Наука и инженерия прошли долгий путь благодаря эластомерам. Известно, что эластомер имеет разнообразные применения, начиная от шин и уплотнений промышленного оборудования. Они обладают замечательными свойствами, такими как гибкость, долговечность и универсальность. Независимо от того, являетесь ли вы энтузиастом полимеров, инженером-материаловедом или дизайнером продукции, эта статья даст вам хорошие знания об эластомерах, их особом поведении, применении и свойствах. Информация, предоставленная в этой статье, даст лучшее представление о том, как работают эластомеры, чем они отличаются от других материалов и как они стимулируют инновации во многих отраслях. В этой статье будет тщательно исследована одна из самых важных форм современных материалов.
Что такое резиноподобные материалы и эластомеры?
Эластомеры, также известные как резиноподобные материалы, представляют собой класс полимеров, которые демонстрируют замечательную эластичность. При применении эти материалы могут подвергаться большому растяжению, но после снятия силы они, как правило, возвращаются к своей первоначальной форме. Эта удивительная особенность является результатом длинной и цепной конструкции их молекулярной структуры, что позволяет легко распутывать и сворачивать их, что наблюдается во многих резиноподобных веществах. Наиболее популярное применение этих материалов — в соединениях, которые должны демонстрировать определенную степень гибкости, прочности и эластичности, таких как уплотнения, прокладки и шины. Их универсальность в производительности делает их незаменимыми в автомобильной, медицинской и строительной отраслях, среди прочих, где требуются различные типы материалов.
Понимание основ эластомерных полимеров
Эластомерные полимеры — это композиты, которые могут значительно растягиваться при приложении силы, но возвращаться к своей первоначальной форме при ее снятии. Их характеристика может быть прослежена до их особой молекулярной структуры, которая имеет длинные спиральные полимерные цепи, которые снижают жесткость. Натуральный каучук, силиконовый каучук и полиуретан являются одними из наиболее часто используемых эластомерных полимеров, и они довольно часто взаимозаменяемы в различных приложениях. Благодаря своей износостойкости, эластичности и толщине эти материалы находят широкое применение в уплотнениях, трубках, шинах и медицинских устройствах. Эти полимеры делают их незаменимыми в различных отраслях промышленности.
Натуральный каучук против синтетических эластомеров
Заметно отличаясь, натуральный каучук и синтетические эластомеры, по-видимому, являются разными эластомерами с разными свойствами. Натуральный каучук, который получают из латекса каучуковых деревьев (Hevea brasiliensis), известен своей высокой эластичностью, значительной прочностью на разрыв и превосходной устойчивостью к истиранию и усталости. Он широко используется для автомобильных шин, конвейерных лент и антивибрационных деталей из-за своей динамической природы. Как упоминалось выше, натуральный каучук имеет большое преимущество в том, что он очень упругий, и, таким образом, он работоспособен даже при высоких деформациях.
Синтетические эластомеры, с другой стороны, являются химическими соединениями и включают в себя стирол-бутадиеновый каучук (SBR), нитриловый каучук (NBR) и этиленпропилендиеновый мономер (EPDM) и другие. Такие эластомеры были разработаны для особых применений, требующих масел, тепла и химикатов. Например, SBR обычно используется из-за его устойчивости к истиранию и способности выдерживать суровые условия. NBR может хорошо работать в маслянистых условиях и подходит для использования в топливных шлангах и уплотнениях. Кроме того, из-за способности EPDM выдерживать погодные условия и ультрафиолетовые лучи, он в основном используется для кровельных работ и автомобильных уплотнителей.
Для синтетических эластомеров было зафиксировано, что объем конструкции, воспроизводимость и однородность выше, что также позволяет корректировать характерные особенности продукта во время производства. Производство синтетического каучука во всем мире составило около 15.3 млн метрических тонн выручки в 2022 году, что является значительным ростом по сравнению с зарегистрированными 13.9 млн тонн натурального каучука, что указывает на повышенный спрос на синтетические альтернативы в автомобильном и промышленном секторах.
Синтетические эластомеры могут иметь преимущества, включающие большую термическую и химическую стабильность, в то время как биоразлагаемость оценивается выше для натуральных каучуков. Оба каучука выбираются на основе области применения, условий окружающей среды и целей, которые необходимо достичь. Благодаря недавним достижениям в области материаловедения, как натуральные, так и синтетические эластомеры были оптимизированы, что подтверждает их важность во многих отраслях промышленности.
Основные свойства резиноподобных материалов
Физические и механические свойства натуральных и синтетических эластомеров просто поразительны. Вот почему большинство людей считают резиноподобные материалы, также известные как эластомеры, весьма изобретательными. Некоторые из основных свойств резиноподобных материалов перечислены ниже:
Эластичность и гибкость
Проще говоря, эластомер может заметно деформироваться и вернуться к своей первоначальной форме, когда с него снимается сила. Огромный коэффициент растяжения в 500%, которого могут достичь некоторые материалы, подтверждает утверждение, что эластомеры имеют уникальную полимерную структуру.
Прочность на разрыв и долговечность
Состав резин определяет их прочность на разрыв, которая обычно выражается в мегапаскалях. Для натурального каучука эта граница часто лежит между 15-25 мегапаскалями. Между тем, синтетические эластомеры, такие как нитрил или силиконовый каучук, можно манипулировать для более широкого диапазона механических требований.
Температурное сопротивление
Эластомеры обладают широким спектром термических характеристик. Например, натуральный каучук отлично работает при комнатной температуре и может работать при максимальной температуре 80 градусов по Цельсию, а синтетические материалы, такие как силикон, могут оптимально функционировать даже при температуре выше 230 градусов по Цельсию и сохранять гибкость даже при отрицательных температурах.
Химическая и маслостойкость
Сополимеры NBR и FKM выдерживают износ от воздействия смазок, масел и различных химикатов и поэтому используются в промышленных уплотнениях и прокладках, в то время как натуральный каучук является гибким, но уязвимым к такому воздействию.
Устойчивость к истиранию и износу
Существуют различия в степени, в которой материалы с резиноподобными характеристиками могут противостоять износу. Например, натуральный каучук характеризуется высокой эластичностью, что обеспечивает адекватную устойчивость к износу, что позволяет использовать его в шинах для тяжелых условий эксплуатации для транспортных средств и конвейерных лентах, отличных от полиуретановых эластомеров, которые лучше работают в истираемых средах.
Электроизоляция и диэлектрическая прочность
Многие силиконовые и EPDM эластомеры применяются в качестве изоляторов, поскольку они обладают высокой диэлектрической прочностью и нелегко разрушаются под воздействием электрических токов. Эти свойства облегчают использование в электротехнической и электронной промышленности.
Экологическая стабильность
Натуральный каучук довольно хорошо поддается биологическому разложению, в то время как большинство синтетических эластомеров более устойчивы к озону, ультрафиолетовому излучению и атмосферным воздействиям, например, каучук EPDM, который выдерживает воздействие атмосферных условий.
Эти свойства и особенности иллюстрируют, почему материалы, демонстрирующие резиноподобные характеристики, находят применение применение в различных отраслях промышленности, включая, но не ограничиваясь, автомобильной, аэрокосмической, медицинской и потребительской сферами. Эти материалы изначально являются новыми, и усилия по совершенствованию технологий и производственных процессов продолжаются.
Чем резиноподобные материалы отличаются от других полимеров?
Сравнение эластомеров с термопластами и термореактивными пластиками
Каждый полимер, включая эластомер, термопластик и термореактивный, имеет различия в своих свойствах, применении и структуре. Возьмем, к примеру, натуральный каучук; его молекулярная структура слабо коррелирует, что придает ему «резиновые» характеристики. Материал, который можно растянуть, а затем вернуть в исходное состояние, называется эластичным, и натуральные силиконовые каучуки, как правило, попадают в эту категорию; силиконовые каучуки обладают высокой эластичностью.
Теперь термопластики отличаются, полиэтилен, полистирол и ПВХ являются примерами несшитых полимеров, в результате чего их молекулярная цепь не переплетена, что в свою очередь позволяет их нагревать и изменять форму снова и снова, не причиняя никакого вреда. Эти качества делают термопластики идеальными для экструзии и литья под давлением, более того, они необходимы для продуктов, требующих автоклавирования, включая автомобильные детали, потребительские товары и упаковку для пищевых продуктов.
Эпоксидная смола, смолы и фенольные термореактивные смолы также могут использоваться, но они не используются более чем в одном цикле, поскольку, в отличие от термопластов, термореактивные смолы могут быть преобразованы только один раз, и это происходит путем отверждения; было обнаружено, что это дает им эффективную сетевую структуру, делая их устойчивыми к термическому напряжению, что в результате обеспечивает им длительный срок хранения. Другими примерами использования могут быть электроизоляция и аэрокосмические и строительные компоненты, которые требуют большой структурной прочности.
Как видно из рисунков, очевидно, что эластомеры, такие как натуральный каучук, имеют предел прочности на разрыв в диапазоне от 15 до 25 МПа, как указано в некоторых исследованиях, в то время как термопластичные материалы, такие как полипропилен, имеют потенциал для достижения значений до 40 МПа. Однако справедливо отметить, что термореактивные материалы имеют значительно большие значения и могут достигать более 50 МПа при правильной формуле. Тем не менее, эластомеры сохраняют преимущество, доминируя в гибкости, поскольку они могут быть растянуты более чем на 500%, прежде чем они порвутся. Напротив, другие материалы, такие как термореактивные материалы, с трудом преодолевают отметку в 50%.
Учитывая заданные свойства, выбор подходящего полимера для требований применения становится жизненно важным с точки зрения механических, термических и химических свойств. Например, эластомеры хорошо подходят для уплотнений и прокладок, а термопласты хорошо подходят для легких (компонентов). Напротив, термореактивные пластики хорошо подходят для областей, где требуется тепло и термостойкость.
Уникальные механические свойства резиноподобных материалов
Эластомеры или резиноподобные материалы классифицируются как отдельная группа материалов из-за их уникального сочетания механических свойств. Они обладают удивительной эластичностью, что позволяет им деформироваться до 700% с комбинацией плотности линкера. Можно увидеть, что они обладают огромной способностью к удлинению, что полезно для применений с высокой степенью гибкости и упругости.
Эластомеры, по сравнению с термопластами и термореактивными материалами, демонстрируют более низкие значения модуля Юнга, обычно в диапазоне от 0.01 до приблизительно 10 МПа. Это заставляет их терять много жесткости, что позволяет им поглощать и рассеивать энергию эластомеров, иметь высококачественные амортизирующие и виброизолирующие приложения и напрягать функции плотности. Кроме того, эластомеры обладают нелинейной упругостью и напряжением, что дает им широкий спектр применения в динамической среде из-за гистерезиса и потери энергии при динамической нагрузке.
