холодного пуска и перестаёт, когда узел прогреется.

Почему уплотнение течёт на морозе раньше температуры стеклования?

Уплотнение течёт на морозе раньше температуры стеклования по двум причинам. Резина дубеет постепенно, и за 10–20 градусов до стеклования её модуль уже вырос в разы, поэтому кольцо медленно следует за зазором. Одновременно резина сжимается примерно в 15 раз сильнее стали, и кольцо 5,33 мм при охлаждении на 60 градусов теряет около 0,06 мм поджатия.

Запас от стеклования выбирают по типу уплотнения

Классификация Сивиза для первичного подбора по морозу делит узлы на три группы. Цифры условные, они нужны для выбора каучука до испытаний, а не вместо них.

Таблица показывает, почему фторкаучук со стеклованием около −20 °C почти не годится для подвижного узла на −40 °C, хотя в паспорте у отдельных марок встречается «работает до −30 °C». Для остальных признаков мороза, от TR10 до коэффициента морозостойкости, есть отдельный подбор морозостойкой резины.

Температуру у резины записывают отдельно от климата

Главная ошибка заявки на морозостойкое уплотнение в том, что указывают климат региона, а не температуру на самой резине. Деталь внутри обогреваемого корпуса не видит −45 °C, а уплотнение на открытой арматуре видит их со скоростью ветра. Это данные заказчика: минимальная температура у детали при пуске, сколько времени узел стоит на холоде, движется ли деталь сразу после запуска, давление на холоде.

Материал и запас от стеклования выбирает изготовитель и пишет это в КП как допущение: «силикон 60 Shore A предложен для неподвижного кольца при −50 °C у детали со слов заказчика; работа при движении на этой температуре не проверялась». Если узел динамический, такое допущение сразу видно и обсуждается до серии.

Для подбора под мороз нужны три цифры и характер движения

Для морозостойкого уплотнения пришлите чертёж или образец и укажите минимальную температуру у резины, время на холоде до пуска и что происходит в первые минуты: стоит деталь, сдвигается или работает под ударом. Подобрать каучук с нужным запасом помогает подбор материала, а готовые решения для низких температур смотрите среди уплотнительных колец из силикона, EPDM и морозостойкой NBR.