Jaką uszczelkę wybrać?

Zastanawiając się nad wyborem uszczelki, którą zastosujemy w naszym wyrobie nie możemy koncentrować się tylko na jej kształcie lub, co gorsza, cenie. Równie ważny, a w niektórych wypadkach ważniejszy jest surowiec z jakiego jest ona wykonana. Poniżej przedstawiłem schemat pokazujący podział polimerów z wyróżnieniem tych, z których najczęściej wykonuje się uszczelki.

Jeśli odniesiemy do tego coraz wyższe wymaganie stawiane temu niepozornemu wyrobowi jakim jest uszczelka tzn.:

dochodzimy do wniosku, że jest to produkt dużo bardziej skomplikowany niż większość z nas przypuszcza.

Producenci prześcigają się w wymyślaniu coraz to nowych materiałów po to, by jak najpełniej zaspokoić rosnące potrzeby swych klientów, a jednocześnie obniżyć koszty produkcji. W ostatnich latach zainteresowanie producentów uszczelek kieruje się w stronę stosunkowo nowych materiałów jakimi są elastomery termoplastyczne, a w szczególności termoplastyczne elastomery oleinowe określane w skrócie jako TPE V. Przystępując do ich omówienia chciałbym przedtem, w skrócie, opisać również inne materiały służące do produkcji uszczelek.

Plastyfikowany Polichlorek Winylu (PVC-P):

Jest łatwiejszy i tańszy w produkcji od stosowanego od lat kauczuku EPDM gdyż termoplastyczne przetwórstwo eliminuje proces wulkanizacji i sprawia, że produkcja jest praktycznie bezodpadowa. Uszczelnienia z plastyfikowanego PVC wytwarza się metodą wytłaczania w postaci profilu o określonym kształcie. Kształt profili dobiera się w taki sposób, aby ściśle przylegały do uszczelnianych elementów. Materiał ten można dowolnie modyfikować i w efekcie uzyskuje się uszczelnienie o szerokim wachlarzu zastosowań, odporne na różne media (np. oleje, tłuszcze itd.). Uszczelnienia z polichlorku winylu są szeroko stosowane szczególnie w budownictwie ze względów głównie ekonomicznych i właściwości użytkowych. Niestety jest on mało odporny termicznie o niskiej sprężystości i zdolności utrzymania pierwotnego kształtu. Jego zaletą jest możliwość zgrzewania w narożach oraz uzyskiwania różnych kolorów oraz łatwość uzyskiwania pożądanych kształtów. Ostatnio niektórzy producenci oferują uszczelki ze spienionego PVC-P, dzięki dokładniejszemu dopasowaniu się lepiej spełniają one swe funkcje uszczelniające.

Termoplastyczne elastomery (TPE):

Podobnie jak plastyfikowany polichlorek winylu nie wymagają wulkanizacji – przetwarza się je wszystkimi metodami stosowanymi w przypadku konwencjonalnych tworzyw termoplastycznych. Proces przetwórstwa elastomerów termoplastycznych jest zdecydowanie łatwiejszy w porównaniu z mieszankami gumowymi, a właściwości wyrobów są w wielu przypadkach niemalże porównywalne z właściwościami wyrobów na bazie kauczuków EPDM. Elastomery termoplastyczne są układami dwóch odrębnych faz: ciągłej, amorficznej i termoplastycznej (na przykład polipropylen [PP]) i semikrytalicznej, przerywanej.

Elastomery termoplastyczne można podzielić na kilka rodzajów:

Termoplastyczne elastomery oleinowe (TPE V) zwane również termoplastycznymi wulkanizatorami:

Określane jako kauczuki termoplastyczne są próbą połączenia zalet EPDM i elastomerów termoplastycznych. W zasadzie należą do grupy elastomerów termoplastycznych, jednak ze względu na ich unikalne własności postanowiłem omówić je osobno.

Tak jak e lastomery termoplastyczne są układem dwóch odrębnych faz: ciągłej, termoplastycznej, polipropylenu [PP] lub polietylenu [PE] i przerywanej, w większości EPDM-u, zwulkanizowanego w 95-98%. Stopień zwulkanizowania EPDM wprost proporcjonalnie decyduje o jakości wyrobu, a różnica nawet 1% w stopniu wulkanizacji jest bardzo wyraźnie odczuwalna. Dodać trzeba, że 98% stopień wulkanizacji EPDM jest osiągalny tylko przez najlepszych producentów z branży. W materiałach tych odniesiono pełny sukces połączenia zalet obu rodzajów materiałów (TPE i EPDM) uzyskując gładką powierzchnię, możliwość produkcji bardzo cienkich profili o małej tolerancji wymiarów, obniżenie ciężaru, odporność na promieniowanie UV, odporność na wszelkiego rodzaju farby i lakiery, własności uszczelniające zachowane przez wiele lat i niezmienne w szerokim zakresie temperatur, możliwość koekstruzji materiałów o różnej twardości i gęstości oraz możliwość spieniania.

Jeśli chcielibyśmy skoncentrować się tylko na technologicznym zaawansowaniu materiału to uzyskalibyśmy poniższy diagram, który pokazuje wzrost jakości wyrobu wraz ze wzrostem jego technologicznego zaawansowania.

Nie należy jednak zapominać, że właściwy dobór kształtu uszczelki ma istotny wpływ na jej własności. Ponadto w niektórych wyrobach, które nie są narażone na działanie agresywnych czynników uszczelnienie z gorszego materiału będzie również spełniało swe funkcję a będzie z pewnością tańsze.

Wracając jednak do obecnie najbardziej technicznie zaawansowanego materiału jakim jest TPE V to w procesie produkcji zachowuje się on tak jak materiał termoplastyczny jednak wyrób gotowy ma wiele cech wulkanizowanego EPDM. Stąd zapewne nazwa tego materiału „termoplastyczny wulkanizator”.

Na powyższym rysunku pokazana jest, w bardzo dużym powiększeniu, budowa tego materiału. W ciągłej masie amorficznego składnika np. polipropylenu zanurzone są małe cząstki niemal całkowicie zwulkanizowanego EPDM.

Dzięki takiej budowie materiał ten ma wiele pożądanych przez klientów cech, niektóre z nich są nieosiągalne dla gorszej jakości elastomerów termoplastycznych. Są nimi:

Poniżej znajduje się wykres przedstawiający zmieniający się w czasie współczynnik odkształcenia trwałego, który świadczy o zdolności uszczelki do powracania do pierwotnego kształtu po długotrwałym obciążeniu. Jest on najbardziej miarodajnym wskaźnikiem świadczącym o utrzymywaniu przez uszczelki pierwotnego kształtu, a więc własności uszczelniających w czasie ich użytkowania. Wykres pokazuje wyraźnie, że w dłuższym okresie użytkowania termoplastyczne wulkanizatory są trwalsze od wyrobów wykonanych z naturalnej gumy. Oczywiście jest to tylko wskaźnik pokazujący zachowanie się materiału, przekrój uszczelki może te własności polepszyć lub pogorszyć.

A oto niektóre zalety nowoczesnego materiału jakim jest TPE V w porównaniu z innymi materiałami używanymi do produkcji uszczelek.

W porównaniu do tradycyjnego TPE, TPE V charakteryzuje się:

W porównaniu do SEBS/SBS, TPE V ma:

W porównaniu do EPDM, TPE V:

W porównaniu do miękkiego PCV, TPE V:

Poniżej zamieściłem tabelkę jednego z wiodących producentów uszczelek, w której porównuje się niektóre, wybrane cechy dwóch materiałów do produkcji uszczelek, bardzo dobrego i w wielu dziedzinach niezastąpionego EPDM z bardzo nowoczesnym TPE V. Widać z niej, że w wielu przypadkach TPE V przewyższa swego starszego kolegę.

Każdy zdaje sobie sprawę, że bez uszczelki nie obejdzie się żadne nowoczesne okno, drzwi czy fasada niezależnie od systemu z jakiego są wyprodukowane. Umieszcza się je na całym obwodzie nadając im różne nazwy: przylgowe, oporowe, środkowe, przyszybowe lub akustyczne. Zabezpieczają przed utratą ciepła, wnikaniem chłodu, wilgoci, kurzu, pyłów i hałasu. Ich zdolności uszczelniające, izolacyjne oraz, przede wszystkim, trwałość zależą od materiału z jakiego są wykonane oraz jego właściwego doboru do warunków w jakich będzie pracował wyrób.

Ponieważ TPE jest najpowszechniej, jak dotąd, stosowane w wyrobach z drewna skoncentruję się na omówieniu kilku przykładów uszczelek przeznaczonych dla tych wyrobów.

W większości przypadków uszczelki do okien i drzwi drewnianych wykonane są z miękkiego PCV lub elastomerów termoplastycznych. Przyjęto to jako standard, który pozwala uzyskać szeroką gamę kolorystyczną przy zapewnieniu tej samej jakości wyrobu.

Przy stosowaniu uszczelek z elastomerów termoplastycznych zwrócić należy uwagę na rodzaj lakieru jakim maluje się wyrób. Przy lakierach rozpuszczalnikowych można stosować uszczelki z plastyfikowanego PCV, natomiast używanie lakierów wodnych wymaga stosowania uszczelek z TPE (elastomery termoplastyczne) lub TPE V (termoplastyczne wulkanizatory).

Podstawowa uszczelka do okna drewnianego ma stopkę mocującą przystosowaną do rowka od 4,0mm do 5,0mm i wysokość główki 12,0mm. Poniżej pokazano trzy różne uszczelki z elastomerów termoplastycznych. Najprostsza w budowie (rysunek 1) jest wykonana z dwukomponentowego TPE o dwóch różnych twardościach, wyróżnionych na rysunku kolorami. Szarym kolorem zaznaczono materiał miękki a czarnym twardy. Zróżnicowanie twardości powoduje, że uszczelka jest łatwa w aplikacji, dobrze utrzymuje się w rowku a jednocześnie miękką częścią dobrze przylega i uszczelnia okno. Bardziej skomplikowana (rysunek 2), również wykonana jest z dwukomponentowego TPE o dwóch różnych twardościach ale z dodatkową komorą w środku. Oprócz zalet poprzedniej uszczelki dodatkowo zapewnia ona lepszą pracę przy zamykaniu okna. Opór uszczelki wzrasta wraz ze wzrostem siły ściskającej co zapobiega uderzaniu skrzydła o ościeżnicę przy przypadkowym trzaśnięciu oknem. Najbardziej zaawansowana uszczelka wykonana jest ze spienionego TPE (rysunek 3). Spieniony materiał, zaznaczony na rysunku jaśniejszym kolorem, jako bardzo miękki, elastyczny i doskonale dopasowuje się do wszelkich nierówności zapewniając pełną szczelność okna na całym jego obwodzie. Oprócz tego opór podczas zamykania okna wzrasta liniowo, a nie skokowo tak jak w przypadku uszczelki z rysunku 2. Dodatkowo dzięki zamkniętym pęcherzykom powietrza zgromadzonym w części uszczelniającej uszczelka ta ma bardzo dobre właściwości termoizolacyjne i dźwiękochłonne.

Rysunek 1 Rysunek 2 Rysunek 3

By podnieść szczelność okna i zapewnić dodatkową izolację akustyczną umieszcza się na zewnętrznej krawędzi skrzydła dodatkową uszczelkę, która doszczelnia całe okno. Pokazane na rysunku nr 4 uszczelki są wykonane w części pracującej ze spienionego TPE. Są miękkie, dzięki czemu dobrze dopasowują się do krawędzi, a zamknięte w profilu pęcherzyki powietrza zapewniają im bardzo dobre właściwości termoizolacyjne i dźwiękochłonne. Dodatkową zaletą uszczelki najmniejszej jest to, że można ją układać wokół okna bez nacinania w narożach.

Rysunek 4

Uszczelki do drewnianych drzwi wewnętrznych to temat niezbyt rozległy. Większość producentów stosuje uszczelki o kształcie zbliżonym do tych pokazanych na rysunku 5. Czynnikiem, który różnicuje uszczelki do drzwi wewnętrznych jest rodzaj lakieru używanego przez producentów. Uszczelki przeznaczone do lakierów rozpuszczalnikowych wykonane są zwykle z plastyfikowanego PCV, a uszczelki przeznaczone do lakierów wodnych z TPE. Zaznaczyć należy, że uszczelki przeznaczone do lakierów wodnych nadają się również do lakierów rozpuszczalnikowych. Lecz są nieco droższe.

Uszczelki do wewnętrznych drzwi przylgowych

z dużą tolerancją kompensacji

Typowe uszczelki do wewnętrznych

drzwi przylgowych

Rysunek 5

Z kolei drewniane drzwi zewnętrzne to wyrób specyficzny. Stanowią one wizytówkę domu, więc muszą być ładne, trwałe, szczelne i funkcjonalne. Uszczelka w takich drzwiach często i niestety uznawana jest za zbędny a wymagany dodatek, którego funkcja nie do końca jest zrozumiała. Jest to duży błąd. Właściwie dobrana uszczelka lub ich zestaw w bardzo dużym stopniu wpływa na jakość, trwałość, a przede wszystkim szczelność wyrobu.