Кроме того, такие материалы, как резина, демонстрируют прочные механические свойства в широком диапазоне температур. Например, вулканизированная резина может выдерживать и оставаться прочной и гибкой при температуре от минус сорока до более 120 градусов по Цельсию, в зависимости от ее формулы. Это свойство имеет первостепенное значение для автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Эластомеры обладают исключительной способностью восстанавливать свою первоначальную форму после сильной деформации. Это свойство называется упругостью или коэффициентом упругости; для рефлексивных натуральных каучуков коэффициент упругости может достигать 70%, что предполагает способность резины быстро возвращаться к своей первоначальной форме после сжатия в течение небольшого времени. Эта характеристика настоятельно рекомендуется для таких элементов, как уплотнения, кольца, прокладки и шины, поскольку механическая нагрузка всегда будет сохраняться в структурной части.
Изменение рецептуры и достижение проектных параметров всегда подразумевают использование эластомеров, поскольку эластомеры являются одними из самых полезных сырьевых материалов в области машиностроения.
Сшивание и его влияние на эластичность
Сшивание значительно изменяет гибкость эластомеров, создавая сеть химических связей между плотными полимерными цепями. Эти связи ограничивают свободу цепей, позволяя проектировать массу таким образом, чтобы она могла деформироваться под действием напряжения, но восстанавливать свою форму после снятия напряжения. Концентрация поперечных связей определяет уровень эластичности — более высокая плотность означает большую прочность, но за счет гибкости, в то время как более низкая плотность означает большую эластичность, но не большую прочность. Этот призыв имеет решающее значение, поскольку применение эластомеров в автомобильных или промышленных компонентах, требующих определенных эксплуатационных характеристик, требует такого баланса.
Каковы наиболее распространенные типы резиноподобных материалов?
Силиконовая резина и ее применение
Силиконовый каучук демонстрирует превосходную прочность, гибкость и термическую стабильность, что объясняет его широкое применение в различных отраслях. Его применение охватывает широкий спектр, включая уплотнения, прокладки и трубки в автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также медицинский силикон, используемый в протезировании и имплантатах. Более того, благодаря своим нетоксичным свойствам и превосходной стойкости к атмосферным воздействиям, силикон широко используется для производства кухонных принадлежностей, гидроизоляции, электроники и других потребительских товаров.
Резина EPDM: свойства и применение
Каучук EPDM, также называемый этиленпропилендиеновым мономером, является типом синтетического каучука, отличающегося превосходной устойчивостью к погодным условиям, ультрафиолетовому излучению и температуре. Его упругость и гибкость делают его пригодным для кровельных мембран, уплотнителей и автомобильных компонентов, таких как шланги и уплотнители. Каучук EPDM также стабилен в воде и паре и содержит различные химикаты, что расширяет его применение в промышленности и строительстве. Кроме того, он термопластичен, что делает его экологически прочным и сохраняет свойства в течение длительного времени, даже в суровых условиях.
Объяснение термопластичных эластомеров (ТПЭ).
Термопластичный эластомер (ТПЭ) можно описать как термопластичный и эластомерный материал, который демонстрирует характеристики как вулканизированной резины, так и термопластиков. Этот ТПЭ может быть сформирован путем плавления и впрыскивания и имеет возможность формоваться в желаемую конечную форму посредством обработки горячим расплавом, экструзии или 3D-печати.
TPE выделяется благодаря своей смеси стирольных полимеров или термопластиков, которые имеют твердую текстуру, с мягкими, эластомерными областями, которые имеют отличные механические свойства. При использовании различных формул TPE могут быть эластомерами, которые имеют повышенную прочность на разрыв, высокую ударопрочность и лучшую упругость. Эти материалы очень универсальны, поскольку их можно использовать в таких секторах, как автомобилестроение, медицина и многие другие. Что касается автомобильной промышленности, эластомеры TPE могут быть использованы для установки кабелей вокруг изоляции транспортного средства и для облегчения гибких систем герметизации.
Согласно новым данным, спрос на ТПЭ неуклонно растет. Разработка новых технологий материалов и растущая тенденция потребителей к устойчивым решениям должны привести к росту мирового рынка ТПЭ (оценочный среднегодовой темп роста) примерно на 6%-7% в течение следующих лет. Однако ТПЭ также играют важную роль в медицине, например, для трубок, уплотнений или даже краткосрочных носимых устройств, где необходимы биосовместимость и стабилизация.
Существует несколько разновидностей TPE: блок-сополимеры стирола (SBC), термопластичные полиолефины (TPO), термопластичные вулканизаты (TPV) и сополиэфирные эластомеры (COPE), и это лишь некоторые из них. Для них также существует множество применений, поскольку каждый из них обладает свойствами, которые подходят для определенной функции. Например, TPV, сочетание вулканизированных каучуков и термопластика, лучше всего подходят для сред, требующих постоянной гибкости и динамизма в течение длительного периода. С другой стороны, SCB сравнительно мягче и с ними легче работать, поэтому они широко используются в потребительских товарах.
