Термоусаживаемые трубки. Все о главном (часть 2)

Михаил Нижник, генеральный директор, ООО «ПРОТОН»
Виталий Рожков, заместитель генерального директора по маркетингу, ООО «Протон»
Журнал «Производство электроники», 2009 №4, 5, 6

Во второй статье цикла, посвященного термоусаживаемым трубкам (ТУТ), рассматриваются свойства материалов, применяемых при изготовлении ТУТ, их влияние на характеристики трубок и условия эксплуатации.

Термоусаживаемые материалы получили широчайшее распространение в энергетике, электротехнике, микроэлектронике и приборостроении, машиностроении, химической, нефтегазовой, авиакосмической отрасли, судостроении. Эксплуатация изделий с использованием термоусадки происходит в разных, зачастую очень тяжелых условиях, поэтому к ним предъявляется множество технических требований, гарантирующих их надежную работу.

Наиболее важными характеристиками термоусаживаемых трубок, определяющими их условия эксплуатации являются: электрическая прочность, стойкость к высоким и низким температурам, горючесть, стойкость к нефтепродуктам и маслам, химическая стойкость (к растворителям, щелочам, кислотам и т.д.), физические свойства (мягкость, жесткость, гибкость, прочность) и ряд других. Комбинация всех этих свойств в одной конкретно-взятой трубке практически не встречается, поэтому приходится определять наиболее важные свойства изделия для конкретного применения. Химические и большинство физических характеристик термоусаживае-мых изделий почти целиком определяются характеристиками полимера основы, из которого они изготовлены. Таким образом, выбирая трубку, мы выбираем, в первую очередь, из какого материала она будет состоять, и лишь потом определяемся с диаметром, цветом и другими параметрами.

Расскажем подробнее о свойствах самых известных полимеров, применяемых при производстве ТУТ.

ПОЛИОЛЕФИНЫ (PE)

Полиолефины - это большая группа органических веществ, синтетические полимеры, продукты полимеризации олефинов. Наиболее распространенные полиолефины - полиэтилен (PE) и полипропилен (PP), а так же этиленвинилацетат (EVA, сэвилен), композиция которого используется в качестве термоплавкого клея для термоусаживаемых трубок. Важное значение в промышленности имеют также полиизобутилен и этилен-пропиленовый каучук (EPDM резина). По масштабам производства и широте областей применения по-лиолефины занимают 1-е место среди всех синтетических полимеров.

Для изготовления полиолефино-вых термоусаживаемых трубок применяется в основном модифицированный, радиационно или химически "сшитый" полиэтилен, в который могут быть добавлены различные добавки, пластификаторы, антипире-ны (подавители горения), красители, UV-фильтры и т.д.

Из полиолефинов изготавливают более 90% ВСЕХ термоусаживаемых трубок в мире. Почти всегда при упоминании терминов "термоусаживае-мые трубки", "ТУТ", "термоусадка" и т.д. имеются ввиду трубки, изготовленные из полиолефинов. Основные отличия между ними заключаются в используемом сырье, в составе различных добавок, технологии и качестве производства, но все они имеют похожие свойства, основанные на свойствах материала-основы.

Полиолефины обладают хорошей гибкостью в широком температурном диапазоне и достаточной для повседневных задач механической прочностью. Очень хорошая электрическая прочность позволяет использовать изделия из полиэтилена в качестве электрической изоляции для широкого спектра электротехнических задач. Из модифицированного полиэтилена изготавливают внешние изоляционные оболочки высоковольтных кабелей, изоляторы низковольтного оборудования, водопроводные трубы, различные пленки, прокладки, шайбы и другие элементы. Модифицированные полиолефины обладают отличной химической стойкостью к концентрированным и разбавленным кислотам, эфирам, спиртам, хорошей стойкостью к альдегидам, кетонам (ацетон) и растительным маслам. Кратковременно способны выдержать воздействие алифатических и ароматических углеводородов (бензол), минеральных масел и сильных окислителей, при этом оставаясь в длительном контакте с этими веществами, в том числе минеральными и синтетическими маслами, бензином и другими ГСМ подвергаются медленному необратимому разрушению. Быстрому разрушению полио-лефины подвержены под воздействием галогенсодержащих углеводородов.

Неплохой диапазон рабочих температур (в среднем от -50°С до +125°С) позволяет применять трубки из полиэтилена как внутри, так и снаружи помещений. Некоторые тугоплавкие композиции на основе полиолефи-на могут иметь повышенную рабочую температуру: до +135°С и даже до +150°С, но столь высокие эксплуатационные температуры являются для полиолефинов предельными. В зависимости от композиции материала может меняться и температура усадки полиолефиновых трубок. Низкотемпературные трубки начинают усадку при +70°С, а высокотемпературные трубки могут требовать для полной усадки нагрева до +135°С.

ЭЛАСТОМЕРЫ (СИНТЕТИЧЕСКИЕ КАУЧУКИ)

Рис.1 Пример применения
трубок с клеем для герметизации
кабельных проходов

Модифицированные синтетические эластомеры (синтетические резины) используются для изготовления специальных термоусаживаемых трубок. Существует множество видов эластомеров, от которых зависят свойства производимых трубок.

Наиболее важными свойствами эластомерных трубок являются гибкость, стойкость к повышенным температурам (до +150…170°С), хорошие электроизоляционные свойства и, самое главное, стойкость к горючесмазочным материалам и углеводородным соединениям. Из-за особенностей используемых материалов эластомер-ные трубки имеют преимущественно черный цвет. Высокая стоимость сырья и технологические сложности изготовления делают такие трубки достаточно дорогими в производстве. Существуют модификации эластомерных термоусаживаемых трубок с добавлением соединений фтора, существенно улучшающих свойства этого класса трубок, но при этом увеличивающих их стоимость (смотрите далее Viton).

ФТОРСОДЕРЖАЩИЕ ЭЛАСТОМЕРЫ (VIT0N®)

Наиболее известный из фторсо-держащих эластомеров материал, применяемый для изготовления термоусаживаемых трубок - это Viton. Viton® - торговая марка серии полимерных материалов, принадлежащая их разработчику, компании DuPont. Полимеры Viton относятся к классу материалов FKM, в основе которых лежит фторсодержащий синтетический каучук. Термином "фторсодер-жащие эластомеры" обозначают сополимеры гексафлуорпропилена (HFP) и винилиденфлуорида (VDF или VF2), терполимеры тетрофлуорэтилена (TFE), винилиденфлуорид (VDF) и гексафлуорпропилен (HFP), а также перфлуорметилвиниловый эфир со специальными добавками. Содержание фторидов в наиболее употребительных марках Viton-а находится в диапазоне от 66 до 70%. В зависимости от состава и пропорций смеси эластомеров, у разных производителей Viton может иметь несколько отличающиеся физико-химические свойства.

В общем виде Viton очень устойчив к углеводородным соединениям, горюче-смазочным материалам, бензинам, синтетическим и минеральным маслам, но несовместим с кетонами (такими, например, как ацетон), органическими кислотами (например, уксусной кислотой). Некоторые модификации стойки к концентрированным неорганическим кислотам, горячему пару, высоким температурам.

Viton имеет значение диэлектрической прочности лишь чуть ниже, чем значения диэлектрической прочности у обычных полимеров и в целом может служить хорошим изоляционным материалом.

Термоусаживаемые трубки из Viton выпускаются черного цвета, это напрямую связано с составом материала.

Viton устойчив к огню - в открытом пламени может обугливаться, но самостоятельно горение почти не поддерживает даже при большой концентрации кислорода. Из-за этого трубки из Viton часто применяют в составе дыхательного оборудования при глубоководных погружениях.

Трубки из Viton рекомендуются для применения в автомобильной, морской, авиакосмической промышленности - везде, где требуется контакт с ГСМ и биодизелем в больших концентрациях. Диапазон рабочих температур термоусаживаемых трубок в среднем от -50°С до +200…220°С.

ПОЛИВИНИЛХЛОРИД (PVC)

PVC - поливинилхлорид. В России обозначается буквами ПВХ, а за рубежом - PVC. Поливинилхлорид является линейным термопластичным полимером винилхлорида. Это один из самых распространенных пластиков, используемых в мире: из него получают свыше 3000 видов материалов и изделий, используемых для разнообразных целей в электротехнической, легкой, пищевой промышленности, тяжелом машиностроении, судостроении, сельском хозяйстве, медицине, в производстве стройматериалов (например, виниловый сайдинг). PVC c успехом применятся в электротехнике в качестве изолятора, так как обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Из поливинилхлорида преимущественно изготавливают внешнюю изоляцию проводов, а также корпуса электротехнических приборов.

Поливинилхлорид имеет неплохую химическую стойкость, устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, промышленных газов, бензина, керосина, жиров, спиртов. Частично растворяется в кетонах (ацетон), сложных эфирах, хлорированных углеводородах.

В чистом виде поливинилхлорид представляет собой жесткий пластик белого цвета. Это так называемая uPVC или Rigid-PVC форма - жесткий поливинилхлорид. Существует и другая - гибкая форма поливинилх-лорида, за рубежом ее называют soft PVC (мягкий поливинилхлорид). Получают ее методом добавок в исходный полимер различных пластификаторов, например фталатов. Именно из мягкого PVC изготавливают изоляцию проводов и изолирующие кем-брики ТВ-40.

Термоусаживаемые трубки изготавливаются как из жесткого, так и из мягкого поливинилхлорида, и в основном служат для низковольтной электрической изоляции и декоративных целей. Трубки из жесткого поли-винилхлорида изготавливают в виде очень тонкостенных цветных пленок, поставляемых в плоском виде, и применяют, например, для стягивания электрохимических элементов, конденсаторов, аккумуляторов в батарейные блоки, а также в качестве альтернативы окрашиванию изделий, покрывая их тонкими цветными пленками.

Температура плавления поливинилхлорида составляет около +85°С, а температура растрескивания находится в пределах –20°С для жесткого и –30°С для мягкого PVC, поэтому трубки из него не предна- значены для работы при высоких и низких температурах, но данное ограничение компенсируется тем, что трубки из поливинилхлорида (особенно жесткого) имеют невы- сокую стоимость.

Чистый, без добавок поливинилхлорид физиологически безвреден, но при разложении (нагрев, горение) начинает выделять опасные для организма вещества. Кроме того, в чистом виде он практически не используется, а множество добавок, красителей, пластификаторов и т.д., применяемых при производстве изделий из поливинилхлорида, являются токсичными соединениями, которые постепенно выделяются в атмосферу во время срока службы изделия. При разрушении модифицированного пластификаторами материала, особенно при его горении, выделение токсичных компонентов возрастает многократно. Кроме того, серьезный вред окружающей среде наносится на этапе производства поливинилхлорида, поэтому использование данного полимера подпадает под ограничения и даже полный запрет во многих странах мира.

Хотя трубки и пленки из жесткого ПВХ нетоксичны, у некоторых производителей появилась тенденция заменять их трубками из более безопасного в производстве полимера полиэтилен-терефталата (см. далее PET).

ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ (PET)

PET - полиэтилентерефталат. Сложный полиэфир терефталевой кислоты. Один из самых недорогих полимеров. В России известен под названием лавсан или полиэстер. Широко известный материал для производства пластиковых бутылок и другой тары, синтетических тканей и т.д. Имеет хорошую физическую и химическую стойкость, прочность. Из полиэстера изготавливают сверхтонкостенные термоусаживаемые трубки, которые поставляются в плоском виде. Трубки из PET применяются в качестве замены трубкам из жесткого поливи-нилхлорида для защитного покрытия оборудования, для стягивания батарей гальванических элементов, аккумуляторов, конденсаторов, катушек индуктивности, механической защиты радиоэлектронных компонентов и т.д. Могут использоваться как замена окрашиванию при маркировке изделий. Диапазон рабочих температур от -40°С до +130°С, хотя непосредственно сам полимер может выдержать температуру до +170°С. Пластик PET обладает интересной особенностью - в отличие от поликарбоната и стекла PET пропускает UV-A и UV-B лучи ультрафиолетового спектра.

ФТОРПОЛИМЕРЫ

К данной группе материалов относятся полимеры, имеющие в своем составе фтор. Технологическая обработка этих полимеров достаточно сложна, что связано с их физическими и химическими свойствами. Такие полимеры применяются в основном для специфических задач, требующих уникальных свойств. Перечислим самые востребованные фторполимеры.

PTFE - ПОЛИТЕТРАФЛУОРЭТИЛЕН

Материал из семейства фторопластов. В России известен как Фторо-пласт-4. Разработан американской компанией DuPont и поставляется за рубежом под торговой маркой Тефлон. PTFE обладает уникальными физико-химическими свойствами. По своей химической стойкости превышает все известные синтетические материалы и благородные металлы. Не разрушается под влиянием щелочей, кислот, ГСМ и даже смеси азотной и соляной кислот. Разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифто-ридом хлора. В высшей степени термо-, морозо- и атмосферостойкий, негорючий материал с очень высокой электрической прочностью и ценным комплексом других физических свойств. Совершенно не смачивается водой. Успешно применяется в качестве сухих смазок, так как является великолепным антифрикционным материалом с крайне низким коэффициентом трения скольжения.

Из PTFE изготавливают термостойкие и химически стойкие термоусажи-ваемые трубки для целей, определяемых свойствами материала. Диапазон рабочих температур от -60°С до +270°С, температура усадки от +350°С до +370°С. Применяют термоусаживае-мые трубки из фторопласта для изготовления лабораторного оборудования, прецизионных инструментов и приборов, работающих в неблагоприятных и агрессивных средах (в том числе в горюче-смазочных материалах), в авиакосмической отрасли, автомобильной, электротехнической и других областях промышленности. Трубки из PTFE, как правило, прозрачны, но имеют характерный голубоватый отлив. Трубки не очень эластичны и сравнимы по этому параметру с PVDF. Из минусов трубок PTFE необходимо отметить их высокую стоимость (как из-за стоимости самого материала, так и по причине технологических сложностей их изготовления), а также хла-дотекучесть и невысокую стойкость к радиационному облучению.

PVDF - ПОЛИВИНИЛИДЕН ФЛУОРИД

Полимер из группы фторполи-меров. За рубежом часто встречается под названием Kynar®, реже Hylar или Sygef. В России часто называется ПВДФ. Свойства PVDF во многом схожи со свойствами PTFE, и это не удивительно, так как оба полимера относятся к фторсодержащим. PVDF обладает исключительной химической инертностью и стойкостью к кислотам, щелочам, растворителям, горюче-смазочным материалам и другим агрессивным агентам. Хорошо сопротивляется горению, почти не выделяет дыма при нахождении в пламени. Обладает очень хорошей механической прочностью. Выдерживает высокие температуры до +175°С, а некоторые его модификации даже до +190°С. Эти значения, конечно, ниже, чем у PTFE, но существенно выше, чем у полиолефинов. Поливинилиден выпускается в виде листов, трубок, пленок и т.д. Трубки из PVDF на вид, как правило, прозрачные, полужесткие, не очень эластичные. Поливинили-ден флуорид обладает отличными электроизоляционными свойствами, поэтому с успехом применяется для электрической изоляции компонентов лабораторного и прецизионного электрооборудования, датчиков и т.д., работающих в сложных условиях.

Трубки из PVDF могут применяться в качестве путепроводов для активных химических реагентов в химической промышленности. PVDF используют при изготовлении литий-ионных батарей, полупроводников, в медицинском оборудовании. По сравнению с другими фторполимерами PVDF относительно дешев и проще поддается обработке, но все же, его стоимость более высокая, чем у полиолефинов.

FEP - ФТОРЭТИЛЕН-ПРОПИЛЕН (ФТОРОПЛАСТ-4МБ)

Сополимер гексафлуорпропилена - FEP мягче, чем PTFE и плавится (размягчается) при +260…280°C. Он очень прозрачен и очень устойчив к воздействию солнечного света (ультрафиолетовому излучению). Химические и физические свойства сходны с PTFE, но FEP несколько проще поддается формованию. Имеет температуру плавления и рабочую температуру чуть меньшую, чем PTFE и FPA. Данный полимер малоизвестен в России в качестве материала для производства термоусаживаемых трубок. Трубки из этого полимера являются большой редкостью и применяются в основном при разработке высокотехнологичных приборов и изделий.

PFA - ПЕРФТОРАЛКОКСИ (ФОРОПЛАСТ-50)

Флуорполимер со свойствами, схожими с PTFE. Обладает прекрасной химической стойкостью, низким коэффициентом трения и другими характеристиками, как у PTFE. Температура плавления +300…315°C.

Рис.2 Силиконовые трубки

Рис.3 Трубки из материала FEP

СИЛИКОНЫ

Силиконы (от лат. Silicium - кремний) - большая группа органических веществ сложного строения, в составе которых присутствует кремний. Более правильно называть силиконы поли-меризованными силоксанами (крем-нийорганическими полимерами). Силиконы могут быть синтезированы в широчайших вариациях: от жидких (силиконовое масло) или резиноподобных до твердых, как пластик, и обладать различными свойствами. Мы рассмотрим резиноподобные силиконы, так как из них изготавливают различные трубки, в том числе и термоусаживаемые.

Существует множество видов силиконовых резин, с различающимися характеристиками, однако основными ценными свойствами многих силиконовых резин являются гибкость, хорошая электрическая прочность, высокая химическая инертность, низкая токсичность, широкий диапазон рабочих температур и т.д. Наиболее употребительными являются диметил, триметил и тетраэтилсилоксановые резины. В России данную группу продуктов называют кремнийорганическими резинами.

Химическую стойкость кремний-органических резин можно охарактеризовать как хорошую. Силоксаны устойчивы к большинству кислот и щелочей, за исключением концентрированных щелочей и концентрированной серной кислоты. К сожалению, силиконовая резина растворяется в большинстве органических растворителей и высших спиртах, что не позволяет использовать ее совместно с ГСМ.

Из силиконовой резины изготавливают огромное количество разнообразных изделий, в том числе силиконовые трубки, применяемые, например, для изоляционных целей, так как они обладают высокой электрической прочностью. Процесс сшивки силикона сложнее, чем обработка полиолефина и требует более сложной технологии. Кроме того, силиконовая резина - дорогой полимер. По этой причине термоусаживаемые трубки из силикона редки, их производят только некоторые компании, например Raychem, Woer. Использование таких трубок ограничено специфическими сферами применения, где есть необходимость в уникальных свойствах силиконовой резины, а именно неизменность гибкости в широком диапазоне температур и повышенная теплостойкость. По данным свойствам силикон близок к эластомерам. Коэффициент усадки силиконовых трубок редко превышает 1,5:1.

ЭТИЛЕН-ПРОПИЛЕН-ДИЕНОВАЯ РЕЗИНА (EPDM)

EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer rubber) - этилен-пропилендиеновая резина, получаемая искусственным путем, относящаяся к синтетическим эластомерам. EPDM обладает рядом ценных свойств: водостойкостью, устойчивостью к озону, стойкостью к нагреву до высоких температур и к низким температурам. Материал обладает высокой износостойкостью, не токсичен, не аллерги-чен, не пылит и не выделяет в атмосферу вредных веществ. EPDM имеет высокую электрическую прочность, приближающуюся по значению к силиконовой резине.
Материал EPDM демонстрирует хорошую совместимость с огнестойкими гидравлическими жидкостями, кетонами, горячей и холодной водой и паром, щелочами.

Этилпропилендиеновая резина плохо совместима с большинством масел, бензином и нефтепродуктами, ароматическими и алифатическими углеводородами, галогенсодержащи-ми растворителями и концентрированными кислотами.

Сферы применения EPDM чрезвычайно широки. Это и различные резинотехнические изделия, ремни, прокладки, мембраны, уплотнитель-ные и герметизирующие материалы, покрытия спортивных дорожек и т.д.

Часто EPDM-материал применяется в качестве вспомогательного средства для повышения водостойкости высоковольтных кабельных муфт.
Трубки из EPDM, как правило, имеют черный цвет, шероховатую поверхность, хорошую стойкость к повышенным температурам. Коэффициент усадки термоусаживаемых трубок из EPDM невысок, составляет 1,5-1,7 к 1. Термоусаживаемые трубки из EPDM производятся далеко не каждым производителем термоусадки, в настоящий момент они мало распространены и почти неизвестны на российском рынке.

Надеемся, что после ознакомления с описаниями полимеров, применяемых для производства термоусажи-ваемых изделий, вы сможете сделать осознанный выбор, наиболее соответствующий вашим потребностям. Добавим лишь, что при выборе между трубками со схожими свойствами из различных полимеров стоит, по возможности, смещать выбор в пользу более дешевых и распространенных материалов, но при этом не экономить на качестве продукции.