В этой статье дается небольшой обзор принципов резиновой технологии и разница между уплотнителями из вулканизированных каучуков (таких как натуральный каучук, SBR и EPDM) и термопластичным эластомером TPE. Данный анализ актуален для уплотнителей, используемых при производстве окон и дверей в разрезе физико-механических свойств, в тоже время, характеристики сравниваемых материалов вы можете оценить в сравнительной таблице.
Отметим что. невозможно объяснить всё в деталях и сделать полное сравнение, так как по данной теме существуют целые библиотеки, полные книг по резине и технологиям. Здесь даны только основные принципы, чтобы определить тип материала и распознать разницу в качестве.
Пример: Немногие знают подробности о тонкостях автомобильной технологии, но большинство людей отличат новый автомобиль от подержанного, и, основываясь на репутации, отличат надежные бренды от более ненадежных. Но все же, личный вкус и предпочтения очень важны при выборе бренда, когда каждая марка автомобилей может заявить, что у них лучшая технология, лучший дизайн и т. д.
Можно сказать, что справедливо почти для всех продуктов: качество имеет свою цену, однако это не означает, что только самые дорогие продукты высшего качества!
Принципы полимерных технологий
Пластмассы и резина состоят из длинных цепочек из сотен тысяч маленьких атомов, которые связаны друг с другом. Однако разница в характеристиках определяется мономерами (как одна бусинка или звено цепи, которую все знают). Если вы берете другие звенья, чтобы сделать цепь, вы получите другую прочность, толщину, гибкость и т. д. Теперь, когда у вас есть цепочка, у вас все еще нет продукта, который вы можете использовать самостоятельно.
Большинство полимеров построены из углеводородных мономеров:
- Пример пластмассы: полиэтилен из этилена, полипропилен из пропилена.
- Пример каучуков: полиизопрен из изопрена (синтетический или натуральный каучук), комбинация стирола и бутадиена образует стирол-бутадиен-каучук (SBR), комбинация этилена, пропилена и диена производит этилен-пропилен-диен-каучук (EPDM).
Как только длинная цепь этих мономеров произведена, есть несколько добавок, которые должны быть добавлены к этой цепочке, чтобы получить конкретные характеристики, необходимые для продукта, который вы хотите сделать с помощью этой цепочки:
- Цвет: чтобы получить определенный цвет, нужно добавить пигмент
- УФ-стабильность: УФ-свет является агрессивным инициатором воздействия свободных радикалов на полимер.
В принципе вы можете сравнить эти радикалы, как маленькие ножницы или ножи, которые стремятся разрезать полимерную цепь в разных местах. В результате полимер теряет свою прочность из-за этого. Решение:
УФ-стабилизаторы, они поглощают УФ-свет без образования радикалов и / или захвата свободных радикалов и их «уничтожение», прежде чем они смогут нанести вред полимерам.
ПРИМЕЧАНИЕ: пигменты являются материалами, которые подвергаются воздействию радикалов или ультрафиолетовому излучению, поэтому УФ-стабилизатор также защищает пигмент, который используется для получения правильного цвета.
Антиоксидант: помимо ультрафиолета, есть и другие источники свободных радикалов. Займёт много времени чтобы упомянуть их всех, но кислород является одним из них! Поэтому помимо УФ-стабилизатора необходимо добавить «ловушки радикалов», чтобы они не могли повредить полимерную цепь.
Дополнительные компоненты для лучшей обработки, формирования, лучшей стойкости к истиранию, лучшей гибкости или жесткости и т.д.
Разница резины и пластика
Пластики: Различие между пластиком и резиной инициируется координацией цепи. Пластмассы имеют четко определенную координацию, которая делает возможным, чтобы различные цепи могли лежать стройными рядами отдельно друг от друга. Это кристаллическая координация - результат, из-за которого пластик становится твердым и жестким. Но если этот материал нагревается до температуры плавления, цепи способны двигаться и вращаться, что приводит к неопределенной, случайной координации, которая даёт общую мягкость и деформацию.
Сравните пластик с кипящими спагетти: если варить спагетти близко друг к другу (как они упакованы), в конце концов, они начнут прилипать друг к другу.
Резины: Каучуки имеют менее четкую координацию цепей при комнатной температуре. Поэтому каучуки ощущаются более мягкими и способными многократно удлиниться.
