Почему силиконовые трубки предпочтительнее использовать в условиях высоких температур?

Введение: Проблема работы с высокотемпературными жидкостями

Современные системы для работы с жидкостями должны соответствовать очень высоким тепловым требованиям. Независимо от того, используются ли они на промышленных предприятиях, в специальных медицинских приборах или аналитическом оборудовании, этим системам, как правило, приходится выдерживать непрерывный нагрев в диапазоне от 150°C до более чем 200°C.

При таких высоких температурах традиционные органические эластомеры неизбежно выйдут из строя. Такие материалы, как ПВХ, а также полиуретан или нитриловая резина, размягчаются при воздействии сильного тепла и выделяют пластификаторы, в конечном итоге становясь хрупкими, что приводит к разрушению канала ствола, а также к перекрестному загрязнению жидкостью.

Полидиорганосилоксаны (силиконовые эластомеры) занимают лидирующие позиции в этой высокотехнологичной категории материалов. Они обеспечивают исключительную гибкость в широком и непрерывном диапазоне рабочих температур, от –50°C до +200°C.

В то время как жесткие фторполимеры подвержены перегибам, силикон столь же эффективен в статических уплотнениях. Он сохраняет свою эластичность в динамических насосах. Это гарантирует как исключительную чистоту, так и гигиеничную перекачку.

Более того, срок службы материала часто превышает десять лет. Долговечность силикона определяется условиями его эксплуатации, а не просто течением времени.

Химическая архитектура и молекулярная термическая стабильность

Неорганическая силоксановая (Si–O–Si) основа против углеродных полимеров

Силиконовые эластомеры отличаются от обычных органических каучуков, основанных на углерод-углеродных или углерод-кислородных цепях, тем, что обладают высокостабильной гибридной матрицей. Структура этой матрицы включает неорганическую кремний-кислородную (Si–O–Si) силоксановую основу с присоединенными к ней органическими метильными боковыми группами.

Этот тип связи характеризуется необычно большой длиной связи — 1,64 Å, а также углом раскрытия связи, который может достигать 165,4°. Такое геометрическое расположение значительно превосходит ограничения компактных тетраэдров в 1,54 Å, характерные для обычных углеродных остовов.

Свободно вращающиеся неполярные метильные группы образуют защитный слой углеводородов вокруг полярной основной цепи. Такая молекулярная структура обуславливает высокую степень гидрофобности в сочетании с исключительно низкой поверхностной энергией (около 22 мН/м), а также придает молекуле замечательную химическую инертность.

Поскольку межмолекулярные силы исключительно слабы, силикон обладает сверхнизкой температурой стеклования (Tg), близкой к –120 °C. На квантовом уровне взаимодействие pd-орбиталей между орбиталями приводит к тому, что связь Si–O приобретает частичный характер двойной связи, что значительно защищает полимерную цепь от термического гомолитического разрыва.

Высокая энергия диссоциации связи и устойчивость к термическому окислению

Силиконовые трубкиСпособность выдерживать экстремальные температуры обусловлена ​​главным образом высокой энергией диссоциации связи Si–O. Эта энергия, составляющая 451 кДж/моль, значительно превышает энергию диссоциации связи C–C (352 кДж/моль) и также превосходит энергию диссоциации связи C–O (76 ккал/моль). Поскольку органические цепи распадаются на короткие фрагменты при температурах от 150°C до 200°C, тепловой кинетической энергии при этих температурах все еще недостаточно для разрыва стабильных силоксановых связей.

Значительная деградация начинается только при температуре выше 200 °C. Это происходит из-за свободнорадикального распада метильных боковых групп. Поскольку силикон не содержит двойных углеродных связей, он естественным образом устойчив к растрескиванию под воздействием озона и фотоокислительной деградации, которая часто приводит к повреждению каучуков на основе диенов.

При нагревании до температуры выше 430 °C или воздействии прямого пламени силикон подвергается керамификации. При этом он выделяет безвредный углекислый газ вместе с водяным паром и одновременно образует инертную, изолирующую золу, состоящую из кварцеподобного диоксида кремния (SiO2).

Механическая целостность и эластомерная память при нагревании

Сохранение гибкости и превосходная устойчивость к остаточной деформации при сжатии.

Силикон демонстрирует очень пологую кривую зависимости модуля упругости от температуры в диапазоне от –50°C до +180°C. Он сохраняет стабильное значение твердости по Шору А даже при резких перепадах температуры, а его прочность на разрыв, а также общее удлинение остаются очень стабильными.

При непрерывном сжатии органических каучуков в сочетании с нагревом происходит необратимое межмолекулярное сшивание, в результате чего они теряют свою упругую память и в конечном итоге возникают статические протечки в соединениях. С другой стороны, высококонсистентный силиконовый каучук (HCR), при испытаниях в соответствии со стандартными методами оценки остаточной деформации при сжатии, например, ASTM D395 при 175°C в течение 22 часов, демонстрирует большую упругость и испытывает лишь незначительную остаточную деформацию.

Низкий остаточный деформационный предел предотвращает образование постоянной плоской формы стенки трубки и, таким образом, обеспечивает постоянное усилие зажима, исключающее просачивание жидкости через уплотнительные прокладки. Самое важное, что термостабильная сшитая структура силикона предотвращает выдавливание жидкости, которое происходит при высоких температурах в органических эластомерах.

Благодаря этому материал способен сохранять стабильную физическую прочность, а также надежно сжиматься при температуре до –85°C.

Стабильность размеров, устойчивость к термическим ударам и защита от ползучести.

Силиконовые трубки обладают исключительной устойчивостью к термическим ударам и способны выдерживать как криогенное замораживание (–50°C), так и воздействие сухого тепла под давлением (+200°C) без образования микротрещин или расслоения стенок. Композитный силикон имеет очень низкое линейное термическое расширение в сочетании с высокой стабильностью размеров. В результате важные внутренние диаметры и точные допуски по стенкам остаются неизменными при нагревании жидкости.

При использовании в перистальтических системах силикон эффективно рассеивает механический гистерезис и легко противостоит необратимой динамической ползучести даже при локальном нагреве.

⦁Гладкая конструкция предотвращает деформацию канала как под вакуумом, так и под давлением, благодаря чему коэффициенты текучести остаются равномерными даже при транспортировке кипящих жидкостей.

⦁Динамический механический термический анализ показывает, что физические поперечные связи, достигаемые за счет армирования пирогенным диоксидом кремния, способны сохранять стабильную форму полимера под непрерывной нагрузкой при температуре 200 °C.

⦁Структурная целостность остается неизменной независимо от атмосферной влаги или воздействия ультрафиолетового излучения.

Химия вулканизации и термическая оптимизация

Платинокатализируемое аддитивное отверждение против перекисной вулканизации

Твердые и жидкие силиконовые каучуки отверждаются в основном двумя способами: с помощью органического пероксида для инициирования реакции или путем сшивания с помощью платинового катализатора. В случае пероксидных систем органический пероксид термически разлагается с образованием свободных радикалов, которые затем вызывают сшивание метильных групп. Проблема этого процесса заключается в выделении летучих кислых побочных продуктов, приводящих к пожелтению и охрупчиванию через некоторое время.

С другой стороны, гидросилилирование платины включает в себя органометаллическое соединение, способствующее присоединению кремнийгидридных групп к винильным двойным связям с образованием стабильных этиленовых мостиков. В результате этой реакции не образуются побочные продукты однократного расщепления.

Таким образом, предотвращается выделение газов при высоких температурах, образование внутренних пустот и выгорание поверхности. Трубки, отвержденные платиной, остаются прозрачными при нагревании.

Благодаря точно определенной стехиометрической плотности сшивки и отсутствию остаточных активных центров, он успешно предотвращает вторичное тепловое радикальное отверждение, которое медленно разрушает материалы, отвержденные перекисью, после длительного термического воздействия.

Термостабилизаторы, оксиды переходных металлов и постполимеризация в чистых помещениях.

При рабочей температуре выше 200 °C в силиконовую основу добавляют специальные присадки. Оксиды переходных металлов, в частности оксид железа, выступают в качестве мощных поглотителей свободных радикалов.

Они улавливают алкильные и алкоксильные свободные радикалы, образующиеся при расщеплении метильных групп. В результате они предотвращают автоускоренную деградацию цепи и одновременно замедляют окислительное охрупчивание, придавая шлангам характерный красновато-коричневый цвет, свойственный высокотемпературным промышленным шлангам.

После экструзии,силиконовые трубкиПоследующая термостатическая постполимеризация проводится в чистом помещении. Этот процесс обычно происходит при температуре 200°C и может длиться до четырех часов.

Эта вторичная вулканизация служит не просто для завершения процесса сшивания. Ее основная инженерная цель — вызвать испарение низкомолекулярных циклических силоксановых олигомеров перед их удалением. Избавление от этих олигомеров устраняет усадку в процессе эксплуатации, а также любые возможные риски повторного осаждения летучих веществ, гарантируя тем самым превосходную термическую стабильность.

Сравнительная инженерная справочная таблица

Применение в высокотемпературных условиях в регулируемых отраслях промышленности

Медицинские изделия, автоклавная паровая стерилизация и биосовместимость

В клинических условиях трубопроводы для жидкостей должны выдерживать многократную стерилизацию насыщенным паром в автоклавах под давлением при температуре 134 °C. Медицинский силикон, в отличие от обычных полимеров, которые склонны к растрескиванию или становятся чрезвычайно хрупкими при многократном использовании, сохраняет свою первоначальную прочность на разрыв после 100 последовательных циклов обработки паром. Трубопровод сохраняет свою первоначальную устойчивость к разрыву, одновременно сохраняя свою оптическую прозрачность.

Высокочистый медицинский силикон прошел испытания в соответствии со стандартами ISO 10993 и USP Class VI и демонстрирует полную биосовместимость, не выделяя фталаты при введении горячих лекарственных препаратов. Он не содержит бисфенола-А и не выделяет стабилизаторы тяжелых металлов.

Гидрофобная поверхность полидиметилсилоксана с низкой энергией естественным образом препятствует адсорбции белков и биологических окислительных агентов. Кроме того, использование передовой высокотемпературной экструзии позволяет получать точные многоканальные структуры.

Эти специальные микрокапилляры предназначены для одновременной транспортировки горячих хирургических жидкостей и контрастных веществ, а также для обеспечения необходимых дренажных путей.

Переработка пищевых продуктов и напитков, транспортировка молочной продукции и санитарная перевалка.

Силиконовые трубки пищевого качества отлично подходят для транспортировки санитарных высокотемпературных жидкостей и легко выдерживают кипящее растительное масло при температуре 230°C.

Этот метод одинаково эффективен и при передаче горячих сиропов или подогретых коммерческих напитков.

Эластомер не имеет запаха и является органолептически нейтральным, что гарантирует отсутствие химической миграции в чувствительные продукты.

Эта защитная функция в равной степени применима к пивоварению, переработке молочной продукции или переливанию чистого фруктового сока.

Силикон выдерживает воздействие горячих дезинфицирующих растворов, а также сильных жирных кислот в молочном оборудовании и безупречно функционирует при строгих ежедневных операциях CIP (очистка на месте). Материал прошел испытания в соответствии со следующими стандартами:

FDA 21 CFR 177.2600LFGB3А Санитарные стандарты

Его поверхность останется неповрежденной даже после воздействия щелочных растворов и промывки паром. Внутренняя поверхность обладает высокой отражательной способностью, что снижает трение жидкости и защищает шланг от образования отложений и микроскопических частиц, которые могут возникать в более прочных шлангах из органических материалов.

Промышленные перистальтические насосы, термоизоляционные рукава и высокотемпературное оборудование.

В головках перистальтических насосов непрерывная динамическая окклюзия приводит к определенному трению и выделению тепла. Эти силы в конечном итоге вызывают износ и, наконец, разрыв трубок с низкой прочностью. Высокопрочный силикон эффективно противостоит как отслаиванию стенок, так и механической усталости, что обеспечивает точное дозирование в диапазоне температур от –40°C до +100°C.

Толстостенные термостойкие силиконовые шланги необходимы для использования в промышленных печах вместе с уплотнителями дверцы. Они также играют важную роль в системах турбонаддува автомобилей и доказали свою устойчивость к самовоспламенению при температуре до 430°C.

Кроме того, благодаря чрезвычайно высокой диэлектрической прочности на пробой (более 20 кВ/мм) и огнестойкости по стандарту UL94, силиконовые трубки являются наилучшим выбором в качестве электрических изоляторов. Армированные композитные силиконовые трубки сохраняют свою основную структурную прочность до 100 фунтов на квадратный дюйм (psig), даже при транспортировке высокотемпературных жидкостей под давлением. Однако это не универсальное значение давления, применимое ко всем силиконовым трубкам. Фактическая устойчивость к давлению сильно зависит от отношения внутреннего диаметра (ID) к толщине стенки, наличия армирования и конкретных температурных условий (поскольку давление разрыва значительно снижается при высоких температурах). Кроме того, давление разрушения в пульсирующих (циклических) условиях значительно ниже статического давления. Следует отметить, что эти показатели, наряду с другими параметрами, такими как остаточная деформация при сжатии, циклы паровой стерилизации, критерии разрушения, продолжительность испытаний и восстановление перистальтического насоса, зависят от конкретных условий испытаний, которые должны быть проверены для конкретного применения.

Заключение: Обеспечение долговечности в системах теплопередачи жидкостей.

Очевидное предпочтение использования силиконовых трубок в условиях высоких температур прочно основано на фундаментальных принципах полимерной науки, поскольку этот материал имеет неорганическую Si–O–Si структуру и энтальпию связи 451 кДж/моль. Помимо своей химической структуры, этот полимер также обладает сопротивлением остаточной деформации при сжатии, недоступной обычным эластомерам.

Хотя специальные термопласты могут обеспечивать высокую термостойкость, силикон уникален тем, что сочетает в себе термостойкость с важной динамической эластичностью. Возможность многократного использования в автоклаве дает ему дополнительное преимущество в эксплуатации и значительно сокращает время простоя на техническое обслуживание на различных предприятиях.

Часто задаваемые вопросы

Какие области применения силиконовых трубок при высоких температурах являются подходящими?

Силикон — стандартный материал для применения в автомобильной промышленности при высоких температурах, например, для прокладок и уплотнительных колец. Его эластичность позволяет ему образовывать герметичное соединение между двумя соприкасающимися поверхностями при высоких температурах. В аэрокосмической отрасли он защищает электронику от высокотемпературных нагрузок. Силикон, благодаря своим надежным физическим характеристикам, подходит для использования в печах, плавильных печах и кухонной утвари.

Подходят ли силиконовые трубки для применения в медицинских целях?

Благодаря своей нетоксичности и гипоаллергенности, они идеально подходят для применения в медицине. Особенно платиновые аналоги минимизируют риск попадания вредных веществ в фармацевтические препараты или кровь.

Насколько сильно можно согнуть силиконовую трубку при работе при высокой температуре?

Силиконовые трубки, по приблизительным оценкам, можно согнуть примерно в три-пять раз больше их внешнего диаметра. Фактический радиус изгиба зависит от внутреннего диаметра и толщины стенки, твердости по Шору А, наличия армирующего слоя, температуры, вакуума или давления, а также от динамического или статического изгиба. Поэтому минимальный радиус изгиба следует проверять для конкретного состава материала и размеров. Это эмпирическое правило остается актуальным даже при высоких температурах. Эластичность материала позволяет прокладывать его в узких пространствах. Однако необходимо предотвращать его взаимодействие с острыми предметами.