Виды и свойства полиуретана
Так, полиуретаны одного типа или группы твёрдости могут показаться очень похожими, но при рассмотрении подробных характеристик и уникальных свойств различия могут стать основой выбора или источником вдохновения. Даже самый продвинутый гик не запомнит всех свойств материала, а также не все, кому нужно сделать выбор обладают навыками инженера: здесь становится бесценной техническая документация и наше пособие по её чтению.
В этой статье мы рассмотрим основные типы полиуретанов, области их применения, ответим на вопросы: как выбрать материал и прочесть его технические данные, чтобы вы могли сделать правильный выбор.
Перед началом изучения свойств мы рекомендуем сформулировать ваш запрос и ответить для себя или при размещении заказа на следующие вопросы:
• Назначение детали
Условия работы и возможные механические воздействия. Требуются ли повышенные электрические свойства, ударная прочность, несущая способность или же деталь выполняет функцию амортизатора? То есть факторы, которые помогут уточнить набор требуемых характеристик.
• Устойчивость к факторам окружающей среды
Будет ли деталь подвергаться воздействию экстремальных температур, влажности, ультрафиолетового излучения или агрессивной химической среды?
• Ожидания
Точность изготовления, визуальные требования к качеству поверхности и цвету детали, а также другие требования в отношении срока службы, скорости производства и стоимости изделия.
Твёрдость
Под твёрдостью понимают показатель устойчивости пластика к деформации, вызванной механическим вдавливанием или истиранием. Полиуретаны можно разделить на две большие группы: жёсткие (пластик) и эластичные (резиноподобные), а также выделить силикон, как материал для получения очень мягких и эластичных отливок.
Классификация полиуретана по твёрдости определяется шкалой Шора или методом вдавливания, обычно применимым для полимеров, каучуков и продуктов их вулканизации.
Твёрдость по Шору обозначается в виде числового значения шкалы, к которому приписывается буква, указывающая тип шкалы и иногда метод измерения или прибор. Различают типы A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S и R. Все шкалы делятся от 0 до 100 условных единиц, при этом высокие значения соответствуют более твёрдым материалам. Для полиуретана или силикона применимы шкалы A и D.
Примеры обозначения:
Твёрдость по Шору 80D, Твёрдость по дюрометру 80D
Твёрдость по Шору 80 по шкале А, Твёрдость 80 ед. Шора D
Жёсткие полиуретаны
В спектре шкалы 60 — 90 единиц Шора D находятся полиуретановые смолы от жёстких до очень жёстких. Для представления, большинство материалов твёрдостью от 65 ед. в этом диапазоне покажутся абсолютно твёрдыми для руки человека и не будут иметь поверхностной гибкости. Напримиер, твёрдость защитной каски — 80 ед. Шора D
Жёсткие полиуретаны имитируют большинство материалов, используемых для литья под давлением, таких как ABS, PMMA, PS и PP. Основное применение — корпуса приборов бытовой техники, медицинского оборудования, детали автомобилей, оптически прозрачные компоненты.
Резиноподобные полиуретаны
Для эластомеров с твёрдостью в пределах шкалы 30 — 90 ед. Шора А характерна большая гибкость и низкий модуль упругости, другими словами — они эластичны, например ластик карандаша с твёрдостью 40 единиц. Такие полиуретаны имитируют свойства резин TPE, TPU и могут быть применимы для производства уплотнителей, чехлов приборов, заглушек, кабельных вводов и капсулирования.
Силиконы
Силиконы пересекаются с резиноподобными материалами в спектре 5 — 50 единиц Шора А, но чаще всего используются для создания деталей низкой твёрдости, но требующих повышенной эластичности и прочности на растяжение, а также для изготовления форм, с помощью которых отливаются детали конечного пользования. Силикон отлично зарекомендовал себя как материал кнопок, уплотнительных прокладок и колец, а также биосовместимых деталей медицинского назначения. Для представления твёрдости, жевательная резинка имеет показатель 10 ед. Шора А.
Свойства при растяжении
Не смотря на существующие типы полиуретана, есть основные свойства, которые требуют понимания для оптимального выбора материала.
В зависимости от вида нагрузок выделяют статическую, динамическую и усталостную прочность. При статических нагрузках производят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, при динамических — на ударную вязкость, на усталостную определяют способность образца выдерживать циклические нагрузки. Показателем прочности для возможности сопоставления материалов является предел прочности — максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения.
Статическое растяжение — один из наиболее распространенных видов испытаний для определения механических свойства материала, которые наиболее часто содержат технические документации, поэтому мы уделим внимание ему.
При испытании на растяжение образец специальной формы помещается в установку с гидравлическим прессом, где к нему, закрепленному с двух концов, прикладывают продольную силу пока не наступит разрушение, таким образом определяют диаграмму прочности и следующие показатели.
• Предел пропорциональности (Proportional limit), МПа (МPa)
Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука: деформация, возникающая в упругом теле, пропорциональна приложенной к этому телу силе.
• Предел упругости на растяжение (Elastic limit), МПа (МPa)
Напряжение, после снятия которого, в теле не возникает остаточных деформаций - форма образца сохраняется.
• Предел текучести на растяжение (Yield Strength), МПа (МPa)
Максимальная нагрузка, которую выдерживает материал до окончательного разрушения: начинают происходить необратимые изменения, появляются значительные пластические деформации.
• Предел прочности на растяжение (Maximal/Ultimate tensile strength), МПа (МPa)
Критическая точка напряжения или такая нагрузка, превышение которой приведёт к разрушению тела.
• Модуль упругости при растяжении (Tensile modulus of elasticity/Youngs Modulus), Па (Pa)
Дополнительно можно определить физическую величину, характеризующую способность материала к растяжению, сжатию при упругой деформации - модуль Юнга. Исследуя этот показатель можно понять отношение напряжения к линейной деформации - как будет вести себя тело на участке диаграммы от предела текучести до предела прочности.
Материал с более крутым уклоном графика - например, ABS, будет жёстче, чем материал с более пологим – TPU.
• Относительное удлинение при разрыве (Elongation at maximal tensile strength), %
Важный показатель, особенно если речь идет об эластичных материалах, который показывает на сколько удлинилось тело - какую часть от первоначальной длины составляет удлинение в процентах.
Свойства изгиба
Свойства изгиба близки к свойствам при растяжении, и для многих изотропных материалов (с постоянными физико-механическими свойствами во всех направлениях), таких как сталь, они будут равны.
Для пластика же характерна неравномерность свойств в связи с поверхностным упрочнением, поэтому для обеспечения точности проводят дополнительное испытание на изгиб: образец помещается на две опоры с грузом приложенным по центру, с помощью чего определяют показатели аналогичные растяжению:
• Предел прочности при изгибе (Maximal/Ultimate flexural strength), МПа (МPa)
• Модуль упругости при изгибе (Flexural modulus of elasticity), Па (Pa)
Ударные свойства
Тест на ударную вязкость — способность тела поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения, достаточно прост: образец закрепляется в зажиме под тяжёлым маятниковым рычагом, рычаг поднимается и при падении маятник ударяет по образцу.
Испытания проводятся на образцах с надрезом или без надреза. Тест с надрезом является более реалистичным индикатором ударной вязкости, когда на поверхности продукта могут быть дефекты (iPhone бросают в карман с ключами), в то время как тест без надрезов лучше подходит для ситуаций, когда материал будет работать в менее агрессивной среде.
В любом случае, ударные свойства пластика важны, когда мы хотим иметь представление о прочности в заданных условиях. Возьмём два обычных прозрачных пластика: поликарбонат и акрил. Оба они имеют одинаковую прочность на разрыв (около 40 МПа), но поликарбонат выдерживает до 40 раз большую ударную нагрузку. Акрил же обеспечивает лучшую прозрачность.
По месту приложения нагрузки в момент испытания различают:
• Ударная вязкость по Шарпи (Сharpy impact strength), кДж/м2 (kJ/m2)
• Ударная вязкость Изоду (Izod impact strength), кДж/м2 (kJ/m2)
Тепловые свойства
Аналогично тому, что материал не выдержит нагрузку или силу удара, стоит беспокоиться о воздействии окружающей среды на деталь, а именно нагрева или чрезмерного охлаждения.
Ожидаемое поведение пластика при повышенных температурах — размягчение, поэтому в разделе тепловых свойств технических характеристик вы найдёте:
• Температура изгиба под нагрузкой или деформационная теплостойкость (Deflection temperature), ℃
Покажет при какой температуре пластмассовый образец будет изгибаться на стандартное значение под воздействием нагрузки. Найдите максимальную температуру, при которой будет работать ваша конструкция, а затем убедитесь, что она в рамках значений термостойкости.
• Температура стеклования (Glass transition temperature),℃
Температура, при которой полимер охлаждаясь переходит из высокоэластического или вязкотекучего в стеклообразное состояние. Важная эксплуатационная характеристика полимерного материала, соответствующая верхней температурной границе теплостойкости пластмасс и нижней границе морозостойкости каучуков и резин.
Специальные свойства
В дополнительной документации на материал вы можете найти:
• Сертификат безопасности FDA (Food and Drug Administration)
Материал нетоксичен и безопасен для прямого контакта с пищевыми продуктами.
• Паспорт безопасности MSDS (Material Safety Data Sheet)
Информация о безопасности и мерах осторожности при работе с материалом.
• Показатель огнестойкости
Результаты испытаний на устойчивость к горению, обычно проводимые в соответствии со стандартом UL-94, определяющим классификацию пластмасс по огнестойкости от медленного горения до самозатухания в течение 60 секунд.
Электрические характеристики
Электрическое сопротивление – свойство материала сопротивляться прохождению электрического тока. В зависимости от области сопротивления различают:
• Поверхностное сопротивление (Surface resistivity), Ом (Ohm)
• Объёмное сопротивление (Volume resistivity), Ом·метр (Ohm metre)
Узнайте больше о литье полиуретанов:
Доступные материалы
Что такое литьё полиуретана
Рекомендации по проектированию
Литьё полиуретана против литья под давлением