Zrozumienie twardości Shore'a: Przewodnik po formowaniu wtryskowym silikonu i TPE

We współczesnym krajobrazie projektowania i produkcji produktów, interfejs między użytkownikiem a maszyną przekroczył zwykłą funkcjonalność, stając się elementem definiującym tożsamość marki i doświadczenie użytkownika. Ewolucja ta jest najbardziej widoczna w powszechnym stosowaniu powierzchni „miękkich w dotyku” – ergonomicznych, dotykowych interfejsów, które komunikują jakość, bezpieczeństwo i komfort. W sercu tej rewolucji produkcyjnej leży proces formowania wtryskowego, wyrafinowana technika formowania wtryskowego, w której miękki materiał elastomerowy jest chemicznie lub mechanicznie wiązany ze sztywnym podłożem. Niezależnie od tego, czy jest to amortyzujący wibracje uchwyt elektronarzędzia, biokompatybilne uszczelnienie urządzenia medycznego, czy wodoodporna uszczelka elektroniki użytkowej, sukces tych komponentów zależy od precyzyjnego zrozumienia twardości materiału.

Dla producentów i inżynierów, zwłaszcza tych, którzy wykorzystują możliwości liderów branżowych, takich jak HYM Plastic, metryka „twardości Shore'a” służy jako wspólny język, tłumaczący subiektywne pragnienia dotykowe na obiektywne specyfikacje inżynieryjne.¹ Jednak twardość Shore'a to znacznie więcej niż tylko prosta liczba umieszczona na karcie danych materiału; jest to złożona właściwość lepkosprężysta, która dyktuje parametry przetwarzania, odporność na zużycie, skuteczność uszczelniania i podstawową mechanikę adhezji.

Niniejszy kompleksowy raport zawiera wyczerpującą analizę twardości Shore'a w kontekście formowaniu wtryskowym gumy i formowania silikonu. Opierając się na kompetencjach technicznych zakładu produkcyjnego HYM Plastic w Xiamen – który specjalizuje się w precyzyjnym formowaniu wielomateriałowym – przeanalizujemy fizykę wgłębienia, różnice reologiczne między elastomerami termoplastycznymi (TPE) i ciekłym kauczukiem silikonowym (LSR) oraz zawiłe wytyczne projektowe wymagane do uzyskania solidnych, wolnych od rozwarstwiania wiązań. Syntetyzując teoretyczną naukę o polimerach z praktycznymi realiami warsztatowymi, niniejszy przewodnik ma na celu umożliwienie inżynierom optymalizacji projektów pod kątem wytwarzalności, zapewniając, że produkt końcowy spełnia rygorystyczne wymagania zastosowań motoryzacyjnych, medycznych i przemysłowych.

Aby skutecznie wykorzystać twardość Shore'a TPE w projektowaniu, należy najpierw zrozumieć podstawową fizykę definiowania i pomiaru twardości w materiałach polimerowych. W przeciwieństwie do metali, gdzie twardość jest często statycznym predyktorem wytrzymałości na rozciąganie i odporności na zarysowania, twardość elastomerów jest dynamiczną, zależną od czasu reakcją na przyłożone naprężenie.

Polimery, w tym TPE i silikony stosowane w formowania miękkiego w dotyku, wykazują zachowanie lepkosprężyste. Oznacza to, że posiadają cechy zarówno cieczy lepkich, jak i ciał stałych sprężystych. Kiedy siła jest przykładana do elastomeru, łańcuchy polimerowe rozwijają się i rozciągają (reakcja sprężysta), ale także przesuwają się względem siebie (przepływ lepki). Ta dwoistość tworzy zjawisko znane jako „pełzanie” lub relaksacja naprężeń.

Kiedy wgłębnik durometru jest wciśnięty w próbkę gumy, materiał początkowo stawia opór z określoną siłą. Jeśli jednak siła jest utrzymywana, łańcuchy polimerowe powoli reorganizują się, aby dostosować się do naprężenia, powodując obniżanie się odczytu w czasie. Dlatego normy ASTM D2240 i ISO 868 określają precyzyjne czasy przebywania dla odczytów.³ Odczyt wykonany natychmiast może wynosić „Shore 60A”, podczas gdy odczyt wykonany po 15-sekundowym czasie przebywania może spaść do „Shore 55A”. Dla inżynierów określających materiały do zastosowań uszczelniających, zrozumienie tej relaksacji ma kluczowe znaczenie; uszczelka, która zbytnio się rozluźnia w czasie, straci swoje ściśliwe osadzenie i nie zapobiegnie wnikaniu płynu.

