Silikon jest jednym z najbardziej odpornych termicznie elastomerów w ogóle. Silikon standardowy (VMQ) jest trwale odporny w zakresie od –50 °C do +200 °C i krótkotrwale wytrzymuje do +300 °C. Silikon wysokotemperaturowy (HTV) osiąga trwale +250 °C, a krótkotrwale +350 °C, silikon fenylowy (PVMQ) sięga do –100 °C w zakresie niskich temperatur. Tym samym silikon pokrywa zakres temperatur, którego żaden inny elastomer nawet w przybliżeniu nie osiąga.
Zakresy temperatur najważniejszych typów silikonu
Poniższe zestawienie pokazuje temperatury pracy ciągłej i szczytowe najważniejszych typów silikonu. Wartości te dotyczą poprawnie zwymiarowanych elementów bez ekstremalnego dodatkowego obciążenia chemicznego.
| Typ silikonu | Trwale | Krótkotrwale | Min. temperatura | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|---|
| VMQ (silikon standardowy) | +200 °C | +300 °C / 15 min | –50 °C | Węże, profile, uszczelki |
| Silikon HTV (wysokotemperaturowy) | +250 °C | +350 °C / 30 min | –60 °C | Uszczelki silników, piece przemysłowe |
| PVMQ (silikon fenylowy) | +200 °C | +250 °C | –100 °C | Lotnictwo, kriotechnika |
| FVMQ (silikon fluorowy) | +200 °C | +250 °C | –55 °C | Kontakt z paliwem i olejem |
| LSR (Liquid Silicone Rubber) | +200 °C | +250 °C | –50 °C | Medycyna, żywność, mikroelementy |
| Silikon specjalny (HCR + stabilizator termiczny) | +300 °C | +380 °C / krótko | –50 °C | Ochrona przeciwpożarowa, kanały gorącego powietrza |
Co oznacza odporność termiczna silikonu?
Odporność termiczna opisuje, w jakim zakresie elastomer silikonowy zachowuje swoje właściwości mechaniczne i chemiczne. Decydujące są przy tym dwie wartości: temperatura pracy ciągłej (ciągłe obciążenie przez miesiące lub lata) oraz temperatura szczytowa (krótkotrwałe obciążenie od minut do godzin). Podczas gdy tworzywa termoplastyczne, takie jak PE czy PP, już przy 80 °C tracą swój kształt, silikon zachowuje elastyczność i funkcję uszczelniającą do +200 °C lub więcej.
Wysoka odporność termiczna wynika z wiązania Si-O-Si w szkielecie polisiloksanowym. Wiązanie to z energią 450 kJ/mol jest znacznie silniejsze niż wiązanie C-C polimerów organicznych (350 kJ/mol). Dlatego silikon jest termicznie znacznie stabilniejszy niż konwencjonalne tworzywa sztuczne i materiały gumowe.
Krótkotrwałe a trwałe obciążenie temperaturowe
Rozróżnienie między temperaturą pracy ciągłej a krótkotrwałą jest kluczowe dla doboru elementów. Wąż silikonowy w ekspresie do kawy widzi 95 °C jako obciążenie ciągłe – bez problemu dla VMQ. Uszczelka piekarnika doświadcza 220 °C w pracy ciągłej – tutaj konieczny jest HTV.
Temperatura pracy ciągłej oznacza zakres, w którym silikon przez 1 000 do 10 000 godzin zachowuje swoje najważniejsze właściwości (wytrzymałość na rozdarcie, odkształcenie trwałe przy ściskaniu, elastyczność). Powyżej tej granicy następuje powolne kruszenie oksydacyjne.
Temperatura krótkotrwała to górna granica dla obciążeń tymczasowych – np. sterylizacja parą gorącą, cykle mycia gorącą wodą lub szczyty rozruchowe w instalacjach. Tutaj czas obciążenia ograniczony jest do minut lub kilku godzin, zanim materiał zostanie trwale uszkodzony.
Typy silikonu i ich zakresy temperatur
Lindemann przetwarza różne typy silikonu w zależności od obszaru zastosowania. Wybór bezpośrednio wpływa na maksymalną temperaturę, a tym samym na żywotność elementu w danym zastosowaniu.
VMQ – silikon standardowy do większości zastosowań
VMQ (silikon winylowo-metylowy) jest najbardziej ekonomicznym typem silikonu. Z zakresem pracy ciągłej od –50 °C do +200 °C VMQ pokrywa około 80 % wszystkich przemysłowych zastosowań silikonu: węże sanitarne, maszyny dla przemysłu spożywczego, węże farmaceutyczne, profile standardowe. Lindemann produkuje wyroby VMQ w twardościach Shore A 30 do A 80.
Silikon HTV – do pracy ciągłej powyżej 200 °C
HTV (High Temperature Vulcanizing) oznacza tutaj nie proces przetwórczy, lecz specjalnie stabilizowaną termicznie recepturę. Dzięki dodatkowi pigmentów tlenku żelaza lub związków ceru znacznie zwiększa się stabilność oksydacyjna – silikon HTV wytrzymuje trwale +250 °C. Obszary zastosowań: uszczelki komory silnika, uszczelki piekarników, piece przemysłowe, węże gorącego powietrza.
