Понимание твердости по Шору: Руководство по силиконовому и TPE литью под давлением

В современном ландшафте дизайна и производства продукции взаимодействие между пользователем и машиной вышло за рамки простой функциональности, став определяющим элементом идентичности бренда и пользовательского опыта. Эта эволюция наиболее наглядно проявляется в широком распространении поверхностей "мягкого прикосновения" — эргономичных, тактильных интерфейсов, передающих качество, безопасность и комфорт. В основе этой производственной революции лежит процесс литья под давлением, сложная технология литья под давлением, при которой мягкий эластомерный материал химически или механически связывается с жесткой подложкой. Будь то виброгасящая рукоятка электроинструмента, биосовместимое уплотнение медицинского устройства или водонепроницаемая прокладка потребительской электроники, успех этих компонентов зависит от точного понимания твердости материала.

Для производителей и инженеров, особенно тех, кто использует возможности таких лидеров отрасли, как HYM Plastic, метрика «твердость по Шору» служит общим языком, переводя субъективные тактильные желания в объективные инженерные спецификации.¹ Однако твердость по Шору — это гораздо больше, чем просто число, указанное в спецификации материала; это сложное вязкоупругое свойство, которое диктует параметры обработки, износостойкость, эффективность уплотнения и фундаментальную механику адгезии.

Этот всеобъемлющий отчет представляет собой исчерпывающий анализ твердости по Шору в контексте литье под давлением резины и силиконовом литье под давлением. Опираясь на технические компетенции производственного предприятия HYM Plastic в Сямыне, специализирующегося на высокоточном многокомпонентном литье, мы рассмотрим физику вдавливания, реологические различия между термопластичными эластомерами (TPE) и жидкой силиконовой резиной (LSR), а также сложные проектные рекомендации, необходимые для достижения прочных, не расслаивающихся связей. Синтезируя теоретическую полимерную науку с практической реальностью цеха, это руководство призвано дать инженерам возможность оптимизировать свои проекты для технологичности, гарантируя, что конечный продукт будет соответствовать строгим требованиям автомобильной, медицинской и промышленной отраслей.

Чтобы эффективно использовать твердость TPE по Шору в проектировании, необходимо сначала понять лежащую в основе физику того, как определяется и измеряется твердость в полимерных материалах. В отличие от металлов, где твердость часто является статическим предиктором прочности на растяжение и устойчивости к царапинам, твердость эластомеров представляет собой динамическую, зависящую от времени реакцию на приложенное напряжение.

Полимеры, включая TPE и силиконы, используемые в формования мягким прикосновением, проявляют вязкоупругое поведение. Это означает, что они обладают характеристиками как вязких жидкостей, так и упругих твердых тел. Когда к эластомеру прикладывается сила, полимерные цепи раскручиваются и растягиваются (упругая реакция), но они также скользят друг по другу (вязкое течение). Эта двойственность создает явление, известное как «ползучесть» или релаксация напряжения.

Когда индентор дюрометра вдавливается в образец резины, материал первоначально сопротивляется с определенной силой. Однако, если сила поддерживается, полимерные цепи медленно перестраиваются, чтобы приспособиться к напряжению, в результате чего показания со временем снижаются. Вот почему стандарты ASTM D2240 и ISO 868 указывают точное время выдержки для показаний.³ Показание, снятое мгновенно, может быть «Шор 60A», в то время как показание, снятое после 15-секундной выдержки, может упасть до «Шор 55A». Для инженеров, указывающих материалы для уплотнений, понимание этой релаксации имеет решающее значение; уплотнение, которое со временем слишком сильно расслабляется, потеряет свою остаточную деформацию и не сможет предотвратить попадание жидкости.

Широкий спектр полимерной жесткости — от желатиновой мягкости стельки обуви до структурной жесткости каски — невозможно точно измерить с помощью одной шкалы. Поэтому система твердости по Шору использует несколько шкал, каждая из которых использует определенную геометрию индентора и силу пружины для нацеливания на определенный диапазон материалов.

Шкала Shore A является рабочей лошадкой отрасли литье под давлением резины. Она предназначена для измерения мягких и полужестких эластомеров, охватывая подавляющее большинство применений TPE и силиконового литья под давлением.⁵

• Геометрия индентора: Дюрометр Shore A использует усеченный конус с углом 35° и плоским диаметром наконечника 0,79 мм.³ Этот тупой наконечник не позволяет индентору проникать в мягкие материалы, позволяя ему измерять сопротивление деформации сжатия, а не сопротивление проколу.

• Сила пружины: Устройство прикладывает силу примерно 8,06 Ньютона (822 г).⁵

• Диапазон применения: Эта шкала подходит для материалов от мягких резинок (Шор 20A) до протекторов автомобильных шин (Шор 60A) и жестких колес для скейтбордов (Шор 90A).⁷ В контексте производства HYM Plastic Shore A является основным показателем для указания рукояток мягкого прикосновения на портативных устройствах и гибких уплотнений в медицинских узлах.⁹

По мере того, как материалы становятся тверже, тупой индентор Shore A больше не проникает достаточно, чтобы обеспечить читаемое разрешение. Шкала Shore D вводится для этих более твердых, полужестких и жестких пластмасс, таких как подложки из полипропилена (PP) или ABS, которые часто используются в качестве базового слоя при литье под давлением.⁵

• Геометрия индентора: Индентор Shore D представляет собой острую точку, конус 30° с чисто сферическим радиусом наконечника всего 0,1 мм.³ Эта острота позволяет ему концентрировать напряжение и проникать в жесткие термопласты.