Szerokie spektrum sztywności polimerów – od żelatynowej miękkości wkładki do buta po strukturalną sztywność twardego kapelusza – nie może być dokładnie zmierzone za pomocą jednej skali. System twardości Shore'a wykorzystuje zatem wiele skal, z których każda wykorzystuje określoną geometrię wgłębnika i siłę sprężyny, aby celować w odrębny zakres materiałów.

Skala Shore A jest koniem roboczym w branży formowaniu wtryskowym gumy. Jest przeznaczona do pomiaru miękkich do półsztywnych elastomerów, obejmując zdecydowaną większość zastosowań TPE i formowania silikonu.⁵

• Geometria wgłębnika: Durometr Shore A wykorzystuje ścięty stożek o kącie 35° i płaskiej średnicy końcówki 0,79 mm.³ Ta tępa końcówka zapobiega przebijaniu miękkich materiałów przez wgłębnik, umożliwiając pomiar odporności na odkształcenia ściskające, a nie odporności na przebicie.

• Siła sprężyny: Urządzenie przykłada siłę około 8,06 niutonów (822 g).⁵

• Zakres zastosowania: Ta skala jest odpowiednia dla materiałów od miękkich gumek (Shore 20A) po bieżniki opon samochodowych (Shore 60A) i twarde kółka do deskorolki (Shore 90A).⁷ W kontekście produkcji HYM Plastic, Shore A jest podstawową metryką do określania miękkich w dotyku uchwytów na urządzeniach przenośnych i elastycznych uszczelnień w zespołach medycznych.⁹

W miarę jak materiały stają się twardsze, tępy wgłębnik Shore A nie penetruje wystarczająco, aby zapewnić czytelną rozdzielczość. Skala Shore D jest wprowadzana dla tych twardszych, półsztywnych do sztywnych tworzyw sztucznych, takich jak podłoża z polipropylenu (PP) lub ABS, często używane jako warstwa podstawowa w formowaniu.⁵

• Geometria wgłębnika: Wgłębnik Shore D to ostry punkt, stożek 30° o czysto sferycznym promieniu końcówki zaledwie 0,1 mm.³ Ta ostrość pozwala na skoncentrowanie naprężeń i penetrację sztywnych termoplastów.

• Siła sprężyny: Aby pokonać moduł sztywnych tworzyw sztucznych, durometr Shore D przykłada znacznie większą siłę około 44,5 niutonów (4536 g).⁵

• Zakres zastosowania: Ta skala mierzy tworzywa konstrukcyjne, takie jak twarde kapelusze, rury PCV i sztywne obudowy urządzeń elektronicznych.¹¹ Podczas gdy skóra formowana wtryskowo jest zwykle Shore A, podłoże jest prawie zawsze Shore D, a interakcja między tymi dwiema odrębnymi twardościami jest miejscem, w którym leży wyzwanie inżynieryjne.

Na przeciwnym końcu spektrum znajdują się ultramiękkie żele, pianki i gumy komórkowe. Materiały te są tak podatne, że siła sprężyny durometru Shore A całkowicie je ściśnie, dając bezużyteczny odczyt „0”. Skala Shore OO wykorzystuje sferyczny wgłębnik i bardzo niską siłę sprężyny (~1,11 N) do pomiaru tych delikatnych materiałów.¹¹ Chociaż mniej powszechne w formowaniu konstrukcyjnym, materiały Shore OO są sporadycznie używane w specjalistycznych zastosowaniach amortyzacyjnych, gdzie amortyzacja wstrząsów jest podstawową funkcją.

Częstym źródłem zamieszania przy wyborze materiału jest nakładanie się skal. Skale nie są ciągłe; raczej reprezentują różne badania naprężenie-odkształcenie materiału. Materiał, który rejestruje się jako Shore 95A, zasadniczo mierzy tę samą twardość, co materiał rejestrujący Shore 45D.¹¹

Jednak poleganie na wykresach konwersji może być niebezpieczne w przypadku krytycznych zastosowań. Ostry wgłębnik Shore D indukuje odkształcenie plastyczne i wysokie naprężenia miejscowe, podczas gdy tępy wgłębnik Shore A indukuje sprężyste ściskanie. W przypadku precyzyjnej specyfikacji inżynieryjnej, szczególnie w przypadku spełniania wysokich wymagań precyzji klientów takich jak HYM Plastic, skala musi być wyraźnie określona. Niewystarczające jest stwierdzenie „Twardość 50”; należy określić „Shore 50A” lub „Shore 50D”, aby uniknąć katastrofalnych błędów produkcyjnych.

Tabela 1: Analiza porównawcza skal twardości Shore'a

Wybór materiału do formowania wtryskowego jest najważniejszą decyzją w procesie rozwoju produktu. Chociaż zarówno TPE, jak i silikon mogą być formułowane w celu uzyskania identycznych wartości twardości Shore'a (np. Shore 40A), ich szkielety chemiczne, wymagania dotyczące przetwarzania i długoterminowe właściwości użytkowe są bardzo różne. HYM Plastic oferuje możliwości zarówno w zakresie formowania silikonu jak i wtrysku TPE, co pozwala na bezstronną ocenę w oparciu o potrzeby aplikacji.¹

TPE reprezentują klasę kopolimerów lub mieszanin fizycznych polimerów, które łączą właściwości mechaniczne gumy termoutwardzalnej z przetwórczością termoplastów. To unikalne zachowanie wynika z ich morfologii rozdzielonej fazowo.

TPE zwykle składają się z „twardych” segmentów (domen krystalicznych) i „miękkich” segmentów (domen amorficznych). Twarde segmenty działają jako fizyczne wiązania poprzeczne w temperaturze pokojowej, zapewniając wytrzymałość i określając twardość Shore'a. Miękkie segmenty zapewniają elastyczność i giętkość.⁶ Dostosowując stosunek twardych do miękkich segmentów podczas polimeryzacji, producenci mogą precyzyjnie dostroić twardość Shore'a TPE od żelopodobnego Shore 20A do sztywnego Shore 70D.⁶

Główną zaletą TPE w formowaniu wtryskowym gumy jest jego termoplastyczny charakter. W przeciwieństwie do gumy termoutwardzalnej, która przechodzi nieodwracalną reakcję chemiczną (wulkanizację), TPE po prostu zamarzają po schłodzeniu i topią się po podgrzaniu.

• Czas cyklu: Ponieważ wewnątrz formy nie jest wymagany czas utwardzania, cykle TPE są generalnie szybsze, ograniczone tylko przez szybkość chłodzenia części.

• Możliwość recyklingu: Wlewki, kanały i wadliwe części można ponownie zmielić i zmieszać z surowcem, co znacznie zmniejsza ilość odpadów materiałowych i koszty – kluczowy czynnik w przypadku produkcji wielkoseryjnej w zakładach takich jak HYM Plastic.¹⁶

• Wiązanie: TPE są dostępne w różnych chemiach (styrenowych, olefinowych, uretanowych), które można dopasować do podłoża w celu uzyskania naturalnego wiązania chemicznego. Na przykład TPE-S (styrenowy) naturalnie łączy się z polipropylenem (PP) bez potrzeby stosowania klejów.¹⁷

LSR to dwuskładnikowy materiał termoutwardzalny, zwykle oparty na szkielecie siloksanowym (naprzemiennych atomach krzemu i tlenu). Jest dostarczany jako część A i część B, które są mieszane w stosunku 1:1 bezpośrednio przed wtryskiem.

Wiązanie Si-O jest znacznie mocniejsze i bardziej stabilne niż wiązanie C-C występujące w TPE. Daje to silikonowi wyjątkową odporność na ekstremalne temperatury (-60°C do +250°C), promieniowanie UV, ozon i atak chemiczny.¹⁹ Podczas gdy uchwyt TPE może zmięknąć i stać się lepki, jeśli pozostanie na desce rozdzielczej samochodu latem, uchwyt LSR pozostanie niezmieniony.

LSR przechodzi hydrosililację katalizowaną platyną, nieodwracalną reakcję sieciowania. Wymaga to podgrzania formy (często od 150°C do 200°C), aby przyspieszyć utwardzanie. Ta fundamentalna różnica w przetwarzaniu – gorąca forma dla LSR w porównaniu z zimną formą dla TPE – wymaga dedykowanego narzędzia do wtrysku LSR i maszyn, co wyróżnia zaawansowanych producentów, takich jak HYM Plastic.¹⁴

LSR jest z natury obojętny i biokompatybilny, co czyni go materiałem z wyboru dla urządzeń medycznych i zastosowań mających kontakt z żywnością. Spełnia rygorystyczne normy USP Class VI i ISO 10993 łatwiej niż wiele formuł TPE. Doświadczenie HYM Plastic w zakresie obudów urządzeń medycznych sugeruje silną kompetencję w wykorzystywaniu tych właściwości dla klientów z branży opieki zdrowotnej.¹

Przy wyborze między TPE i LSR do projektu formowania miękkiego w dotyku, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: