הרכב החומרי וההבדלים המבניים בין שסתומים מסיליקון לבין שסתומים מ каучוק
מבנה כימי: השרשרת הראשית Si-O של הסיליקון לעומת каучוקים סינתטיים מבוססי פחמן
לחומרי סיליקון יש את הגב האורגאני הסיליקון-חמצני המיוחד הזה שנותן להם יציבות תרמית מדהימה ועושה אותם עמידים במיוחד מול חמצון. כשמשווים זאת לשרשראות הפחמן-פחמן הנמצאות בגומי סינתטי כמו EPDM או גומי ניטריל, ההבדל ברור. הטבע האורגאני של הסיליקון מאפשר לו להישאר גמיש גם כאשר הטמפרטורות משתנות מקיצוניות קרות של מינוס 55 מעלות צלזיוס ועד ל-230 מעלות צלזיוס לוהטות. לעומת זאת, לגומיי פחמן יש צורך בתהליך שנקרא וולקנייזציה כדי ליצב את מבנה הפולימר שלהם. לרוע המזל, זה אומר שהם נוטים להתפרק מהר יותר כשהם נחשפים לטמפרטורות גבוהות או לשמש לאורך זמן.
תוספי מפתח: תפקידם של ממלאים, סוכני ריפוי ופלסטיקייזר
| רכיב | リングים סיליקוניים | חבילות אטימה מגומי סינתטי |
|---|---|---|
| ממלאים | סיליקה (משפרת עמידות לקרע) | פחמן שחר (משפר עמידות) |
| מתקני תקן | פֶּרְאוֹקְסִידִים (יוצרים קשרים עמידים לחום) | גופרית (יוצרת קשרים צלבניים בטמפרטורות נמוכות) |
| חומרי ריכוך | נדרשים לעיתים נדירות בזכות היכולת הגמישה vốn בה | שומנים מבוססי נפט (מונעים שבירות) |
לנוסחאות סיליקון יש בדרך כלל צורך במיעוט התוספים כדי להשיג ביצועים יעד, מה שמצמצם את הסיכון לדיטוריאציה ארוכת טווח עקב ניגרור או פירוק של חומרי רכות.
גמישות ועמידות של פולימרים: איך המבנה המולקולרי משפיע על התנהגות החתך
קשרי סיליקון-חמצן מכילים בערך 50 אחוז יותר אנרגיה מאשר קשרי פחמן-פחמן, וזה מסביר למה סיליקון חוזר כל כך טוב למקומו לאחר דחיסה. גם מבחנים לפי תקני ASTM D395 מראים הבדלים מעניינים. גומי ניטריל נוטה לאבד בין 15 ל-25% מהיכולת שלו להאטים כראוי לאחר דחיסה, בעוד שסיליקון שומר על רוב צורתו. גם לאחר שהייה תחת לחץ של 10,000 שעות רצופות בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס, לסיליקון יש רק כ-10% 'התקדמות דחיסה' (compression set). עמידות מסוג זה היא בדיוק מה שנדרש מהמהנדסים בעת עיצוב חלקים שעליהם לעמוד בשינויי טמפרטורה מתמשכים או עומסי מכונות כבדים לאורך זמן.
עמידות לטמפרטורה: אטם סיליקון לעומת חלופות גומי רגילות
ביצועים בטמפרטורות גבוהות: יציבות של סיליקון עד 230°C לעומת EPDM וניטריל
אטמים מסיליקון יכולים לעמוד בחום קיצוני למדי, ולשמור על שלמותם גם כאשר הטמפרטורה מגיעה לכ-230 מעלות צלזיוס. זה בערך פי שניים מהשבר שבו חומרי EPDM מתחילים להתפרק, שמתפצלים סביב 150 מעלות צלזיוס, ופי שלושה טוב יותר מאופציות הגומי הניטריל הסטנדרטיות. הסיבה להero העמידות החום המרשימה נמצאת במבנה הכימי של הסיליקון עצמו. הגביש של קשרי סיליקון-חמצן אינו נשבר כמו חומרים אחרים כאשר הם נחשפים לחום גבוה לאורך זמן. דוגמה מעשית לכך היא שסתומים של אדים. בעוד אטמים מ-EPDM נוטים להתחיל להתפרק אחרי כמה חודשים בלבד בתנאים קיצוניים אלו, סיליקון שומר על צורתו ועל תכונות הביצועים שלו, כאשר ערכי הדחיסה נותרים מתחת ל-15% לאורך פרקי חיים דומים.
גמישות בטמפרטורות נמוכות: סיליקון לעומת ניטריל ונאופרן בסביבות קרות
סיליקון נשאר גמיש למדי גם בטמפרטורות קרירות מאוד כמו 50-°C, ומשמר כ-85% מהגמישות הרגילה שלו. זה הרבה יותר טוב מאשר ניטריל או נאופרן, שמאבדים גמישות וначeen מתייצבים כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת ל-30-°C. היכולת להישאר גמישה חשובה מאוד לצורך שימושים כמו חותמים במקפיאים או בצינורות שמן ענקיים באזור הקוטב הצפוני, שם חומרים רגילים פשוט מת cracking ומתקלפים. ראינו את התופעה הזו גם במתקני LNG אמיתיים. מבחנים שם גילו שחתימות סיליקון יכולות לשרוד בערך פי עשרה יותר מאשר חתימות נאופרן, כשמדובר בקור קיצוני של 162-°C. לכן הגיוני שכיום כל כך הרבה תעשיות עוברות לשימוש בסיליקון.
הידרדרות תרמית וגבולות שירות ארוכי טווח בתנאי תעשייה
חומר גומי העשוי מפחמן נוטה להתפרק מהר יותר כאשר הוא מתנגד לשינויי טמפרטורה חוזרים. קחו לדוגמה את EPDM, שמפסיד כ-40% מכוח המשיכה שלו לאחר שהייה של 1,000 שעות רצופות ב-135 מעלות צלזיוס. סיליקון, לעומת זאת, שומר על ביצועים הרבה טובים יותר ומציג פחות מ-10% דעיכה גם לאחר חימום ל-200 מעלות צלזיוס לאותו זמן. מבחני שטח מראים שזוהי ההבדלה המכריעה בסביבות קשות כמו מערכות פליטת טורבינות, בהן הטמפרטורות עלולות לקפוץ באופן עקיף. חלקים מסיליקון עמידים יותר מ-15 שנה בתנאים אלו, ולעיתים מגיעים ל-260 מעלות צלזיוס מבלי להיכשל. כלומר, לא צריך יותר להחליף איטמים כל שלושה חודשים, כפי שקורה עם גומי ניטרייל סטנדרטי, שלא מסוגל לעמוד בפני החום לאורך זמן.
עמידות כימית, בקרינת UV ובאוזון של חומרי איטום מסיליקון ורובה
עמידות בפני שמנים, ממסים וחומצות: סיליקון לעומת ניטרייל, נאופרן ו-EPDM
סיליקון עמיד למדי בחומרים לא קוטביים כמו ממסים ואלכוהולים, אם כי יש לו נטייה להתרחב upon חשיפה להידראקרבונים. גומי ניטריל מתאים יותר למקרים שבהם יש הרבה שמן ודלק. EPDM עובד מצוין עם חומרים קוטביים כולל חומצות וقلיאים, אך אינו מתפקד טוב כאשר בא במגע עם נוזלים מבוססי נפט. קחו סיליקון למשל, הוא שומר על כ-90% מכוח המשיכה שלו גם לאחר שהייה בתמיסת ASTM #3 במשך 1,000 שעות. לעומת זאת, ניטריל מאבד כ-40% מקפיצותו באותם תנאים, לפי נתונים מדוח התאימות של חומרים שפורסם בשנה שעברה. מידע מסוג זה עוזר למהנדסים לבחור את החומר המתאים ליישומים מסוימים.
התנפחות, התיישנות עקב לחיצה, והרס כימי לאורך זמן
המבנה המשולב של הסיליקון מגביל את ההתנפחויות לפחות מ-5% בהגדלת נפח בתווכים אגרסיביים, ובכך עולה על ניאופרן (15–20%) ועל EPDM (10–12%). לאורך מחזורי תעשייה של חמש שנים, שומר הסיליקון על פחות מ-10% שקיעות דחיסה, לעומת 25–35% באפשרויות הגומי האחרות, ומכך מקטין את תדירות החיזוק מחדש של החותמים בחצי (מחקר עמידות החתימות, 2022).
יציבות מול קרינת UV ומול אוזון: התנגדות פנימית של סיליקון לעומת עמידות חיצונית של EPDM
סיליקון מתנגד באופן טבעי לקרינת UV ולאוזון, ללא צורך במוספים יציבים, ושומר על גמישותו לאחר 10,000 שעות בבדיקות ירידה מאיצה. EPDM מגיע לעמידות חיצונית באמצעות תוספי פיח פחמן, אך הופך שבריר בטמפרטורות נמוכות. בהתקנות חופיות, מפגין הסיליקון סדקים מינימליים על פני השטח (<0.5 מ"מ) לאחר שלוש שנים, בהשוואה ל-2–3 מ"מ בניאופרן שאינו מוגן.
ביצועים בשטח בתחומים אוטומotive, מיזוג אויר ומערכות חיצוניות
- רכב : סיליקון מועדף במערכות שימור אדי דלק בגלל עמידות בגז חמצן; ניטריל נשאר הסטנדרט במגע ישיר עם שמן
- HVAC : EPDM מאוזן בין עלות ועמידות בגז חמצן למסילות אוורור וליחידות על הגג
- חיצוני : החותמים מסיליקון בתיבות החיבורים של פנלים סולריים עמידים יותר מ-15 שנה ללא התדרדרות всלול UV, ומקטינים את עלויות התפעול ב-30% לעומת אפשרויות גומי
תכונות מכניות ועמידות ארוכת טווח של חותמי סיליקון
прочность מתיחה, עמידות לקרע ואלסטיות תחת עומסי דינמיקה
リングטונים סיליקון מציגים בדרך כלל חוזק מתיחה בין 4 ל-12 מ"פ, ובנוסף יכולים להימתח עד 90-100% לפני קריעה. תכונות אלו משמעותן שהם מתפקדים היטב גם תחת תנועה או לחץ מתמיד. החומר מתאים בצורה מעולה ליצירת חיבורים צמודים בציוד שמתנדנד במידה רבה, כמו משאבות ומכונות תעשייתיות אחרות. לפי מבחני ASTM D412, סיליקון שומר על כ-85% מהגמישות שלו גם בטמפרטורות קפיאה של עד 40- מעלות צלזיוס. זהו ביצוע טוב בהרבה בהשוואה לחלופות כמו גומי ניטריל או EPDM, שנטים להתקשח ולפסיד ביעילות כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת ל-20- מעלות צלזיוס.
Set דחיסה ושחזור: ביצועים לאחר לחץ ממושך
סיליקון מציג עמידות טובה יותר לאחר שהושאר תחת לחץ למשך 500 שעות ב-150 מעלות צלזיוס, עם כיווץ של רק כ-15 עד 25 אחוז. זהו שיפור משמעותי לעומת EPDM, שמתקפל בדרך כלל בכ-30 עד 50 אחוז. במערכות פלנזה המיועדות להחזיק לאורך שנים רבות, היכולת לשחזר את הצורה גורמת להבדל מהותי. המאפיין הבולט במיוחד הוא כיצד המבנה המשולב של הסיליקון מתנגד לשינויים קבועים בצורתו גם כאשר נחשף לטמפרטורות קיצוניות, בין מינוס 60 ל-230 מעלות צלזיוס. עובדה זו אומתה באמצעות תקנים כמו ASTM D395, ונותנת למפתחים ביטחון בביצועים ארוכי הטווח שלו בתנאים קשים.
עמידות תחת מתח מכני וסביבתי משולב
בדיקות שדה שבהן חומרים נחשפים לאור UV, כימיקלים ולחצים חוזרים מציגות כי הסיליקון שומר על כ-90% מכוח החתימה המקורי שלו גם לאחר חמש שנים ארוכות בחוץ. המצב שונה מאוד بالنسبة לניופרן. כאשר הוא עובר תנאים דומים מהעולם האמיתי, הוא מתחיל להתפרק די במהרה, ואיבד כ-40% מיעילותו תוך שתי שנים בלבד, שכן האוזון גורם לפיצוצים annoying על פני השטח לאורך זמן. בהתאם לממצאים אלו, רבים מהמהנדסים מעדיפים כיום סיליקון לצורך שימושים כמו מנפת נפט ימית, התקנת פאנלים סולריים ומתקנים כימיים תעשייתיים, שבהם החומרים נחשפים להשפעות לחץ מרובות בעת ובעונה אחת. זה הגיוני כשחושבים על הביצועים הטובים שלו בהשוואה לחלופות.
מדריך בחר לפי יישום לסגסוגות סיליקון ו caoutchouc
יישומים רפואיים ומזון: למה הסיליקון שולט בתחום הבטיחות וההסכמה
כשמדובר בהתקנים רפואיים וציוד לעיבוד מזון, סיליקון בולט כחומר המועדף כי הוא בטוח ועומד בדרישות החשובות של ה-FDA וה-NSF. מה שמייחד את הסיליקון לעומת חומרים כמו EPDM או ניטריל? הוא אינו מאפשר למיקרואורגניזמים להצטבר בו, ומסוגל לעמוד בסטריליזציה חוזרת ונשנית גם בטמפרטורות של כ-135 מעלות צלזיוס (בערך 275 פרנהייט) מבלי להתפרק. אבל התכונה הכי חשובה היא היציבות הגבוהה של הסיליקון. הוא לא משחרר כל חומרים רעילים אל מה שהוא בא במגע, וזה מסביר מדוע אנו מוצאים אותו בכל מקום – ממערכות הזרקה בבתי חולים ועד לסתמים במפעלי חלב. בתעשיות שבהן זיהום אינו אפשרי בכלל, תכונה זו של סיליקון הופכת לנחוצה ביותר.
רכב ותעשיית HVAC: איזון בין עלות, טמפרטורה וחשיפה לכימיקלים
כשמדובר במערכות רכב ו climatization, בחירת החומר באמת תלויה במה שהחלק צריך לעשות יום אחרי יום וכמה זמן הוא אמור לשרת. גומי ניטריל מתאים отлично לחיבורים של קווי דלק מכיוון שהוא עמיד היטב בפני שמנים, אך כאשר הולך חם במנוע עם טמפרטורות שמשתנות מ-50 מעלות צלזיוס מתחת לאפס ועד 200 מעלות צלזיוס, סיליקון פשוט עושה עבודה טובה יותר. רוב האנשים משתמשים ב-EPDM ליישומים של מגדלי קירור חיצוניים מכיוון שהוא עמיד בגשמים, בשמש ובכל דבר אחר שמטריד את הטבע. אך כשמדובר במחליפות חום שעולות באופן קבוע מעל 150 מעלות צלזיוס, סיליקון הופך להיות האפשרות העדיפה. לפי מחקר שפורסם בשנה שעברה, לאחר חשיפה ממושכת לחום המנוע, שמר הסיליקון על כ-92% מתכונות הכיווץ שלו, בעוד שניטריל שמר רק על כ-78%. כלומר, פחות החלפות ופחות עצירות למשאיות ואחרי כלי רכב כבדים לאורך זמן.
מסגרת החלטה: מתי לבחור אטם סיליקון לעומת EPDM, ניטריל או נאופרן
| גורם | יתרון הסיליקון | חלופות גומי |
|---|---|---|
| טווח טמפרטורה | -60°C עד +230°C | EPDM/ניטריל: -40°C עד 150°C |
| חשיפה לקימיקלים | חומצות, בסיסים, UV/אוזון | ניטריל לשומנים, EPDM למזג אוויר |
| דרישות תאימות | FDA/NSF/דרגת רפואית | תעודות מוגבלות |
| יעילות עלויות | עלות ראשונית גבוהה יותר, עלות מחזור חיים נמוכה יותר | עלות ראשונית נמוכה יותר, מחזור חיים קצר יותר |
בחרו סיליקון לטמפרטורות קיצוניות, דרישות סטריליזציה או חשיפה חזקה לUV. בחרו EPDM לחיבורים חיצוניים זולים ו-nitrile למערכות מבוססות נפט שבהן העלות הראשונית היא הדאגה העיקרית.
שאלות נפוצות
מה ההבדלים העיקריים בין אטמים מסיליקון לבין אטמים מ каучוק במונחים של מבנה כימי?
לאטמים מסיליקון יש שדרה של סיליקון-חמצן, מה שמאפשר יציבות תרמית מצוינת, בעוד שאטמים מ каучוק כמו EPDM או nitrile מורכבים בעיקר משרשראות פחמן-פחמן שצריכות גידול כדי להשיג יציבות, והן עלולות להידרס במהירות רבה יותר בחום ובאור שמש.
למה נחשבים אטמים מסיליקון למתאימים יותר ליישומים בטמפרטורות גבוהות?
אטמים מסיליקון יכולים לשאת טמפרטורות גבוהות עד 230°C הודות לשדרה החזקה של סיליקון-חמצן, בעוד חומרים כמו EPDM ו-nitrile מתפרקים בטמפרטורות נמוכות יותר, סביב 150°C ומטה.
איך משווים את אטמי הסיליקון והكاучוק במונחים של עמידות frente לאור UV ולאווזון?
סיליקון עמיד באופן טבעי בקרינת UV ובאוזון ולא מצריך מוספי יציבות, ושומר על גמישותו גם לאחר חשיפה ממושכת. לעומת זאת, רובה כמו EPDM צריכה תוספי פיח-פחם לצורך עמידות בחוץ, אך עלולה להפוך לקשה תחת לחץ UV ללא הגנה.
