Теплопроводность резины: значения для каучуков и нагрев уплотнения

Резина проводит тепло плохо, и это видно в цеху без приборов. Прокладка на горячем фланце снаружи тёплая, а у среды горячая. Толстый резиновый буфер после смены работы тёплый внутри, хотя корпус машины уже остыл. Обкладка вала нагревается от трения и прижима быстрее, чем остывает через металл. Все эти случаи описывает одно число, коэффициент теплопроводности, и для резин оно лежит в узкой полосе десятых долей Вт/(м·К).

Каучук задаёт порядок значения, наполнитель сдвигает его

Справочные значения теплопроводности резин при 25 °C приводит журнал Electronics Cooling. Автор обзора оговаривает, что цифры служат ориентиром: проводимость сильно зависит от состава и плотности конкретной смеси.

EPDM в обзоре не приведён; наполненные сажей смеси EPDM общего назначения обычно лежат в той же полосе 0,2–0,3 Вт/(м·К), это ориентир, а точное значение даёт паспорт смеси. Последняя строка таблицы относится к специальным силиконам для отвода тепла от электроники, автор не смог подтвердить верхнюю цифру по паспортам.

Резина в узле изолирует сильнее, чем кажется по числу

Разница с металлом видна при сравнении. Углеродистая сталь проводит тепло примерно в 150–500 раз лучше резины, алюминий ещё в несколько раз лучше стали. Поэтому резиновая прокладка толщиной 3 мм между двумя стальными фланцами создаёт такое же тепловое сопротивление, как стальная пластина толщиной около 0,7 м.

Для уплотнения это означает, что температура детали определяется её окружением. Сторона, обращённая к горячей среде, почти сразу принимает её температуру, наружная кромка остаётся холоднее на десятки градусов. Предел материала сравнивают с температурой стороны у среды, а не с показанием термометра на корпусе. У каждого каучука свой предел, и термостойкая резина выбирается по нему, а теплопроводность добавляет к ним одно условие: резина не выравнивает температуру, она держит перепад.

Схема повторяет значения из таблицы: бутилкаучук 0,09 Вт/(м·К), силикон 0,14, натуральный каучук 0,15, хлоропрен 0,19, NBR 0,24, полиуретан 0,29, силикон со стекловолокном 0,35. Все цифры относятся к комнатной температуре.

Толстая деталь прогревается за десятки минут

Скорость прогрева резины определяет температуропроводность: теплопроводность, делённая на плотность и теплоёмкость. Для резины общего назначения ориентир такой: теплопроводность 0,2 Вт/(м·К), плотность около 1 200 кг/м³, теплоёмкость около 1,7 кДж/(кг·К). Температуропроводность получается около 1·10⁻⁷ м²/с, в сотню раз меньше, чем у стали.

Пример грубой оценки: время прогрева слоя растёт как квадрат толщины, делённый на температуропроводность. Слой 10 мм при нагреве с одной стороны выходит на температуру за 0,01² / 1·10⁻⁷ = 1 000 с, около 17 минут. Слой 20 мм прогревается уже около часа, слой 40 мм около четырёх часов. Для точной оценки берут плотность резины конкретной смеси: у FKM она в полтора раза выше, чем у EPDM.

Из этой оценки следуют три правила для цеха. Температуру толстой детали мерят не сразу после пуска, а после выхода узла на режим. Горячую деталь перед замером твёрдости или размеров выдерживают дольше, чем тонкую. Толстую прокладку после остановки узла не трогают руками сразу: внутри она горячее поверхности.

Какая теплопроводность у резины?

Теплопроводность резины зависит от каучука и наполнителя и лежит в пределах примерно 0,1–0,3 Вт/(м·К) при комнатной температуре. Ориентиры для марок общего назначения: бутилкаучук около 0,09, силикон 0,14, натуральный каучук 0,15, хлоропрен 0,19, нитрильный каучук 0,24, фторкаучук 0,19–0,30 Вт/(м·К). Пористая резина проводит тепло в несколько раз хуже монолитной.

Почему резиновый буфер нагревается изнутри?

Резиновый буфер нагревается изнутри, потому что при каждом сжатии часть энергии деформации переходит в тепло внутреннего трения, а резина плохо отводит это тепло наружу. Поверхность отдаёт тепло воздуху и металлу, а центр толстого сечения копит его. При частых циклах температура в середине буфера может заметно превышать температуру поверхности, и разрушение начинается изнутри.

Потери при сжатии греют толстую деталь изнутри

Резина при циклической деформации отдаёт обратно не всю энергию сжатия. Остаток превращается в тепло, и чем мягче и толще деталь, тем больше тепла и тем хуже оно уходит. В виброопорах, буферах, обкладках валов под прижимом и в шинках колёс это главный источник нагрева.

Расчёт тепловыделения требует данных о смеси, но направление решения ясно и без него. Толщину слоя уменьшают, если это допускает механика. Выбирают смесь с меньшими потерями, у которой выше эластичность по отскоку. Частоту и амплитуду циклов сравнивают с паспортными данными, если они есть. Для обкладки валов под прижимом нагрев изнутри учитывают при выборе толщины и твёрдости, это отдельная строка расчёта при обрезинивании валов.

Тонкая прокладка не держит тепло, толстая держит

Для плоской прокладки теплопроводность почти не важна: при толщине 1–3 мм перепад через неё невелик, и деталь быстро принимает температуру фланцев. Узел ограничивает рабочая температура каучука, а не его проводимость.

Иначе с толстыми деталями: блоки, опоры, уплотнения люков толщиной 15–30 мм, футеровка. Они долго выходят на режим, неравномерно расширяются и неравномерно стареют. Сторона у горячей среды твердеет и трескается, обратная сторона остаётся эластичной. Если на снятой толстой детали трещины только с одной стороны, причина почти всегда в перепаде температуры, а не в плохой смеси. Твёрдость с двух сторон снятой детали помогает отличить перегрев уплотнения от износа и химии.

Светофор оценивает, нужен ли тепловой расчёт резиновой детали

Классификация Сивиза по тепловому режиму резиновых деталей:

• зелёный: плоские прокладки до 5 мм, кольца в неподвижных соединениях, температура среды заметно ниже предела каучука. Теплопроводность в заявке не нужна;
• жёлтый: толстые прокладки и опоры от 10 мм, обкладки валов, буферы с частыми ударами, уплотнения рядом с горячими корпусами. Нужна оценка нагрева изнутри или перепада, а основание выбора толщины фиксируют в КП;
• красный: нагреваемые валы и плиты, где резина должна передавать тепло; детали, у которых температура среды близка к пределу каучука и толщина большая. Без паспорта на теплопроводящую смесь и пробы изготовитель ресурс не обещает.

Теплопроводящую резину заказывают по паспорту смеси

Если резина в узле должна передавать тепло, обычную смесь не берут. Пример: обкладка нагреваемого вала ламинатора, где на поверхности нужна заданная температура. При толщине слоя 10 мм и проводимости 0,2 Вт/(м·К) для потока 1 000 Вт/м² нужен перепад около 50 °C между металлом и поверхностью. Смесь с проводимостью 0,6 Вт/(м·К) даёт тот же поток при перепаде около 17 °C.

Теплопроводящие силиконы с минеральными наполнителями существуют, но марка, проводимость и способ замера должны стоять в паспорте. Внешне такая резина от обычной не отличается, проверить её на месте нельзя, поэтому в заказе указывают требуемое число и документ, который его подтверждает.

Что указать в заявке, если важен нагрев детали

Для резиновой детали, где тепловой режим влияет на выбор, к обычному описанию добавляют:

• температуру среды с горячей стороны и воздуха с холодной;
• толщину детали и способ крепления: к металлу, свободно, в канавке;
• характер нагрузки: статика, частые циклы сжатия, качение, трение;
• нужна ли теплоизоляция или, наоборот, передача тепла;
• требуемую теплопроводность, если она задана чертежом, и документ на неё.

Резиновые детали на заказ режут из листа или формуют по чертежу и образцу. Если смесь не задана, изготовитель предложит каучук по температуре и среде и отдельно отметит в КП, что тепловой режим принят по описанию узла.