Przewodnik po elementach gumowych: koła PU i gumowe, uszczelki EPDM, dobór pierścieni uszczelniających

Koła poliuretanowe a koła gumowe: wybór odpowiedniego materiału

Wybór materiału kół bezpośrednio wpływa na nośność, ochronę podłogi, opór toczenia, poziom hałasu i żywotność. Poliuretan (PU) i guma to dwa dominujące wybory elastomerów do zestawów kołowych przemysłowych, sprzętu do transportu materiałów i pojazdów lekkich, ale różnią się one zasadniczo zakresem twardości, odpornością chemiczną i zachowaniem na zużycie.

Koła poliuretanowe są odlewane lub formowane wtryskowo z mieszanin izocyjanianów i polioli i mogą być produkowane w zakresie twardości Shore'a A od 40 A do 95 A bez zmiany podstawowego składu chemicznego. Koła gumowe są wulkanizowane z mieszanek kauczuku naturalnego (NR), kauczuku styrenowo-butadienowego (SBR), nitrylu (NBR) lub neoprenu (CR), z których każdy oferuje inny profil wydajności. Te dwa materiały często zajmują tę samą przestrzeń zastosowań, ale rzadko można je stosować zamiennie bez kompromisów.

Decyzja zazwyczaj zależy od rodzaju podłogi i obciążenia. Koła poliuretanowe radzą sobie lepiej z gumą na twardych, gładkich podłogach betonowych przy dużych obciążeniach , oferując znacznie niższe opory toczenia i dłuższą żywotność bieżnika. Koła gumowe są preferowane na chropowatych lub nierównych powierzchniach, w chłodniach, gdzie PU staje się kruchy i wszędzie tam, gdzie należy całkowicie unikać pozostawiania śladów na podłodze — niektóre mieszanki gumowe nie pozostawiają śladów nawet przy dużych obciążeniach, które spowodowałyby przenoszenie materiału przez koło PU.

W wilgotnych środowiskach preferowany jest poliuretan na bazie eteru zamiast PU na bazie estrów, ponieważ wiązania estrowe hydrolizują w długotrwałym kontakcie z wodą, co prowadzi do rozwarstwiania i pękania. Koła z naturalnej gumy i SBR pochłaniają ograniczoną ilość wody i utrzymują przyczepność, ale mogą lekko pęcznieć przy długotrwałym zanurzeniu.

Uszczelki gumowe EPDM : Właściwości i zastosowania

Kauczuk etylenowo-propylenowo-dienowy (EPDM) jest materiałem wybieranym na uszczelki i uszczelnienia stosowane na zewnątrz, w wysokich temperaturach i w środowiskach narażonych na działanie środków chemicznych, gdzie kauczuk naturalny, nitryl lub neopren ulegną przedwczesnej degradacji. Nasycony szkielet polimerowy – składnik dienowy stanowi jedynie 3–8% łańcucha i jest używany wyłącznie jako miejsce sieciowania – zapewnia EPDM wyjątkową odporność na ozon, promieniowanie UV i utlenianie, które powodują szybkie pękanie nienasyconych kauczuków.

Kluczowe cechy użytkowe uszczelek EPDM:

• Zakres temperatur: -50°C do 150°C w trybie ciągłym, z krótkotrwałymi skokami do 175°C w trybie pary. To sprawia, że ​​EPDM jest standardowym materiałem na uszczelki do samochodowych układów chłodzenia, kanałów HVAC i kołnierzy płaszcza parowego.
• Odporność na wodę i parę: EPDM pochłania minimalną ilość wody i jest odporny na pęcznienie pod wpływem gorącej wody i pary pod niskim ciśnieniem. Jest dominującym materiałem na złącza i kształtki do rur wody pitnej zgodnie z certyfikatem NSF/ANSI 61.
• Odporność chemiczna: Doskonały przeciwko rozcieńczonym kwasom, zasadom, ketonom, alkoholom i płynom hydraulicznym na bazie estrów fosforanowych. Słaba odporność na oleje naftowe, paliwa i rozpuszczalniki aromatyczne — w zastosowaniach mających kontakt z olejem należy stosować uszczelki NBR lub fluoroelastomerowe.
• Zestaw kompresyjny: Dobrze sformułowany EPDM utwardzany nadtlenkiem osiąga wartości odkształcenia po ściskaniu 15–30% po 70 godzinach w temperaturze 150°C (ASTM D395 metoda B), zapewniając długotrwałe utrzymanie siły uszczelniającej bez relaksacji.
• Wietrzenie na zewnątrz: Uszczelki EPDM zachowują właściwości mechaniczne po 10 latach ekspozycji na zewnątrz bez stabilizatorów UV, co czyni je standardem w systemach oszklenia ścian osłonowych, szwach membran dachowych i uszczelkach drzwi wagonów kolejowych.

Uszczelki EPDM są dostępne w profilach arkuszowych, taśmowych, formowanych i wytłaczanych. Gąbkowy (spieniony) EPDM stosuje się tam, gdzie dopasowywanie się do nieregularnych powierzchni jest ważniejsze niż wysoka wytrzymałość na ściskanie — typowo w przypadku uszczelek drzwi obudów i połączeń paneli, gdzie obciążenie śrub jest ograniczone. Pełny EPDM jest przeznaczony do uszczelek przylgowych kołnierzy i złączy rurowych, gdzie naprężenie osadzające musi być utrzymywane przez dłuższe cykle serwisowe.

Silikonowe a gumowe pierścienie uszczelniające: gdy chemia materiału wpływa na skuteczność uszczelnienia

Wybór materiału na o-ringi jest jedną z najważniejszych decyzji przy projektowaniu uszczelnień płynów. Niewłaściwy elastomer w zastosowaniach dynamicznych lub wysokotemperaturowych powoduje pęcznienie, uszkodzenie odkształcenia po ściskaniu, atak chemiczny lub wytłaczanie – każde z nich prowadzi do wycieku lub awarii systemu. O-ringi silikonowe i gumowe wyglądają podobnie pod względem kształtu i funkcji, ale różnią się zasadniczo strukturą polimeru, właściwościami mechanicznymi i kompatybilnością chemiczną.

O-ringi silikonowe (VMQ — winylometylosilikon) wykorzystują szkielet Si–O zamiast szkieletu węglowego. Wiązanie Si–O jest z natury bardziej stabilne termicznie niż wiązania C–C, dzięki czemu silikon ma charakterystyczną odporność na temperaturę ciągłą od -60°C do 230°C (i do 260°C w przypadku gatunków fluorosilikonów). Silikon jest również fizjologicznie obojętny, co czyni go standardem w uszczelnieniach wyrobów spożywczych, farmaceutycznych i medycznych wymagających zgodności z FDA 21 CFR 177.2600 lub USP klasa VI.

Jednakże silikon ma dwie istotne słabości w zastosowaniach związanych z uszczelnianiem dynamicznym: niska wytrzymałość na rozciąganie (5–10 MPa vs. 15–25 MPa dla NBR) i słaba odporność na rozdarcie. W przypadku ruchu posuwisto-zwrotnego lub obrotowego silikonowe pierścienie uszczelniające zużywają się szybciej niż zamienniki NBR, EPDM lub FKM. W statycznych uszczelnieniach twarzowych lub zastosowaniach niskocyklowych ograniczenia te są rzadko spotykane.

Gumowe oringi obejmuje szeroką rodzinę: najpowszechniej stosowany jest NBR (nitryl), charakteryzujący się doskonałą odpornością na oleje ropy naftowej, paliwa i mineralne płyny hydrauliczne w temperaturach od -40°C do 120°C; EPDM doskonale radzi sobie z wodą, parą i ozonem; neopren (CR) zapewnia umiarkowaną odporność na olej i warunki atmosferyczne; i FKM (Viton) wytrzymują najbardziej agresywne środowiska chemiczne i temperaturowe (ciągła temperatura do 200°C). Właściwy wybór zależy całkowicie od medium płynnego, ciśnienia, temperatury i tego, czy aplikacja jest statyczna czy dynamiczna.

• Używaj silikonu, gdy: dominują ekstremalne temperatury, wymagana jest zgodność z przepisami spożywczymi/medycznymi, uszczelnienie jest statyczne lub elastyczność w niskiej temperaturze ma kluczowe znaczenie
• Używaj gumy NBR, gdy: W zastosowaniach dynamicznych występuje kontakt z olejem naftowym, paliwem lub mineralnym płynem hydraulicznym
• Użyj EPDM, gdy: Wyzwaniem w zakresie uszczelnienia jest gorąca woda, para, płyn chłodzący na bazie glikolu lub narażenie na ozon na zewnątrz
• Stosuj FKM (Viton), gdy: jednocześnie obecne są zarówno wysoka temperatura, jak i agresywne media chemiczne

Silikonu nie należy nigdy stosować w kontakcie z płynami na bazie ropy naftowej, parą o temperaturze powyżej 120°C (która hydrolizuje szkielet Si–O) lub stężonymi kwasami. W takich środowiskach mieszanki gumowe opracowane specjalnie dla mediów będą stale przewyższać silikon pomimo niższych sufitów termicznych.