• Сила пружины: Чтобы преодолеть модуль жестких пластмасс, дюрометр Shore D прикладывает значительно большую силу, примерно 44,5 Ньютона (4536 г).⁵

• Диапазон применения: Эта шкала измеряет конструкционные пластмассы, такие как каски, трубы из ПВХ и жесткие корпуса электронных устройств.¹¹ В то время как кожа литья под давлением обычно имеет твердость по Шору A, подложка почти всегда имеет твердость по Шору D, и именно во взаимодействии между этими двумя различными твердостями заключается инженерная задача.

На противоположном конце спектра находятся ультрамягкие гели, пены и ячеистые резины. Эти материалы настолько податливы, что сила пружины дюрометра Shore A полностью сожмет их, что приведет к бесполезному показанию «0». Шкала Shore OO использует сферический индентор и очень низкую силу пружины (~1,11 Н) для измерения этих деликатных материалов.¹¹ Хотя материалы Shore OO реже используются в конструкционном литье под давлением, они иногда используются в специализированных амортизирующих целях, где амортизация является основной функцией.

Частым источником путаницы при выборе материала является перекрытие шкал. Шкалы не являются непрерывными; скорее, они представляют собой различные исследования материала на растяжение. Материал, который регистрируется как Shore 95A, по сути, измеряет ту же твердость, что и материал, регистрируемый как Shore 45D.¹¹

Однако полагаться на таблицы пересчета может быть опасно для критических применений. Острый индентор Shore D вызывает пластическую деформацию и высокое локальное напряжение, в то время как тупой индентор Shore A вызывает упругое сжатие. Для точной инженерной спецификации, особенно при работе с высокими требованиями к точности клиентов, таких как клиенты HYM Plastic, шкала должна быть четко указана. Недостаточно сказать «Твердость 50»; необходимо указать «Shore 50A» или «Shore 50D», чтобы избежать катастрофических производственных ошибок.

Таблица 1: Сравнительный анализ шкал твердости по Шору

Выбор материала для литья под давлением является самым важным решением в процессе разработки продукта. Хотя и TPE, и силикон могут быть разработаны для достижения одинаковых значений твердости по Шору (например, Шор 40A), их химические основы, требования к обработке и долгосрочные эксплуатационные характеристики сильно различаются. HYM Plastic предлагает возможности как в силиконовом литье под давлением, так и в литье под давлением TPE, что позволяет проводить беспристрастную оценку на основе потребностей применения.¹

TPE представляют собой класс сополимеров или физических смесей полимеров, которые сочетают в себе механические свойства термореактивной резины с технологичностью термопластов. Это уникальное поведение обусловлено их фазово-разделенной морфологией.

TPE обычно состоят из «жестких» сегментов (кристаллических доменов) и «мягких» сегментов (аморфных доменов). Жесткие сегменты действуют как физические поперечные связи при комнатной температуре, обеспечивая прочность и определяя твердость по Шору. Мягкие сегменты обеспечивают эластичность и гибкость.⁶ Регулируя соотношение жестких и мягких сегментов во время полимеризации, производители могут точно настроить твердость TPE по Шору от гелеобразного Shore 20A до жесткого Shore 70D.⁶

Основным преимуществом TPE в литье под давлением резины является его термопластичная природа. В отличие от термореактивной резины, которая подвергается необратимой химической реакции (вулканизации), TPE просто застывают при охлаждении и плавятся при нагревании.

• Время цикла: Поскольку время отверждения внутри формы не требуется, циклы TPE обычно быстрее, ограничены только скоростью охлаждения детали.

• Возможность вторичной переработки: Литники, каналы и дефектные детали можно измельчить и смешать с первичным материалом, что значительно снижает отходы материала и затраты — ключевой фактор для крупносерийного производства на таких предприятиях, как HYM Plastic.¹⁶

• Склеивание: TPE доступны в различных химических составах (стирольные, олефиновые, уретановые), которые можно подобрать к подложке для естественного химического склеивания. Например, TPE-S (стирольный) естественным образом связывается с полипропиленом (PP) без необходимости использования клея.¹⁷

LSR — это двухкомпонентный термореактивный материал, обычно основанный на силоксановом каркасе (чередующиеся атомы кремния и кислорода). Он поставляется в виде части A и части B, которые смешиваются в соотношении 1:1 непосредственно перед впрыском.

Связь Si-O значительно прочнее и стабильнее, чем связь C-C, обнаруженная в TPE. Это придает силикону исключительную устойчивость к экстремальным температурам (от -60°C до +250°C), ультрафиолетовому излучению, озону и химическим воздействиям.¹⁹ В то время как рукоятка TPE может размягчиться и стать липкой, если ее оставить на приборной панели автомобиля летом, рукоятка LSR останется неизменной.

LSR подвергается катализируемому платиной гидросилилированию, необратимой реакции сшивания. Это требует нагрева формы (часто от 150°C до 200°C) для ускорения отверждения. Эта фундаментальная разница в обработке — горячая форма для LSR по сравнению с холодной формой для TPE — требует специального инструмента для литья под давлением LSR и оборудования, что является отличительной чертой передовых производителей, таких как HYM Plastic.¹⁴

LSR по своей природе инертен и биосовместим, что делает его материалом выбора для медицинских устройств и применений, контактирующих с пищевыми продуктами. Он легче соответствует строгим стандартам USP Class VI и ISO 10993, чем многие составы TPE. Опыт HYM Plastic в производстве корпусов медицинских устройств предполагает высокую компетентность в использовании этих свойств для клиентов в сфере здравоохранения.¹

При выборе между TPE и LSR для проекта формования мягким прикосновением необходимо учитывать следующие факторы: