SILIKONIT JA TERMOELASTIT. Pentti Järvelä TkT, professori TTY Materiaalioppi Muovi- ja elastomeeritekniikka

Transkriptio

1 SILIKONIT JA TERMOELASTIT Pentti Järvelä TkT, professori TTY Materiaalioppi Muovi- ja elastomeeritekniikka

2 SILIKONIT 2

3 SISÄLLYS Silikonipolymeerit Matalan molekyylipainon silikonit Kontaminoituminen 3

4 SILIKONIPOLYMEERIT Silikoninesteet Nestemäinen silikoni, jonka rakenne on suoraketjuinen ja silloittumaton Aerosolit, vaahtoamisenestoaineet ym. Silikonikumit Rakenne on silloittunut Johtimien eristeet, elektroniikkakoteloiden silikonigeelit ym. Silikonihartsit Rakenne on voimakkaasti silloittunut Suojapunosten impregnointi, maalit ym. 4

5 SILIKONIPOLYMEERIT Hyvät eristeominaisuudet Laaja käyttölämpötila-alue Suuri vesihöyrynläpäisevyys ja vedenhylkivyys Poistaa kosteutta rakenteesta Estää veden tunkeutumisen rakenteeseen Silikonin rakenteen vähäinen vesimäärä vaikeuttaa kloridi-ionien kulkua suolasumualtistuksen aikana 5

6 MATALAN MOLEKYYLIPAINON SILIKONIT Silikonien rakenteeseen jää silloittumattomia matalan molekyylipainon silikoneja Haihtuvat silikonit (VMS = Volatile Methyl Silicones) Poistuvat ympäröivään ilmaan avoimesta tilasta Hermeettisissä olosuhteissa ja korotetuissa lämpötiloissa saattavat muodostaa eristävän SiO 2 kerroksen Nestemäisillä silikoneilla alhainen pintajännitys Leviävät helposti pintoja pitkin 6

7 MATALAN MOLEKYYLIPAINON SILIKONIT Silikonin huolellisella silloittamisella minimoidaan haihtuvien ja nestemäisten silikonien määrät Rakenteeseen jää kuitenkin aina pieniä määriä silikoninestettä ja haihtuvia matalan molekyylipainon silikoneja (0,5 3 %) Kehitetty vähäisen haihtuvuuden silikoneja (CV), joissa on vain hyvin pieniä määriä haihtuvia silikoneja (alle 0,001 %) 7

8 MATALAN MOLEKYYLIPAINON SILIKONIT Haihtuvilla silikoneilla monomeerien määrä on pienempi kuin 20 (n < 20) Lineaariset silikonit (L2 ) Sykliset silikonit (D3 ) L2 L3 L4 D3 D4 D5 8

9 MATALAN MOLEKYYLIPAINON SILIKONIT Matalan molekyylipainon silikonien haihtuminen riippuu lämpötilasta, VMS molekyylin rakenteesta ja molekyylipainosta Pienet molekyylit haihtuvat helpommin kuin suuret Sykliset molekyylit haihtuvat helpommin kuin lineaariset Nestemäisten silikonien migraatio (kuvassa) riippuu edellisten lisäksi pinnan laadusta Huokoisella pinnalla nestemäisten silikonien migraatio on nopeampaa 9

10 KONTAKTIPINTOJEN KONTAMINOITUMINEN Kontaminoituminen voi tapahtua nesteen tai haihtuvan silikonin vaikutuksesta Silikonineste kulkeutuu pintoja pitkin kontaktipinnoille Ei vaadi hermeettistä tilaa eikä korotettua lämpötilaa Haihtuvat silikonit hajoavat ja saattavat muodostaa eristävän kalvon kontaktipinnalle (SiO 2 ) Hermeettisesti suljettu tila Korotettu lämpötila Ongelmat releiden kontaktipinnoilla ja moottorien harjakoskettimissa Ongelmia myös mm. automaalaamoissa ja avaruusteollisuuden linssisysteemeissä 10

11 ONGELMIEN VÄLTTÄMINEN Silikonien ja herkkien pintojen suoran kontaktin välttäminen Oikeat materiaalivalinnat ja olosuhteiden huomioiminen Hermeettisissä olosuhteissa ja hyvin herkkien laitteiden kanssa vähäisen haihtuvuuden silikonien käyttö Avoimista tiloista matalan molekyylipainon silikonit leviävät nopeasti ympäristöön Kontaminoituminen epätodennäköisempää 11

12 TERMOELASTIT 12

13 MÄÄRITELMÄ Lämpömuovattava (sulatyöstettävä) elastomeeri, jonka ominaisuudet ovat muutoin kuten kumilla. Kumien kovalentteja silloitussidoksia vastaa termoelasteissa reversiibelit fysikaaliset sidokset. Käytetään myös muotoa termoplastinen elastomeeri (TPE). 13

14 RAKENNE Termoelasteista käytetään myös nimityksiä termoplastiset elastomeerit (thermoplastic elastomer, TPE). TPE on saanut nimensä siitä, että se on toistuvasti lämpömuokattavissa sopivassa lämpötilassa, mutta muotopysyvä käyttölämpötila-alueella. Tämä perustuu TPE:n rakenteeseen: molekyyliketjut muodostuvat pehmeästä kumisegmentistä ja jäykästä, termoplastisesta kestomuovisegmentistä. Lämmön vaikutuksesta TPE muuttuu sulaksi, jota voi muovata. Kestomuovisegmentit voivat joko muodostaa matriisin, jossa kumipartikkelit ovat dispergoituneena (joko silloitettuna tai silloittamattomina) tai ne voivat olla blokkikopolymeerien termoplastisena blokkina, joka on kemiallisesti sitoutunut elastomeeriblokkiin. Jäähdytyksen aikana nämä kestomuovisegmentit erkautuvat ja järjestäytyvät keskenään 14

15 TERMOPLASTISTEN ELASTOMEERIEN JAOITTELU Polyolefiinipohjaiset termoplastiset elastomeerit (TPE-O, TPO) Dynaamisesti vulkanoitujen elastomeerien ja termoplastien seokset (TPE-V, DVR) Styreenipohjaiset termoplastiset elastomeerit (TPE-S: SBC, SBS, SIS, SEBS, SEPS) Termoplastiset polyuretaanielastomeerit (TPE-U, TPU) Kopolyesteri-eetteri-termoelastit (TPE-E, COPE) Polyamidipohjaiset termoplastiset elastomeerit (TPE-A, COPA) Muut termoelastit 15

16 TPE-O TPE-V TPE TPE-S TPE-U TPE-E TPE-A Muut Reactor Physical blends Saturated Non-saturated Termoplastisten elastomeerien pääluokat 16

17 1 % 3 % SBC 6 % 15 % 49 % TPO TPV TPU COPE COPA 26 % Termoplastisten elastomeerien käyttösuhteet Euroopassa 17

18 POLYOLEFIINIPOHJAISET TERMOELASTIT (TPE-O) Rakenne yleensä olefiinipohjainen matriisi ja siihen seostettu tai reaktorissa polymeroitus EP-elastomeeri -pieni tiheys -hyvä prosessoitavuus -erinomainen säänkesto -edullinen Esimerkki käyttösovelluksesta auton puskurit 18

19 DYNAAMISESTI VULKANOIDUT TERMOELASTIT (TPE-V) TPV termoelasteja saadaan esim. sekoittamalla polyolefiineihin (PP, PE) tai polyamidiin sulatyöstössä hienojakoiseksi dispergoitavaa elastomeeria (EPDM, IIR,NR), joka silloitetaan sekoituksen loppuvaiheessa -hyvät mekaaniset ominaisuudet -hyvä liuottimien ja öljyjen kesto (riippuen kumista) -hyvä väsymiskestävyys -pitkäaikainen lämmönkesto perinteisiä kumeja parempi -lyhytaikaisten korkeiden lämpötilojen kesto perinteisiä kumeja huonompi 19

20 TPE-V termoelastin tyypillinen rakenne 20

21 STYREENIPOHJAISET TERMOELASTIT Ovat lohkokopolymeerjä, joissa kahta polystyreenilohkoa erottaa toisistaan polydieenilohko (butadieeni (B), isopreeni (I), eteenipropeeni (EP). SBS:ää ja SEBS:ää käytetään yleensä ruiskuvalussa -SBS lämmön ja kemikaalien kesto heikko -SEBS tyydyttyneen rakenteensa ansiosta parempi, mutta kalliimpi 21

22 Polystyreeni, MW Polybutadieeni, MW Polystyreeni, MW polystyreeni polystyreeni polystyreeni polystyreeni 100 nm TPE-S termoelastin SBS rakenne 22

23 TERMOPLASTISET POLYURETAANIELASTIT (TPE-U) Ensimmäisiä homogeenisia muovien tavoin prosessoitavia elastomeerejä -vetolujuus MPa -käyttölämpötila oC -kulutuskesto ja repimislujuus -kohtalainen hydrolyysinkesto -polaaristen nesteiden kesto -säänkesto ja pintaominaisuudet -materiaalien erinomainen räätälöitävyys 23

24 Termoelastisen uretaanin rakenne koostuu di-isosyanaatin ja ketjunjatkajadiolin muodostamasta kovasta segmentistä ja polyolin muodostamasta pehmeästä segmentistä 24

25 TERMOPLASTINEN POLYESTERIEETTERIELASTI (TPE-E) Ovat tyydyttyneitä kondensaatiopolymeerejä, jotka ovat (AB)n-tyypiä, eli rakenne koostuu vuorottelevista pehmeistä ja jäykistä segmenteistä. Pehmeinä on joko amorfinen polyeetteriketju tai polbuteenieetteriglykoli. Kovan segmentin muodostaa kiteytyvä aromaattinen polyesteri. -käyttölämpötila oC -hyvä lämmönkesto (kopolyesterieetterielastomeeri) -hyvä kemikaalien kesto, iskulujuus ja virumiskestävyys -suhteellisen alhainen murtolujuus -korkea hinta 25

26 Joustava polyeetterilohko Jäykkä polyesterilohko Polyesteri-eetteri-termoelastin rakenne 26

27 POLYAMIDIPOHJAISET TERMOELASTIT (TPE-A) Ominaisuuksiltaan parhaat termoelastit. Korkea hinta rajoittaa käyttöä. -vetolujuus MPa -venymät % -käyttölämpötila-alue oC -öljyn, rasvan ja polttoaineiden kestävyys -hydrolyysialttius veden läsnäollessa -valettavat lajikkeet (PA RIM) 27

28 MUITA TERMOELASTEJA Halogeeneja sisältävät materiaalit PVC:n ja nitriilikumin seokset Sulatyöstettävät kumit (MPR) 28

29 TPE-S TPE-V TPE-U TPE-E TPE-A Tiheys 0,9 1,1 0,89-1 1,1-1,3 1,1-1,3 1,1-1,2 Kovuus A/D 30A-75D 60A-75D 50A- 55D 40-72D 75-63D Alin käyttöl. ( C) Ylin käyttöl. ( C) 80, Jäännöspuristuma 100 C (SBS)P F/G(SEB S) P F/G F/G F/G Hiilivetyjen kesto F/E G/E F/E G/E G/E Hydrolyysin kesto G/E G/E F/G P/G F/G Hintaluokka /kg 1, ,5 4 5, Termoelastien ominaisuuksien vertailua 29