PVMQ – silikon fenylowy do niskich temperatur
PVMQ zawiera dodatkowo grupy fenylowe w szkielecie polisiloksanowym. Przesuwają one temperaturę zeszklenia z –120 °C (standardowy VMQ) do około –135 °C. Dzięki temu PVMQ pozostaje elastyczny w praktycznym zastosowaniu do –100 °C. Główne zastosowanie: lotnictwo i kosmonautyka, logistyka niskotemperaturowa, kriotechnika.
FVMQ – silikon fluorowy do kontaktu z olejem i paliwem
FVMQ łączy stabilność termiczną silikonu z odpornością chemiczną fluoropolimerów. W zakresie od –55 °C do +200 °C FVMQ jest odporny na oleje mineralne, benzynę, olej napędowy i wiele rozpuszczalników – w zakresie, w którym standardowy VMQ zawodzi. Zastosowanie: przewody paliwowe w pojazdach, uszczelki hydrauliczne, membrany pomp w przemyśle chemicznym.
LSR – silikon ciekły do złożonych wyprasek wtryskowych
LSR (Liquid Silicone Rubber) jest przetwarzany w technologii wtrysku dwukomponentowego. Zakres temperatur: –50 °C do +200 °C, ze specjalnymi stabilizatorami termicznymi również do +250 °C krótkotrwale. LSR umożliwia najwyższą dokładność wymiarową i krótkie cykle produkcyjne – idealny do mikroelementów medycznych, wyrobów dla niemowląt, wyprasek dla przemysłu spożywczego oraz elementów wielokomponentowych (LSR na termoplaście).
Porównanie silikonu z innymi elastomerami
W bezpośrednim porównaniu widać, dlaczego silikon w zastosowaniach wysokotemperaturowych jest bezkonkurencyjny. Podczas gdy EPDM i NBR są często pierwszym wyborem ze względów kosztowych, oba materiały zawodzą przy temperaturach pracy ciągłej powyżej 150 °C.
Co dzieje się przy przekroczeniu granic temperaturowych?
Silikon nie topi się. Jest usieciowanym elastomerem i zachowuje się fundamentalnie inaczej niż tworzywa termoplastyczne. Przy przekroczeniu temperatury pracy ciągłej najpierw następuje powolne kruszenie oksydacyjne – materiał staje się twardszy, wytrzymałość na rozdarcie spada. Staje się to widoczne po tygodniach lub miesiącach.
Powyżej 350 °C rozpoczyna się termiczny rozkład wiązań Si-O. Produktami końcowymi są dwutlenek krzemu (SiO₂), dwutlenek węgla i woda – wszystkie nietoksyczne. W przypadku pożaru silikon pozostawia izolującą warstwę SiO₂, która chroni leżący pod nią materiał. Z tego powodu silikon stosowany jest w zastosowaniach ochrony przeciwpożarowej oraz w izolacji kabli w systemach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa.
Zastosowania żaroodpornych wyrobów silikonowych
Żaroodporny silikon jest pożądany wszędzie tam, gdzie inne elastomery zawodzą termicznie lub chemicznie. Typowe zastosowania przemysłowe obejmują:
- Piekarniki i piece konwekcyjne – uszczelki drzwiowe, profile wentylatorów, uszczelki okien wziernikowych
- Farmacja i przemysł spożywczy – węże do gorącego rozlewu, uszczelki odporne na CIP/SIP, węże do sterylizacji
- Motoryzacja – uszczelki komory silnika, węże turbosprężarek, zawieszenia układów wydechowych
- Piece przemysłowe i instalacje suszące – węże gorącego powietrza, uszczelki drzwiowe
- Ochrona przeciwpożarowa – ognioodporne przepusty kablowe, uszczelki klap przeciwpożarowych
- Przemysł kolejowy – ognioodporne profile zgodne z EN 45545
- Przemysł półprzewodnikowy – uszczelki cleanroom do wysokotemperaturowych komór procesowych
Na co zwrócić uwagę przy doborze materiału?
Właściwy dobór materiału wynika z czterech czynników:
- Maksymalna temperatura pracy ciągłej – temperatura, która rzeczywiście występuje w pracy normalnej, a nie teoretyczna wartość szczytowa
- Czas obciążenia – pracy przerywanej czy ciągłej. Przy obciążeniu cyklicznym szczyty temperatury są mniej krytyczne
- Media towarzyszące – olej, kwas, para wodna, żywność. Zmieniają one dopuszczalną temperaturę maksymalną i mogą wymagać zmiany na FVMQ lub specjalne mieszanki
- Ekonomika – HTV jest o około 30–50 % droższy niż VMQ. W zastosowaniach niewiele powyżej 200 °C dodatkowa inwestycja zwykle się opłaca, ponieważ żywotność wzrasta 3- do 5-krotnie
Poniższa tabela zestawia odporność na temperaturę pracy ciągłej najważniejszych elastomerów – jako pomoc orientacyjna przy doborze materiału.