Перечисленные выше материалы не только обладают важными эксплуатационными характеристиками и адаптивностью, но и отличаются высокой устойчивостью, что позволяет им соответствовать постоянно меняющимся требованиям современных отраслей промышленности.
Как резиноподобные материалы используются в различных отраслях промышленности?
Применение эластомеров в автомобилестроении
Эластомеры являются важными материалами в автомобильной промышленности, и их обширное применение сопровождается также высокой повторяемостью. Благодаря своей превосходной эластичности, стойкости к атмосферным воздействиям и механическим свойствам эластомеры используются в различных автомобильных деталях, включая, помимо прочего, уплотнения, прокладки, шланги и виброизоляторы.
Хорошим примером может служить асимметричный этиленпропилендиеновый мономерный каучук (EPDM), который обычно используется в герметизации от непогоды и связанных с этим применениях и который должен обеспечивать хорошую герметичность при различных пределах давления и температуры. Кроме того, термопластичные эластомеры (TPE) используются в мягких на ощупь приборных панелях, противоскользящих ковриках и многих других элементах интерьера, придавая автомобилю лучшую внутреннюю привлекательность. Силиконовые эластомеры также могут использоваться в турбодвигателях для шлангов или прокладок турбокомпрессора, но только когда требуется очень высокая термостойкость.
Статистика по мировому использованию эластомеров указывает на всплеск в автомобильной промышленности. Глобальная индустрия эластомеров принесла более 70 миллиардов долларов США в 2021 году, при этом автомобильный сектор имел основную долю из-за роста производства электромобилей. Кроме того, использование современных композитов в качестве легких эластомерных материалов позволит снизить вес транспортных средств, что является важным параметром для повышения энергоэффективности транспортных средств и сокращения выбросов.
Внедрение эластомеров было дополнительно стимулировано улучшением формул эластомеров. Например, разработка высокоэластичных и низкокомпрессионных эластомеров Jenkins скользящие подшипники применение в системах подвески и опорах двигателя улучшены. Такие достижения приводят к большему комфорту езды и снижению шума при продлении срока службы, тем самым демонстрируя жизненно важное место эластомеров в автомобильной технике.
Резиноподобные материалы в уплотнениях и прокладках
В автомобильной, аэрозольной и медицинской инженерии эластомеры используются для уплотнений и прокладок; эти материалы необходимы для их производительности. Это связано с тем, что рассматриваемый материал остается гибким, сохраняет определенный уровень упругости и сохраняет способность герметизировать в экстремальных условиях. Нитриловый каучук (NBR), этиленпропилендиеновый мономер (EPDM), силиконовый каучук и фторуглерод (Viton®) широко используются из-за их способности противостоять маслам, химикатам и перепадам температуры.
Для сравнения, NBR широко используется в масляных и топливных уплотнениях из-за его превосходной абразивной и маслостойкости. Напротив, EPDM имеет множество применений в областях, подверженных старению и воздействию УФ-излучения и озона. Благодаря своей высокой и низкой температурной стабильности силиконовый каучук, по-видимому, является предпочтительным материалом для герметизации в диапазонах низких и высоких температур. В частности, фторуглеродные эластомеры демонстрируют исключительную химическую и топливную стойкость и часто используются в прокладках для двигателей и другого оборудования, подвергающегося воздействию агрессивных химикатов и веществ на основе нефти.
В последнее время материалы все больше склоняются к тем, которые требуют более высокого удлинения компонента, остаточной деформации при сжатии и прочности на разрыв. Например, было замечено, что составы EPDM сохраняют свою эффективность при воздействии высоких температур пара и воды до 150 градусов по Цельсию, а силиконовые прокладки хорошо работают в диапазоне температур от -50 до 250 градусов по Цельсию. Такие материалы также соответствуют различным нормативным требованиям, таким как REACH и RoHS, которые необходимы в промышленной установке.
Также были достигнуты успехи в эластомерной промышленности в результате достижений в производстве эластомеров, а также LIM и автоматизированных процессов экструзии, которые позволили изготавливать сложные уплотнения и уплотнители с высокоточной резкой. Кроме того, нанотехнологии развили гибридные эластомеры, которые включают наполнители, обеспечивающие прочность на разрыв и термическую стабильность, такие как технический углерод, которые продлевают срок службы, при этом нанося минимальный износ на ленту прокладки. Все последние разработки, упомянутые в предыдущих параграфах, указывают на то, что уплотнительная способность и материалы прокладки соответствуют современной инженерной среде.
3D-печать с использованием эластомерных материалов
Производство носимых устройств, уплотнительных прокладок и амортизирующих элементов, например, эластомерных 3D-печатных материалов, обязано таким отраслям, как автомобилестроение, здравоохранение и производство потребительских товаров. Это стало возможным благодаря улучшенным формулам материалов и совместимым технологиям 3D-печати. Эти технологии позволяют быстро создавать прототипы и сложные структуры, такие как индивидуальные уплотнения, а также предлагают преимущество за счет повышения производительности за счет специально разработанных приложений.
Каковы преимущества использования резиноподобных материалов?
Преимущества эластичности и гибкости
В моем опыте работы с резиноподобными материалами я увидел их эластичные свойства и гибкость, которые служат большой пользой. Такие материалы можно растягивать и сгибать сверх значительного предела без риска постоянного повреждения, что делает их хорошо подходящими для динамических целей. Они также демонстрируют хорошее демпфирование и устойчивость, гарантируя надежную работу в сложных условиях.
Сопротивление остаточной деформации при сжатии и долговечность.
Материалы, изготовленные из резины, обладают относительно высоким сопротивлением сжатию, которое является тенденцией материала к постоянному сжимающему напряжению. Это свойство гарантирует, что панели, уплотнения, прокладки и подобные компоненты, изготовленные из этих материалов, не теряют свою форму и функциональность с течением времени и при деформации по сравнению с другими материалами. Например, силиконовая резина может иметь значения сжатию в диапазоне 15-20% при стандартных условиях испытаний, тем самым обеспечивая длительный срок службы в уплотнительных приложениях даже при воздействии суровых температурных условий.
Эти материалы также специально разработаны для работы в суровых условиях. Одним из известных материалов является каучук EPDM, который может выдерживать атмосферные воздействия, ультрафиолетовое излучение и озон, а также использоваться на открытом воздухе в течение длительного периода. Большинство исследований также показали, что материалы EPDM могут сохранять свои эластичные и структурные свойства в течение более двадцати пяти лет при нормальном воздействии окружающей среды. Эта удивительная производительность делает резиноподобные материалы основой проектов, требующих высокой надежности. К таким отраслям промышленности относятся автомобильная, аэрокосмическая, судостроительная и строительная. Их экономическая эффективность в высокопроизводительных приложениях обусловлена их превосходной механической прочностью и упругостью.
Мягкость на ощупь и эргономичность
Комфорт пользователя и функциональность продукта, несомненно, имеют решающее значение в различных отраслях. Однако такие аспекты, как мягкость на ощупь и эргономичность, имеют первостепенное значение для достижения этой функциональности. Силикон и термопластичные эластомеры (TPE) в настоящее время пользуются спросом, поскольку они могут наилучшим образом удовлетворить потребности каждого. Исследования показывают, что эти материалы часто имеют диапазон твердости по Шору от 20A до 80A. Это очень широкий диапазон разматывания, идеально подходящий для предметов, которые должны быть как достаточно гибкими, так и в то же время достаточно поддерживающими. Нескользящие и тактильные свойства делают их полезными в швейных изделиях, таких как ручки инструментов, медицинские инструменты и мобильные телефоны.
Например, эргономика — это все мягкие на ощупь инструменты, и они также, как правило, достигают до 30% повышения производительности за счет снижения усталости рук во время повторяющихся участков, которые вызывают их использование, например. Это возможно за счет смягчения точек давления и равномерного распределения силы по контактируемой области. Что еще более впечатляет, так это то, что эластомеры не поддаются независимо от того, очень холодно или жарко, например, от -40 градусов по Цельсию до 200 градусов по Цельсию; диапазон рабочих температур полностью зависит от используемой формулы. Все эти особенности будут полезны не только для повышения удовлетворенности пользователей, но и для поддержки продления срока службы и долговечности продукта, ориентированного на конечных пользователей в частности и на коммерческие рынки в целом.
Как выбрать подходящий резиноподобный материал для вашего проекта?
Оценка свойств материалов для конкретных применений
При работе с эластомерными материалами для определенных приложений, определенные свойства материала должны быть приоритетными и перечислены с точки зрения их рабочих условий и соответствия применению. Ниже приведен список свойств и характеристик, необходимых для них:
Твёрдость (по Шору A/D)
Это свойство указывает на способность материала выдерживать нагрузку и деформацию, определяя восприимчивость резины к износу.
Эластомеры обычно имеют твердость от 20 до 90 единиц по Шору (A) до 30–70 единиц по Шору (D).
Прочность на растяжение (МПа или фунт/кв. дюйм)
Максимальное напряжение, которое может выдержать материал до того, как произойдет разрушение, также известно как предел прочности на разрыв.
Характеристики материалов, напоминающих резину, варьируются от 5 МПа до 25 МПа или от 725 фунтов на кв. дюйм до 3625 фунтов на кв. дюйм.
Относительное удлинение при разрыве (%)
Способность материала подвергаться деформации и сохранять свою структурную форму позволяет увеличить процент разрушения.
В зависимости от рецептуры большинство эластомеров содержат от 100 до 700 процентов.
Остаточная деформация при сжатии (%)
Способность материала восстанавливать свою первоначальную толщину даже после длительного воздействия сжимающей силы определяется процентом остаточной деформации при сжатии.
От 5 до 30 процентов — это, как правило, низкий процент остаточной деформации при сжатии, которым обладают идеальные материалы.
Сопротивление разрыву (Н/мм или фунт/дюйм) является ключевым свойством для оценки долговечности резиновых материалов.
Количественно определяет, насколько материал может противостоять порезам и разрывам в результате распространения.
Стандартное сопротивление разрыву композиций составляет от 10 Н/мм до 50 Н/мм. Более 50 Н/мм встречается редко.
Термостойкость
Он определяется как температурный диапазон, в котором эластомер может эксплуатироваться без ухудшения эксплуатационных характеристик.
Для высокопроизводительных эластомеров типичные крайние значения находятся в диапазоне от -40 градусов по Цельсию, что равно -40 градусам по Фаренгейту, до верхнего диапазона 200 градусов по Цельсию, что равно 392 градусам по Фаренгейту.
Химическая устойчивость
Испытывает вещество на предмет его устойчивости к воздействию масел, топлива, растворителей и других химикатов.
Выбирайте материалы, устойчивые к определенным химическим веществам, которые будут присутствовать в вашем производстве.
Сопротивление старения
Испытайте полимеры в неблагоприятных условиях, таких как ультрафиолетовое излучение, влажность, озон и т. д., чтобы определить долговечность характеристик с течением времени.
Выбирайте эластомеры, содержащие добавки, замедляющие старение, поскольку они прослужат дольше.
Сопротивление истиранию
Определяет степень, в которой материал может противостоять износу, вызванному силами трения.
При работе в условиях повышенного износа следует ожидать, что установщик будет использовать материалы, имеющие более высокий рейтинг износостойкости, чем средний показатель.
Плотность
Все это означает, что плотность материала, выраженная в г/см3, соответствующим образом влияет на общий вес изделия.
Резиноподобные материалы обычно имеют плотность от 0.9 г/см3 до 1.5 г/см3.
Все эти свойства должны быть рассмотрены, поскольку они диктуют, какие материалы лучше всего подойдут для данного применения, наилучший компромисс между производительностью и затратами, а также долговечность. Некоторые характеристики, такие как необычные формулы, могут потребовать подтверждения, отличного от технических описаний или лабораторных испытаний.
Учет факторов окружающей среды и химической стойкости
Чтобы обеспечить устойчивость и эффективность предмета, материалы, используемые в нескольких приложениях, должны быть тщательно проверены на предмет их экологических аспектов и их устойчивости к ряду летучих химикатов. Экологические аспекты включают УФ-излучение, чрезвычайно высокие или низкие температуры и влажность, которые, как известно, ухудшают материалы со временем. Химическая стойкость относится к способности материала не разрушаться после воздействия определенных химикатов, таких как кислоты, основания или даже растворители.
Подобные проблемы можно решить, моделируя соответствующие условия эксплуатации и тестируя материалы. Например, силиконовые эластомеры обладают высокой устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и изменению температуры, поэтому их можно использовать во многих наружных применениях. В других случаях такие материалы, как натуральный каучук, обладают низкой устойчивостью к определенным химикатам или прямому солнечному свету, поэтому они быстро разрушаются. Стандарты отраслевых испытаний, такие как ASTM D471 для химической проницаемости или составление диаграмм для совместимости материалов, могут помочь во много раз смягчить обоснованные решения.
Баланс стоимости и производительности при выборе материала
Выбор подходящего материала в рамках определенного бюджета и с наилучшим соотношением производительности и эксплуатационных потребностей влечет за собой оценку долгосрочных и краткосрочных требований, которые влекут за собой значительные затраты. В таком сценарии ключевые критерии выбора материала включают расходы на техническое обслуживание, функциональность и долговечность материала. Сокращение частоты замены, сокращение простоев в работе и превосходное соотношение производительности и затрат — все это возможности, связанные с эффективным выбором материала. Методы снижения затрат, такие как разработка анализа затрат и выгод и использование инженерных стандартов или данных производителя, помогают гарантировать, что логистические решения принимаются без ущерба для соотношения производительности и затрат.
Каковы последние инновации в области резиноподобных материалов?
Достижения в области материаловедения для эластомеров
Множество разработок в области эластомеров повысили производительность, расширив сферу возможных применений во многих отраслях. Термопластичные эластомеры (ТПЭ) являются одним из таких нововведений, обладающих свойствами как термопластика, так и эластомера. Они имеют гораздо больший потенциал для переработки и менее вредны для окружающей среды, чем другие материалы, поскольку их можно перерабатывать термопластично посредством литья под давлением или экструзии.
Более того, появление наполненных графеном эластомерных продуктов изменило мир материалов. Сочетание несравненной прочности, теплопроводности и химической стабильности графена повышает износостойкость и термическую стойкость эластомеров, делая их пригодными для использования в суровых условиях, таких как аэрокосмическая промышленность и высокопроизводительные шины. Например, графеновые композиты продемонстрировали, по сравнению с обычными эластомерами, увеличение прочности на разрыв на 200-300%.
Также есть интересные тенденции, сопровождающие появление эластомеров на биологической основе, поскольку исследователи начинают рассматривать экологически чистые альтернативы, получаемые из возобновляемого сырья. Способность биоразлагаемых эластомеров на биологической основе, содержащих натуральный каучук или растительные материалы, делает их пригодными для автомобильной и медицинской промышленности, что приводит к уменьшению углеродного следа.
Новые применения эластомеров, отвечающие современным требованиям промышленности к эффективности, устойчивости и высокой производительности в результате прогресса в производстве смазочных добавок, в частности 3D-печати эластомерных компонентов, действительно предоставляют обширные новые возможности проектирования. Процессы 3D-печати жидким силиконовым каучуком (LSR) выделяются среди остальных благодаря сложной геометрии, изготовлению компонентов высокой мощности для медицинских приборов, индивидуальных уплотнений или носимых технологий. Эти тенденции значительно раздвигают границы индустрии клея.
Инновационные и отзывчивые резиноподобные материалы
Материалы, которые в прошлом считались ненадежными, теперь продвигаются для использования в медицине. Эта новая технология поддерживается использованием резиноподобных частиц, которые реагируют на свет, электричество, тепло или магнитные поля. Такие материалы играют важную роль в здравоохранении и авиации, поскольку они очень универсальны.
Резиновые материалы, сформированные в самозапоминающие эластомеры или SME, способны расширять свои структуры из-за изменений температуры. Эти структуры могут использоваться в качестве стентов или катетеров, поскольку для их реструктуризации требуется незначительное усилие, и их можно легко контролировать. Помимо высокой скорости восстановления более 95%, их можно использовать повторно.
Электропроводящие полимерные эластомеры выделяются среди остальных. Это отличная альтернатива другим продуктам, поскольку они могут заменить части сенсорных экранов, датчиков и даже одежды. Используя углеродные нанотрубки или графен, поды в эластичных материалах, эти эластомеры могут растягиваться до 500 процентов, оставаясь проводящими при 10³ См/м, тем самым значительно увеличивая долговечность и эффективность электроники.
Эластомеры, которые являются как магнито-, так и электрочувствительными, демонстрируют универсальность, поскольку способны изменять свои механические свойства под воздействием магнитного или электрического поля. Например, магнитореологические эластомеры, MRE, демонстрируют потенциальное использование в качестве автомобильных и промышленных виброгасителей с использованием магнитного поля для изменения их динамического модуля до 60%.
Более того, разработки, касающиеся гидрогелевых стабилизированных эластомеров, создали новое господство в области биоинженерии и мягкой робототехники. Эти материалы специально разработаны с улучшенным удержанием влаги, большей механической прочностью во влажном и сухом состоянии и повышенной биосовместимостью с недавно разработанными гибридами гидрогеля и эластомера, способными достигать до 80% восстановления формы после деформации из-за высокой растягивающей нагрузки. Такая особенность в значительной степени дополняется их использованием в синтетических мышечных системах и мягких захватах, поскольку они требуют использования прочных, но гибких материалов.
В целом, новые и адаптивные резиноподобные материалы улучшают, а в некоторых случаях и кардинально меняют различные технологические процессы благодаря простоте использования и удовлетворению потребностей определенных областей техники и дизайна, при этом соблюдая требования экологической устойчивости.
Экологичные и безопасные эластомерные варианты
Устойчивые и зеленые эластомеры стремятся достичь баланса между производительностью и экологичностью. Био-эластомеры — это новая технология в этой области, которая фокусируется на использовании устойчивых материалов, таких как натуральный каучук и растительное масло. Такие материалы уменьшают зависимость от невозобновляемых источников и обычно имеют механические характеристики, аналогичные характеристикам других материалов. Кроме того, исследования технологий переработки эластомеров делают отходы пригодными для повторного использования, что снижает отходы материалов и гарантирует, что материалы перерабатываются экологически безопасным способом. Термопластичные эластомеры (ТПЭ) — еще один жизнеспособный и экологичный вариант, поскольку их можно многократно переделывать и изменять форму, в отличие от традиционных термореактивных эластомеров. Все эти методы, по сути, соответствуют глобальной цели линейного сокращения выбросов, траты ресурсов и производства материалов.
Часто задаваемые вопросы (FAQ):
В: Что такое эластомеры и чем они отличаются от других материалов?
A: Эластомеры, как правило, являются материалами, которые ведут себя как резина и обладают свойством деформироваться под действием нагрузки, а затем возвращаться к своей первоначальной форме после снятия нагрузки. Что отличает эластомеры от других веществ, так это их огромная способность быть эластичными, гибкими и долговечными. Кроме того, эластомеры состоят из длинных цепей полимеров, которые способствуют деформации и восстановлению, тем самым демонстрируя эластичность, подобную резине, и свойства мягких материалов.
В: Какие существуют типы эластомеров?
A: На сегодняшний день существует несколько хорошо документированных типов эластомеров; в верхней части списка находятся натуральные каучуки, также известные как латексы, за которыми следуют синтетические каучуки класса этиленпропиленового каучука, силиконовые каучуки, полиуретаны и термопластичные эластомеры. Каждый тип эластомера обладает различными характеристиками; следовательно, они могут использоваться в самых разных областях. К ним относятся детали автомобилей, медицинские приборы и широкий спектр потребительских товаров.
В: Каково влияние упругого удлинения на характеристики эластомеров?
A: Одной из ключевых характеристик эластомеров является то, что они обильны и могут растягиваться без разрыва; это свойство называется удлинением. Другой важной мерой любого эластомера является удлинение при разрыве, которое дает представление о гибкости и долговечности анализируемого полимера. Общая тенденция заключается в том, что полимеры с высокими коэффициентами удлинения способны выдерживать большую деформацию перед разрушением, что делает их идеальными для использования в приложениях, требующих чрезвычайной гибкости или повторяющегося растяжения.
В: Что такое вязкоупругость и каково ее значение для эластомеров?
A: Различные эластомеры проявляют вязкоупругость, которая объединяет их свойства в одну характеристику. Это означает, что эластомеры проявляют деформацию с течением времени при разрезании или напряжении, поскольку они являются вязкоупругими материалами. Реакция эластомеров как вязкоупругих материалов изменяет многие из их материальных параметров, таких как их модуль и вязкость, что, в свою очередь, влияет на то, как они ведут себя при различных условиях нагрузки.
В: Обсудите, как ведут себя эластомеры при воздействии различных стрессоров.
A: Если рассматривать эластомеры с точки зрения поведения материала, они демонстрируют различные характеристики и структурные реакции на различные напряжения, такие как сжимающее, растягивающее или сдвиговое напряжение. Это напряжение может привести к тому, что эластомеры будут сильно деформироваться без постоянного эффекта, поскольку их энергия поглощает их модуль (жесткость), плотность энергии деформации и способность рассеивать энергию. Кроме того, упругие свойства резиноподобных материалов сильно зависят от модуля сдвига.
В: Какие аспекты влияют на уровень твердости эластомеров?
A: Состав полимерной цепи, плотность сшивки и включенные полимеры влияют на эластомеры различными способами. Твердость эластомеров чаще всего измеряется по стандартизированным шкалам Шора А и Шора D, которые важны для эластомеров по многим причинам с точки зрения их использования в различных областях. Удлинение эластомеров обратно пропорционально твердости, т. е. тем сложнее становится изменить форму деформации, которую принимает эластомер.
В: Как эластомеры ведут себя на этапах создания прототипов изделий?
A: В частности, 3D-печать PolyJet позволяет производить детали, которые являются более или менее эластомерными, в соответствии с требованиями конкретного эластомерного компонента. Таким образом, дизайнеры и инженеры могут легко изменять свои проекты и создавать более функциональные прототипы, поскольку они могут создавать прототипы с эластомерами, которые ведут себя как конечные производственные эластомеры при использовании в проекте. Эти компоненты на основе эластомеров часто представляют собой детали, напечатанные на 3D-принтере, что помогает оптимизировать производство и способствует быстрому прототипированию.
В: Почему эластомеры должны быть химически стойкими?
A: Несколько эластомеров приложения имеют свойство быть устойчивыми к химикатам. Стоит отметить, что разные эластомеры, как правило, имеют разные уровни химической стойкости к растворителям, маслам и многим другим химикатам. Эта особенность влияет на общую долговечность материала и его применение. Например, некоторые растворители могут вызывать набухание некоторых эластомеров или потерю некоторых из их свойств. Напротив, другие не демонстрируют никакой разумной деградации и, следовательно, являются универсальными, поскольку допускают применение в химически агрессивных местах.
В: Каким образом эластомеры объясняют свои различные температуры?
A: Температура является важным фактором в поведении эластомеров. При понижении температуры большинство эластомеров испытывают затвердевание и относительную потерю пластичности, известные как стеклование, в то время как при более высоких температурах они имеют тенденцию к размягчению и, в некоторых случаях, размягчаются настолько, что разрушаются. Для других эластомеров рабочая температура варьируется, и для различных применений эта характеристика играет важную роль при выборе эластомеров, особенно для агрессивных сред.
В: Опишите реальные области применения эластомеров и расскажите о некоторых новых тенденциях в их разработке и применении.
A: Некоторые из новых тенденций в разработке эластомеров включают в себя создание интеллектуальных эластомеров, которые могут реагировать на внешние раздражители или давление, самовосстанавливающихся эластомеров, которые восстанавливают повреждения, и эластомеров на биологической основе, которые используют возобновляемые ресурсы. Также существует больший потенциал для эластомеров в мягкой робототехнике, носимой электронике и более продвинутых медицинских устройствах. Такие разработки действительно выходят за рамки новых возможностей с резиноподобными материалами в нескольких секторах.
Справочные источники
1. Большие изотропные упругие деформации: об общей модели для объединения теории и экспериментов на несжимаемых резиноподобных материалах
- Автор: Афшин Анссари-Бенам
- Журнал: Журнал эластичности
- Год публикации: 17 января 2023 г.
Ключевые результаты:
- Разрабатывается интегративная модель, которая может объединить экспериментальные данные с теоретическими прогнозами относительно несжимаемых резиноподобных материалов с особым акцентом на большие изотропные упругие деформации.
Методология:
- Автор построил модель, а затем проверил ее достоверность с помощью экспериментального моделирования, оценивая резиноподобные полимеры при различных режимах нагрузки (Анссари-Бенам, 2023, стр. 219–244.).
2. Модель упругого повреждения резиноподобного материала, учитывающая конечную деформацию: теория и реализация алгоритма
- Авторы: Чжэньцзян Ду и др.
- Журнал: Acta Mechanica Sinica
- Дата публикации: 1 марта 2023 г.
Ключевые результаты:
- В этой статье представлена новая модель для конечной деформации вязко-гиперупругого повреждения. Модель охватывает зависящее от времени поведение резиноподобных материалов и объясняет их механические характеристики при динамической нагрузке.
Методология:
- Авторы вывели модель из принципов термодинамики и применили ее численно для оценки поведения резиноподобных материалов, подвергаемых различным условиям деформации.Ду и др., 2023, стр. 1–8).
3. Псевдогиперупругая модель, которая учитывает эффекты скорости для изотропных резиноподобных материалов.
- Авторы: Афшин Анссари-Бенам, М. Хоссейн
- Журнал: Журнал механики и физики твердого тела
- Дата публикации: 1 июня 2023 г.
Ключевые результаты:
- В анализе представлена псевдогиперупругая модель, которая учитывает эффекты скорости и объясняет зависимость резиноподобных материалов от различных скоростей нагрузки.
Методология:
- Авторы разработали модель, используя эмпирические результаты, и провели моделирование, чтобы проверить ее применимость к резиноподобным материалам при различных скоростях деформации (Анссари-Бенам и Хоссейн, 2023).