Сравните каучуки с кипящими спагетти, но с постоянным перемещением их в воде, - они остаются свободны друг от друга, вы можете очень легко переместить спагетти и развести их.
Как получить упругость и силу?
Если для применения необходим мягкий эластичный материал (шина, уплотнитель, прокладка) - каучуки сами по себе не имеют необходимых свойств и могут быть разорваны на части. Поэтому каучуки "вулканизируют". В этом случае, компонент (сера / оксид или пероксид цинка) добавляется в каучук, который при высоких температурах (> 150°C) соединяет различные случайно ориентированные полимерные цепи друг с другом. Поэтому используются двойные связи (в некоторых местах цепочки - где подключено соединение вулканизации).
Теперь полимерные цепи связаны друг с другом, полимеры еще способны двигаться, но ограничены в результате трехмерных связей. В результате это все еще мягкий, и эластичный материал, который возвращается в исходную форму при деформации или удлинении.
Существует множество различных типов резины, натуральный каучук и синтетические каучуки:
- EPDM этилен-пропилен-диеновый терполимер
- SBR Стирол-бутадиен-каучук
- BR бутадиеновый каучук
- И еще более 50 видов...
Все эти типы имеют свои сильные и слабые стороны. EPDM лучше устойчив против окисления, но имеет более слабое истирание (поэтому EPDM часто используется для наружных уплотнений и спортивных полов), но имеет более низкое сопротивление истиранию (поэтому шины не изготавливают из EPDM). SBR и натуральный каучук очень устойчив к истиранию, но гораздо более чувствителен к окислению и ультрафиолетовому излучению. Поэтому натуральный каучук (грузовики) и SBR (легковые автомобили) в основном используются для шин при условии что он достаточно защищен УФ-стабилизаторами и антиоксидантами.
Пример: для езды по бездорожью вам понадобится 4х4, но для комфортной езды по шоссе лучше взять обычный малолитражный автомобиль. У обоих есть сильные и слабые стороны. Также это применимо и к уплотнителям, например, для шкафов и для пластиковых окон.
Резина SBR - это название для всех переработанных материалов шин, которые используются для заполнения систем искусственного газона. Но внутри его гораздо больше видов резины. Этот материал черный, потому что добавлен технический углерод чтобы получить дополнительную прочность и, кроме того, сажа является хорошим поглотителем ультрафиолетового излучения! Из-за прочности материал хорошо применять в искусственном газоне, а в последнее время этот материал обсуждается из-за цинка и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которые присутствуют в этих материалах. Причины почему присутствуют эти компоненты:
- Цинк (оксид) для запуска реакции вулканизации. Как только вулканизация будет готова (соединение) цинк больше не работает.
- ПАУ, потому что высокие ароматические масла используются для смешивания общей рецептуры резиновой смеси, которая используется для создания шин. Эти ароматические масла содержат ПАУ, которые остаются в материале, так как очень плохо растворяются в воде. Однако, при соприкосновении с жирными материалами они могут выйти. Поэтому масла и жиры могут поглощать эти ПАУ.
Всё в большем числе случаев для материала SBR требуется экологически чистая альтернатива. Для начала можно выбрать гранулу на основе каучука EPDM. Наиболее важным свойством является то, что EPDM, как уже упоминалось ранее, хорошо защищен от окисления. Гранулы на основе EPDM содержат от 20 до 25 мас.% EPDM каучука. Остальное содержимое: мел, технологическое масло, УФ-стабилизаторы, антиоксиданты, пигменты и материалы для вулканизации (сера и оксид цинка или перекись / стартер).
Выбор ингредиентов (соотношение, качество каждого компонента / ингредиента) и производственный контроль наиболее важные моменты в качестве при производстве продукта.
Также, экологичность достигается только при тщательном подборе ингредиентов! После смешивания ингредиентов соединение необходимо вулканизировать и после этого его гранулировать в материалы прямоугольной (неопределенной) формы с широким распределением частиц по размерам.
EPDM хорошего качества и экологически чистые?
Да, но только если, как уже упоминалось, производитель выбирает и использует первоклассные ингредиенты и хороший метод производства, но в таком случае, тоже есть проблема. Новые материалы имеют более высокую цену, а также обработка имеет высокую стоимость, и, следовательно, цена материала на основе EPDM значительно выше, чем гранулы «SBR».
Химический состав готовой резиновой смеси для производства уплотнителя:
- ЕПДМ - 25%-28%;
- Техническое масло - 23%-27%;
- Сажа - 28%-32%;
- Мел - 6%-10%;
- Присадки и наполнители - 10%-20%
Как и в любой другой отрасли, одна из задач производства направлена на снижение затрат и себестоимости продукции. При этом производитель должен сделать правильный выбор и контролировать качество конечного продукта. К сожалению, некоторые производители заходят слишком далеко в экономии средств:
- Использование полимеров EPDM второго сорта (не по спецификации).
- Экономия на качестве и количестве дорогих УФ-стабилизаторов, антиоксидантов, пигментов.
- Высокое соотношение дешевого мела к каучуку.
- В случае переработанного EPDM (например, старые уплотнители для окон и т.д.).
К сожалению, вы не можете быть уверены, в том какие ингредиенты и сырье используются и просто верите на слово что «EPDM» экологически чистый.
- EPDM может содержать цинк (из процесса вулканизации) и ПАУ.
- Вместо EPDM каучука, EPM. Этот материал не имеет двойных связей и поэтому вулканизация трудна или невозможна. В результате в течение одного года все гранулы превратятся в один сплошной слой.
- В случае, если не используется правильный или достаточный УФ-стабилизатор, УФ-свет раньше атакует пигмент и полимер, в результате чего материал становится более твердым, вплоть до твердости, как у камня. В то же время материал имеет более высокую абразивную стойкость.
- Неправильное качество пигментов приводит к обесцвечиванию.
- Поскольку цена на новый полимер EPDM увеличилась более чем на 60-70%, в последние годы некоторые производители экономят на количестве каучука EPDM и увеличивая количество сажи и мела. Однако есть максимум в отношении сажи и мела к резине, после чего материал будет слишком слабым и слишком абразивный.
Никогда не используйте слово EPDM в качестве стандарта качества и безопасности продукта. Пример: автомобиль не всегда хорошая машина. Производитель должен изо всех сил построить один из ожидаемых уровней качества. 10-летний автомобиль - все еще автомобиль, но не согласно последним технологиям и загрязнению окружающей среды.
Термопластичные эластомеры (TPE)
Разработка термопластичных эластомеров началась более 30 лет назад, когда нужно было найти решение для двух недостатков резины:
- Долгие стадии производства с высокими затратами энергии.
- Отсутствие возможности вторичной переработке в конце срока службы.
Вулканизированная резина не подлежит вторичной переработке: гранулирование или сжигание являются лучшим вариантом. Но, было найдено решение в сочетание пластика и резины. Возвращаясь к пластику, который имеет хорошую координацию цепи при комнатной температуре и мягкая, но деформируемая не вулканизированная резина: комбинация обоих была разработана так, что пластиковые части удерживают общее соединение вместе (без вулканизации) и резина дает мягкость (S). Комбинация приводит к эластичности, где пластик запоминает исходную форму и возвращается к ней после расслабления.
Эластомеры не нуждаются в вулканизации, поэтому один процесс и энергия сохраняются; материал может быть использован повторно, что значительно сохраняет затраты. В конце срока службы TPE могут быть переработаны путем нагревания материал до температуры плавления жестких термопластичных сегментов (>180°С); тогда смесь материалов становится вязкой, и она может быть переработана на 100%. При охлаждении материала формируется координация пластиковых сегментов, и материал снова становится упругим.
Производство ТПЭ:
Соединения TPE смешивают в (двухшнековом) экструдере (цилиндр с двумя вращающимися винтами, который замешивает все ингредиенты). В конце вязкий расплав материала выходит через пластину с небольшими отверстиями. Поскольку эта пластина является частью емкости для воды, материал охлаждается до твердого состояния. В этот момент подводный вращающийся нож разрезает материал на небольшие гранулы. Так как вода в емкости постоянно обновляется (для контроля температуры и для транспортировки гранул), гранулы в итоге отделяются от воды и просушиваются.
TPE хорошего качества и экологически чистые?