| Elastomer | Temperatura pracy ciągłej | Uwagi |
|---|---|---|
| Kauczuk naturalny (NR) | maks. +80 °C | nieodpowiedni do wysokich temperatur |
| NBR (kauczuk nitrylowy) | maks. +100 °C | dobry przy oleju, słaby przy wysokiej temperaturze |
| EPDM | maks. +150 °C | dobry przy gorącej wodzie i parze do 150 °C |
| Silikon VMQ | +200 °C | standard dla uszczelek wysokotemperaturowych |
| FKM (Viton) | +230 °C | odporny na oleje, droższy |
| Silikon HTV | +250 °C | najwyższa temperatura pracy ciągłej wśród elastomerów standardowych |
| FFKM (perfluoroelastomer) | +260 °C | ekstremalna odporność chemiczna, wysokie koszty |
Silikon standardowy (VMQ) jest trwale żaroodporny w zakresie od –50 °C do +200 °C, krótkotrwale do +300 °C. Silikon wysokotemperaturowy (HTV) osiąga +250 °C trwale i +350 °C krótkotrwale. Tym samym silikon jest jednym z najbardziej odpornych termicznie elastomerów i znacznie przewyższa EPDM (150 °C), NBR (100 °C) i kauczuk naturalny (80 °C).
Tak, silikon należy do najbardziej żaroodpornych elastomerów w ogóle. Temperatura pracy ciągłej leży między +200 a +250 °C, krótkotrwale do +350 °C. Wysoka stabilność wynika z wiązania Si-O-Si w szkielecie polisiloksanowym, które z energią 450 kJ/mol jest znacznie silniejsze niż wiązanie C-C polimerów organicznych. Do zastosowań powyżej 250 °C używane są specjalne mieszanki HTV.
Nie, silikon się nie topi. Jest usieciowanym elastomerem (siatka polisiloksanowa) i zachowuje się zasadniczo inaczej niż tworzywa termoplastyczne. W bardzo wysokich temperaturach (od ok. 350 °C) silikon rozkłada się termicznie do dwutlenku krzemu (SiO₂), dwutlenku węgla i wody – bez fazy ciekłej. W przypadku pożaru powstaje ochronna warstwa SiO₂.
Rozkład termiczny silikonu rozpoczyna się między 350 a 400 °C. Najpierw odrywają się grupy metylowe boczne polisiloksanu, następnie rozkłada się szkielet Si-O-Si z wytworzeniem dwutlenku krzemu. Proces jest nietoksyczny i minimalnie egzotermiczny. Mieszanki specjalne ze stabilizatorami cerowymi lub żelazowymi przesuwają rozkład o 30 do 50 °C w górę.
Nie, żaden silikon standardowy nie wytrzymuje trwale 500 °C. Nawet wysoko stabilizowane mieszanki HTV osiągają maksymalnie 380 °C krótkotrwale. Do temperatur od 400 °C stosowane są inne materiały: płaskie uszczelki grafitowe, ekspandowany PTFE lub kompozyty z włókna szklanego. W krótkim przypadku pożaru (sekundy do minut) silikon dzięki tworzeniu warstwy SiO₂ krótkotrwale wytrzymuje termicznie również znacznie wyższe temperatury.
Wysoko stabilizowane mieszanki HTV ze stabilizatorami termicznymi tlenkiem żelaza lub cerem osiągają najwyższą temperaturę pracy ciągłej wśród standardowych silikonów: +250 do +300 °C trwale, krótkotrwale do +380 °C. Lindemann produkuje te mieszanki specjalne do ekstremalnych zastosowań, takich jak drzwi pieców przemysłowych, kanały gorącego powietrza i elementy ochrony przeciwpożarowej. W razie potrzeby następuje indywidualne dobranie zgodnie ze specyfikacją.
Silikon standardowy pozostaje w pełni elastyczny do –50 °C. Silikon fenylowy (PVMQ) osiąga –100 °C, niektóre mieszanki specjalne sięgają do –115 °C. Tym samym silikon jest jedynym materiałem elastomerowym, który pokrywa cały zakres od kriotechniki (–100 °C) do pieców wysokotemperaturowych (+250 °C). Ważne: temperatura zeszklenia VMQ leży około –120 °C, poniżej tej wartości materiał staje się kruchy.
Kolejność odporności na temperaturę pracy ciągłej: kauczuk naturalny +80 °C, NBR +100 °C, EPDM +150 °C, silikon VMQ +200 °C, FKM (Viton) +230 °C, silikon HTV +250 °C, FFKM (perfluoroelastomer) +260 °C. Silikon HTV i FFKM są w czołówce na równi, FFKM jest jednak około dziesięciokrotnie droższy i istotny głównie ze względu na ekstremalną odporność chemiczną.
Żaroodporny silikon od producenta
Lindemann Silikon GmbH od ponad 30 lat produkuje żaroodporne węże silikonowe, profile, uszczelki i wypraski formowe dla przemysłu, medycyny, branży spożywczej i farmaceutycznej. Doradzamy w zakresie właściwego doboru materiału i na życzenie dostarczamy karty materiałowe, deklaracje zgodności i potwierdzenia obciążeń. Zapytaj teraz niezobowiązująco.