SBR NBR EPDM – jak dobrać rodzaj gumy do warunków pracy?

Gumy SBR, NBR i EPDM to trzy najczęściej porównywane gumy syntetyczne stosowane jako elastomery do uszczelnień i innych zastosowań przemysłowych, ale różnią się budową cząsteczkową, odpornością chemiczną, odpornością termiczną oraz zakresem zastosowań. Dla inżynierów, techników i osób dobierających materiały w branży HVAC, budowlanej i przemysłowej ten wybór ma bezpośredni wpływ na trwałość instalacji: błąd przy doborze rodzaju gumy prowadzi do szybkiej degradacji polimerów, nieszczelności, awarii oraz kosztownych serwisów i przestojów w produkcji. Trzy najpopularniejsze elastomery syntetyczne różnią się budową cząsteczkową co bezpośrednio wpływa na ich odporność termiczną, chemiczną oraz warunki atmosferyczne; gumy SBR i NBR mają niską odporność na warunki atmosferyczne i promieniowanie UV natomiast EPDM wyróżnia się pracą w szerokim zakresie temperatur, od -60°C do +160°C, oraz zachowaniem elastyczności uwzględniając zakres temperatur od -40°C do +120°C, co ma duże znaczenie także w niskich temperaturach. Wszystkie omawiane elastomery mają swoje unikalne właściwości, które należy uwzględnić przy wyborze odpowiedniego materiału.

Guma SBR (Kauczuk Styrenowo-Butadienowy) – Ekonomiczny Elastomer do Zastosowań Ogólnych

Kauczuk styrenowo-butadieniowy, nazywany skrótem SBR jest kopolimerem styrenu i butadienu. Obecność styrenu w strukturze tego polimeru wpływa na sztywność i wytrzymałość mechaniczną tego rodzaju gumy. Dzięki temu składnikowi guma uzyskuje odporność na ścieranie, czasem nawet porównywalną z naturalnym kauczukiem NR. Te dwa kauczuki: syntetyczny SBR oraz naturalny NR bywają stosowane w podobnym środowisku z wyłączeniem zastosowań zewnętrznych. Guma SBR stanowi ekonomiczny substytut naturalnego kauczuku. NR czyli kauczuk naturalny, którego wyróżniają właściwości elastyczne i doskonałą odporność na uszkodzenia mechaniczne i ścieranie. SBR czyli kauczuk butadienowo styrenowy wykazuje jednak bardzo niską odporność na światło słoneczne, temperatury i warunki atmosferyczne jednak jest najczęsciej wybieranym wariantem, głownie ze względu na niski koszt takiego materiału i szerokie zastosowanie w dużym zakresie. Płyty z gumy SBR są szeroko stosowane np. do produkcji uszczelnień jednak bez kontaktu z substancjami chemicznymi. Podczas ekspozycji tego materiału dochodzi do destrukcji wiązań, pękania powierzchniowego oraz utraty elastyczności przez co ta guma nie nadaje się do zastosowań zewnętrznych. Guma SBR nie wykazuje również odporności na media o podobnym tj. niepolarnym charakterze. Ulegnie ona uszkodzeniu przy kontakcie z olejami, smarami czy paliwami ciekłymi oraz pod wpływem działania kwasów. Reakcja w takimi substancjami objawia się w pękaniu, puchnięciu a nawet rozpuszczeniu materiału. Zarówno guma SBR jak i guma NBR nie wykazują odporności na zmienne warunki atmosferyczne dlatego nie nadają się do zastosowań zewnętrznych.

Guma Olejoodporna NBR (Kauczuk Nitrylowy) – Odporność na Węglowodory i Smary

Guma olejoodporna – NBR znana jako kauczuk nitrylowy powstaje w wyniku kopolimeryzacji akrylonitrylu. Polarny charakter kauczuku nitrylowego przekłada się na odporność na niepolarne media węglowodorowe, czyli odporność na oleje i smary a także paliwa i tłuszcze. Odporność na oleje płyty gumowej NBR jednak będzie zależna od udziały akrylonitrylu w strukturze. Guma NBR nie wykazuje jednak odporności na działanie polarnych rozpuszczalników oraz kwasów i zasad. Ponadto, nienasycony charakter części butadienowej sprawia, że taka mieszanka gumowa jest mało odporna na promieniowanie UV. W ofercie SCP dostępne płyty gumowe NBR w kilku klasach jakościowych.

Guma EPDM (Terpolimer Etylenowo-Propylenowo-Dienowy) – Odporność na Promieniowanie UV i Ozon

Trzecim najpopularniejszym kauczukiem jest terpolimer etylenu, propylenu oraz dienu: EPDM. Struktura budowy cząsteczkowej gumy EPDM blokuje możliwość ataku tlenu lub ozonu na szkielet cząsteczki co przekłada się na odporność tej mieszanki na starzenie atmosferyczne, promieniowanie UV czy ozon. Jest to elastomer wysoce niepolarny co nadaje mu odporność na chemikalia takie jak alkohole, estry, kwasy i zasady. W przypadku kauczuku EPDM nie wykazuje on jednak odporności na oleje i smary, które powodują w strukturze natychmiastowe uszkodzenia. Zasadniczo gumę EPDM cechuje doskonała odporność na warunki atmosferyczne jednak będzie uzależniona od zawartości czystego EPDM w masie gumy.

W dalszej części porównano najważniejsze właściwości fizyczne i chemiczne tych elastomerów, ich temperatura pracy i zakres temperatur, zachowanie w wysokich oraz niskich temperaturach, zastosowania w różnych środowiskach, a także wpływ sposobu wulkanizacji EPDM na końcowe parametry materiału.

Właściwości Fizyczne i Mechaniczne Elastomerów – Gęstość, Twardość i Wypełniacze

Dobór odpowiedniego materiału jest kluczowy dla trwałości uszczelnień z nich wykonanych. Wymaga on jednak zestawienia parametrów fizycznych i mechanicznych wszystkich elastomerów. Poza kompozycją mieszanki gumowej, na jej właściwości fizyczne i mechaniczne wpływ mają również zastosowane wypełniacze, w tym sadza i plastyfikatory oraz sam proces produkcji. Zawartość wypełniaczy mineralnych i sadzy przekłada się natomiast na gęstość wybranego elastomeru. Czysty kauczuk będzie miał gęstość bliską 1000kg/m2 natomiast gęstość gotowej płyty gumowej wulkanizowanej z dodatkami  sięga 1500kg/m3.

Istotnym czynnikiem przy wyborze odpowiedniego elastomeru będzie również jego twardość. Elastomery o niskiej twardości będą miały większą zdolność do kompresji i lepszą zdolnością do dopasowania się do nierównych powierzchni. Tym samym, miękki materiał lepiej będzie radził sobie z tłumieniem drgań oraz wykaże się większą odpornością na odkształcenia pod naciskiem.

Metody Sieciowania Gumy EPDM: Wulkanizacja Siarkowa a Wulkanizacja Nadtlenkowa

Ciekawym zagadnieniem jest sieciowanie EPDM czyli wulkanizacja, której metoda przekłada się również na jej  właściwości fizyko-mechaniczne. Guma EPDM może być wulkanizowana za pomocą siarki (sulfur-cured) lub za pomocą nadtlenku (peroxide cured).

Wulkanizacja Siarkowa EPDM (Sulfur-Cured)

Z chemicznego punktu widzenia, wulkanizacja siarkowa to reakcja siarki z nienasyconymi wiązaniami bocznymi grup dienu. W efekcie powstają elastyczne mostki wielosiarkowe. Efektem takiej wulkanizacji jest wulkanizat o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie lub rozdzieranie. Tym samym, powstałe w procesie wulkanizacji siarkowej uszczelki cechują się wysoką elastycznością, są podatne na znaczne rozciągnięcia bez ryzyka natychmiastowego zerwania.

Proces produkcji jest znacznie tańszy i prostszy. Sama mieszanka pozwala na stosowanie większej ilości wypełniaczy niż w przypadku wulkanizacji nadtlenkiem co przekłada się na jej właściwości fizyczne.

Utwardzanie siarkowe to metoda, która wpływa na trwałość gumy  przy długiej ekspozycji na wysoką temperaturę. Taki elastomer znacznie szybciej będzie twardnieć i utraci sprężystość i elastyczność. Guma wulkanizowana siarką będzie miała niższą odporność na utlenianie niż w przypadku utwardzania nadtlenkiem.

Wulkanizacja Nadtlenkowa EPDM (Peroxide-Cured)

Sieciowanie EPDM metodą nadtlenkową to tworzenie bezpośrednich wiązań kowalencyjnych węgiel-węgiel, wysoce odpornych termicznie pomiędzy łańcuchami polimeru. Ta trwałość pozwala na zastosowanie takiej gumy EPDM w wysokich temperaturach, krótkotrwale nawet do 200 stopni Celsjusza, bez ryzyka degradacji.

Sieciowanie nadtlenkiem przekłada się też podwyższoną odpornością elastomeru na agresywne chemikalia.

Ponadto, w przeciwieństwie do gumy wulkanizowanej siarką, ten elastomer, który jest efektem sieciowania nadtlenkiem nie będzie powodował odbarwień na PVC lub metalach.

Pomimo znacznie lepszej odporności chemicznej, elastomer EPDM utwardzany nadtlenkiem będzie miał znacznie gorsze parametry fizyczne: będzie bardziej podatny na pękanie przy rozciąganiu oraz ścieranie.

Koszty produkcji takiej gumy są znacznie wyższe jednak może być stosowana w szerokim zakresie temperatur.

Dobór Odpowiedniego Elastomeru do Środowiska Pracy – SBR, NBR czy EPDM?

Wybór odpowiedniego elastomeru musi być poprzedzony skrupulatną analizą odporności chemicznej tego elastomeru na media, z którymi będzie miał styczność. Ostatecznie wybór musi opierać się na analizie całego środowiska pracy z uwzględnieniem warunków atmosferycznych, chemikaliami, specyfiką obciążeń mechanicznych oraz innych wymagań określonych w konkretnym zastosowaniu.

W środowiskach wewnętrznych, do zastosowań ogólnych, bez kontaktu z chemikaliami odpowiednim wyborem będzie guma SBR oraz powstałe z niej wyroby: płyty gumowe oraz wykładziny gumowe, podkładki i dystanse. Dodatkowo płyty SBR mogą być stosowane jako materiały antywibracyjne pod maszyny lub podkładki amortyzujące zakładając brak kontaktu z olejami. Stanowi najbardziej ekonomiczne i odporne na uszkodzenia mechaniczne rozwiązanie jednak należy bezwzględnie unikać ekspozycji gumy SBR na warunki atmosferyczne, skrajne temperatury oraz kontakt z chemikaliami oraz wyrobami ropopochodnymi.

W przypadku środowisk zaolejonych w wielu gałęziach przemysłu odpowiednim wyborem będzie zastosowanie gumy nitrylowej czyli płyty gumowej NBR. Uszczelki, kołnierze, pompy, ergonomiczne maty antyzmęczeniowe w warsztatach, przemyśle motoryzacyjnym, stanowiskach do obróbki skrawaniem oraz miejscach narażonych na kontakt z olejem lub płynem hydraulicznym gdzie istnieje ryzyko ich wycieku. Podczas specyfikacji płyty gumowej NBR należy zwrócić uwagę na zawartość nitrylu w mieszance gumowej, którego poziom będzie miał przełożenie na stopień odporności na media takie jak oleje i smary.

Guma EPDM, czyli terpolimer etyleno-butadienowy to kluczowy materiał w zastosowaniach gdzie wymagana jest odporność na warunki atmosferyczne, w tym działanie mrozu, wilgoci i promieniowania UV. Również w przypadku instalacji sanitarnych i ciepłowniczych. Jest materiałem dominującym w branżach budowlanej, HVAC, instalacjach wodnych i branży energetycznej. W bardziej wymagających aplikacjach należy rozważyć zastosowanie specjalnego rodzaju EPDM – sieciowanego nadtlenkiem ze względu na jego szczególne właściwości.

Ostatecznie decyzja o wyborze elastomeru musi być poparta chłodną analizą warunków fizykochemicznych w miejscu pracy danego uszczelnienia. Taka analiza stanowi kluczową rolę w procesie doboru najlepszego materiału ze względu na to, że właściwości gumy muszą odpowiadać środowisku pracy.

Tabela Właściwości Elastomerów: Porównanie Parametrów Technicznych

Generalne zestawienie powyżej analizowanych elastomerów oraz innych mniej powszechnych przedstawia poniższa tabela właściwości, która powinna być pomocna przy wyborze odpowiedniego materiału.

Tabela przedstawia parametry techniczne płyt gumowych i silikonowych dostępnych w ofercie SCP Select.