То, что имеет значение в ингредиентах для EPDM, также важно и для TPE. В случае TPE чрезвычайно важно, чтобы каждый выбирал правильные ингредиенты, такие как TPE-тип, первый сорт этого TPE-типа: мел, УФ-стабилизаторы, антиоксиданты, пигменты. Таким образом, по качеству продукции заполнение TPE хорошего качества может производиться только при условии высокого качества ингредиентов и эффективного контроля производства. Нужно быть осторожным, чтобы низкие цены не привели к снижению качества до уровня, который является абсолютно неприемлемым из-за продолжительности жизни продукта в несколько лет. Уплотнители TPE от TM POLI, гарантированно будут стабильными по качеству в течение 10 лет с учётом климатических условий в Украине.
Как определить качественный TPE-наполнитель?
1. Производитель должен показать, что он контролирует качество товара и воздействие на окружающую среду.
- Интенсивные погодно-имитационные испытания и результаты. Значительное изменение цвета не допускается.
- Высокотемпературные испытания (тестовые экземпляры из нового материала хранятся в печи (7 дней при 100°С). После этого испытания проверяется прочность на растяжение, относительное удлинение при разрыве и твердость материал не может быть случайной (типичная проверка резины).
- Деформация под высоким давлением: через 72 часа при давлении 200 бар материал должен вернуться в свою первоначальную форму!
- Испытание на истирание должно показать, образуется ли пыль с гранул до и после климатического моделирования.
- Производитель должен быть в состоянии гарантировать, что используются только ингредиенты первого сорта, и что они используются для всех поставок.
2. Узнайте о процедурах проверки качества и испытаниях. Спросите отчеты об этих тестах.
3. Сравните разницу между небольшими образцами и реальными запасами!
В конце концов, нужно доверять производителю и поставщику материала. Поэтому так же, как это
обычно происходит для большинства покупок (частных или для бизнеса), посмотрите или спросите репутацию поставщика, если это устойчивая компания, каковы условия продажи и послепродажное обслуживание, уровень сервиса и др.
В чем преимущество уплотнителей из TPE по сравнению с EPDM?
Уплотнители из TPE
- Более низкая цена уплотнителя, около 30% экономии.
- Не истирается в процессе эксплуатации.
- Не пачкает одежду и открытые части тела (сажа оставляет следы).
- Возможность максимально подобрать цвет без потери качества и доп. затрат.
- Возможность производить гранулы наполнителя определенной формы и размера, которые идеально подходят для их использования.
- Полимерные цепи насыщенные углеводороды (больше никаких двойных связей), - материал лучше устойчив к радикальным атакам.
- Возможность выпуска небольших партий продукции в частности, уплотнителей.
- Поскольку заполняющий слой остается свободным во времени, характеристики материала очень последовательны. Так амортизация, отскок и деформация останутся более постоянными во времени.
- Сырьё и продукция не имеет неприятного запаха в отличии от EPDM
- Поскольку TPE не нужно вулканизировать, - химических веществ, которые используются для вулканизации нет.
- Материал может быть использован для медицинских целей. Следовательно имеет самый высокий балл по безопасности для окружающей среды и здоровья.
- Прочность при разрыве и относительное удлинение выше чем у EPDM.
Уплотнители из EPDM
- Полимерные цепи EPDM являются ненасыщенными углеводородами (двойные связи в цепи), которые очень чувствительны к радикальным атакам. Даже с хорошими УФ-стабилизаторами и антиоксидантами.
- Из-за компактирования гранул, характеристики будут со временем уменьшаться.
- Использование EPDM уплотнителей оправдано при экстремально низких температурах и специфических условиях эксплуатации.
EPDM, как каучук, еще нужно вулканизировать, поэтому химикаты для вулканизации (сера и оксид цинка) или пероксид + дополнительные химикаты, должны быть добавлены, имея отрицательное влияние на безопасность для окружающей среды и здоровья. Однако, поскольку концентрация химикатов имеет более низкий уровень по сравнению с материалом «SBR», т.е. более безопасный для окружающей среды и здоровья материал.
Вывод: Как видим из статьи, для одних и тех же условий эксплуатации могут применяться как резиновые уплотнители из EPDM, так и уплотнительные профили из пластиката ПВХ или ТЭП. Основным критерием, по которому потребитель оценивает любую продукцию, являются соотношение «цена-качество». Если оценивать по качеству, то для уплотнителей, применяемых, например, в автомобилестроении или строительных конструкциях (как например уплотнители для пластиковых окон), наиболее оптимальным комплексом свойств, обеспечивающим работоспособность и долговечность данных изделий в климатических условиях Украины, обладают термопластичные эластомеры (ТЭП).