Formowane elementy gumowe: kwestie projektowe, procesowe i materiałowe

Formowane elementy gumowe — w tym uszczelki, przelotki, wibroizolatory, odbojniki, osłony przeciwpyłowe, membrany i profile niestandardowe — są produkowane trzema podstawowymi metodami formowania, z których każda jest dostosowana do innej geometrii, objętości i rodzaju materiału.

• Formowanie tłoczne: Wstępnie zważony półfabrykat gumowy (preforma) umieszcza się w otwartej wnęce formy, formę zamyka się pod działaniem siły prasy hydraulicznej, a ciepło inicjuje wulkanizację. Najwolniejsza z trzech metod (czas cyklu 3–15 minut w zależności od grubości przekroju i materiału), ale wykorzystuje najtańsze oprzyrządowanie i praktycznie nie wytwarza naprężeń wewnętrznych w gotowej części. Standard dla elementów o dużych przekrojach, grubościennych izolatorów i materiałów trudnych do wtryskiwania (takich jak mieszanki gąbkowe EPDM).
• Formowanie transferowe: Gumę ładuje się do garnka nad wnękami formy i wtłacza poprzez kanały wlewowe do zamkniętych wnęk pod ciśnieniem tłoka. Lepsza spójność wymiarowa niż w przypadku formowania tłocznego i możliwość formowania wkładek (metalowych lub plastikowych) na miejscu. Koszt oprzyrządowania jest pośredni. Preferowana metoda precyzyjnych pierścieni uszczelniających typu O-ring, małych uszczelek i elementów połączonych gumą z metalem w średnich seriach produkcyjnych.
• Formowanie wtryskowe: Mieszanka gumowa jest plastyfikowana w podgrzewanej beczce i wtryskiwana z dużą prędkością do całkowicie zamkniętej, ogrzewanej formy. Najkrótsze czasy cykli (30–90 sekund dla małych części), najwyższa precyzja wymiarowa i najlepiej przystosowane do produkcji wielkoseryjnej o złożonych geometriach. Wymaga największych inwestycji w oprzyrządowanie, ale najniższego kosztu części w skali. Stosowany do uszczelek samochodowych, elementów urządzeń medycznych i uchwytów produktów konsumenckich produkowanych w milionach sztuk rocznie.

Krytyczne wytyczne projektowe dotyczące formowanych części gumowych obejmują:

• Kąty pochylenia: Do czystego uwolnienia z formy bez rozdarć i zniekształceń wymagane jest minimalne przesunięcie 3–5° na wszystkich pionowych ścianach, szczególnie w przypadku części o skomplikowanych profilach lub klejonych wkładkach metalowych.
• Linie błyskowe: Linia podziału formy tworzy cienką wypływkę, którą należy usunąć poprzez odparzenie (obrócenie kriogeniczne, przycinanie ręczne lub laser). Projekt części powinien, tam gdzie to możliwe, umieszczać linie podziału w niekrytycznych strefach uszczelnienia.
• Tolerancja: Tolerancje formowanej gumy są zgodne z normami ASTM D3568 lub DIN 7715. Typowe osiągalne tolerancje wynoszą ± 0,2 mm dla małych elementów i ± 0,5–1,0% wymiaru dla większych przekrojów, co odzwierciedla zmienność wymiarową związaną ze skurczem wulkanizacyjnym (zwykle 1,5–3% dla większości związków).
• Połączenie gumy z metalem: Wkładki metalowe są przygotowywane przez piaskowanie i gruntowane Chemlok lub równoważnym środkiem wiążącym przed formowaniem. W przypadku zastosowań o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, w których awaria kleju spowodowałaby utratę części, należy określić badanie wytrzymałości wiązania zgodnie z normą ASTM D429.

Często zadawane pytania

• Czy koła poliuretanowe pozostawiają ślady lub niszczą posadzki w magazynach?

  Twardsze preparaty poliuretanowe (powyżej 90 Shore A) mogą pozostawiać ślady na posadzkach betonowych pokrytych żywicą epoksydową lub polerowanych, szczególnie podczas obracania się pod obciążeniem. Bardziej miękkie gatunki PU (70–85A) generalnie nie pozostawiają śladów na podłogach w normalnych warunkach walcowania. Większość producentów oferuje preparaty niebrudzące, niezawierające sadzy ani innych pigmentów przenoszących się na powierzchnie podłóg. Jeżeli oznaczenie podłogi jest wymogiem absolutnym, najbezpieczniejszą opcją są koła z gumy naturalnej lub termoplastycznej (TPR), które nie pozostawiają śladów.

• Czy uszczelki EPDM można stosować z czynnikami chłodniczymi?

  EPDM jest kompatybilny z kilkoma czynnikami chłodniczymi, w tym z R-134a i amoniakiem (R-717), ale słabo radzi sobie z R-22, R-410A i większością mieszanek HFC w zastosowaniach wysokociśnieniowych, gdzie czynnik chłodniczy może przeniknąć przez uszczelkę i spowodować wybuchową dekompresję podczas rozprężania. Do uszczelniania czynników chłodniczych HFC bardziej odpowiednie są HNBR (uwodorniony nitryl) lub FKM. Zawsze sprawdzaj zgodność z danymi producenta czynnika chłodniczego dotyczącymi kompatybilności elastomeru przy ciśnieniu i temperaturze roboczej.

• Dlaczego mój silikonowy pierścień uszczelniający pęcznieje w oleju hydraulicznym?

  Silikon ma słabą odporność na płyny hydrauliczne na bazie ropy naftowej. Niepolarne cząsteczki oleju dyfundują do polarnej sieci silikonowej, powodując pęcznienie objętościowe o 20–50% lub więcej, w zależności od rodzaju oleju i temperatury. To pęcznienie zwiększa przekrój poprzeczny pierścienia uszczelniającego, może powodować wyciskanie rowka, a po powtarzających się cyklach na mokro i na sucho prowadzi do trwałej zmiany wymiarów i utraty siły uszczelniającej. Wymień silikonowe pierścienie uszczelniające w przypadku oleju hydraulicznego na NBR (w przypadku oleju mineralnego) lub FKM (w przypadku syntetycznych płynów hydraulicznych i pracy w wysokich temperaturach).

• Jaka mieszanka gumy jest najlepsza do zewnętrznych uchwytów wibroizolatorów?

  Kauczuk naturalny (NR) ma najwyższą sprężystość i trwałość zmęczeniową ze wszystkich elastomerów i pozostaje najlepszym wyborem dla wibroizolatorów pod względem wydajności dynamicznej. Jednakże NR ulega degradacji pod wpływem ozonu i promieniowania UV bez dodatków antyozonowych. Do zastosowań zewnętrznych NR zmieszany z EPDM lub chloroprenem (CR) lub sam EPDM zapewnia niezbędną odporność na warunki atmosferyczne, zachowując jednocześnie odpowiednie właściwości dynamiczne. Jeśli w środowisku zewnętrznym możliwe jest zanieczyszczenie olejem, lepszym wyborem będzie neopren (CR) niż czysty NR lub EPDM.

• Jaki jest typowy czas realizacji niestandardowych formowanych elementów gumowych?

  Czas realizacji niestandardowych formowanych elementów gumowych dzieli się na dwie fazy: oprzyrządowanie i produkcja. Przygotowanie formy tłocznej dla prostej części zajmuje zwykle 3–5 tygodni; formy transferowe lub wtryskowe o mniejszych tolerancjach lub z wieloma gniazdami wymagają 6–10 tygodni. Czas realizacji produkcji po zatwierdzeniu narzędzia wynosi zazwyczaj 2–4 tygodnie w przypadku standardowych mieszanek. Całkowity czas realizacji pierwszego artykułu wynoszący 8–14 tygodni jest typowy dla nowych niestandardowych części formowanych. Przyspieszone usługi narzędziowe mogą skrócić ten czas do 4–6 tygodni przy wyższych kosztach narzędzi, a wielu producentów utrzymuje formy o standardowej geometrii (o-ringi, płaskie uszczelki, przelotki), aby zapewnić znacznie szybszą dostawę.