Uszczelka w drzwiach zewnętrznych pełni kilka funkcji. Uszczelnia drzwi przed przenikaniem powietrza i wody, izoluje akustycznie i termicznie, a także stanowi pewnego rodzaju amortyzator. Drzwi zewnętrzne są ciężkie i często zamykane z rozmachem mogą trzaskać. Dobra uszczelka powinna uniemożliwić trzaskanie drewna o drewno i wyhamować rozpędzone skrzydło. Z tych powodów uszczelki do drzwi zewnętrznych mają specjalną, wzmocniona konstrukcję, są zrobione z większej ilości materiału w przekroju w stosunku do tych samych rozmiarów uszczelki okiennej. Niewątpliwie najlepszym materiałem na tego rodzaju uszczelki jest guma silikonowa. Jest ona trwała, sprężysta przez wiele lat i całkowicie odporna na warunki atmosferyczne, takie jak zmienne temperatury, ozon i promieniowanie UV. Przykład takiej uszczelki pokazano na rysunku 6.

Ze względy na swoje właściwości guma silikonowa jest materiałem bardzo drogim i niewielu producentów decyduje się na jej stosowanie w swych wyrobach. Tańszą alternatywą do uszczelek silikonowych są uszczelki z TPE lub TPV pokazane na rysunkach 7 i 8. Pierwsza z uszczelek (rysunek 7) ma wzmocnioną konstrukcję a jej ścianki są wystarczająco grube by wytrzymać napór ciężkich drzwi zewnętrznych przez wiele lat. Uszczelka taka dobrze zabezpieczy nasz dom przed wnikaniem chłodu, wody czy nadmiernej ilości dźwięków. Dwie omówione wyżej uszczelki mają jeszcze jedną zaletę, ze względu na wielkość części uszczelniającej są w stanie uszczelnić drzwi o luzie od 9,0 do 5,0mm. Jest to bardzo ważne, gdyż czasami zdarza się, że drzwi zewnętrzne ulegną wypaczeniu lub skręceniu. Mają wtedy nierówny luz na swym obwodzie. Uszczelka o dużej tolerancji jest w stanie skompensować te niedokładności.

Zupełnie tanim i przez to niezbyt doskonałym, ale wystarczająco trwały rozwiązaniem uszczelnienia drzwi zewnętrznych jest uszczelka z rysunku 8. Ma ona tylko lekko wzmocnioną konstrukcję ale o jej przydatności do drzwi świadczą grube ścianki. Chciałby w tym miejscu przestrzec producentów i użytkowników drewnianych drzwi zewnętrznych przed stosowaniem w tych wyrobach uszczelek okiennych. Jest to niedopuszczalne. Uszczelki okienne są delikatniejszej konstrukcji, mają cienkie ścianki i niedostatecznie usztywnioną komorę uszczelniającą. Nie są one w stanie wytrzymać nacisku ciężkiego skrzydła i po krótkim, kilkumiesięcznym okresie użytkowania są tak spłaszczone, że ich własności uszczelniające są bliskie zeru. Naprawdę minimalne oszczędności uzyskane w ten sposób mogą zostać szybko skonsumowane z nadwyżką przez niezadowolonych klientów zgłaszających reklamacje dotyczące nieszczelności w drzwiach.

Rysunek 6 Rysunek 7 Rysunek 8

Temat uszczelek do stolarki drewnianej chciałbym zamknąć profilami przeznaczonymi do szklenia. Coraz więcej producentów okien drewnianych, zwłaszcza tych eksportujących swe wyroby do Europy Zachodniej czy Skandynawii, wychodząc naprzeciw życzeniom swych klientów i jednocześnie chcąc sobie uprościć proces produkcji, do szklenia okien zamiast silikonu używają specjalnego rodzaju uszczelek osadzanych we wrębie (rysunek 9 i 10). Jest bardzo wiele rodzajów uszczelek przeznaczonych do szklenia zarówno samoprzylepnych jak i wciskanych, wszystkie one funkcjonują pod nazwą uszczelki do „suchego szklenia”. Metoda ta zapewnia powtarzalność wyglądu okna, gdyż uszczelki, w przeciwieństwie do warstwy silikonu, zawsze wyglądają tak samo oraz eliminuje błędy, które mogą się zdarzyć przy nakładaniu silikonu, a które mogą powodować przenikanie wody do wnętrza okna. Ponadto uszczelki takie, założone we właściwy sposób, dają gwarancję absolutnej szczelności okna przez wiele lat, w razie potrzeby wymiana szyby jest bardzo prosta i co najważniejsze okno takie zaraz po oszkleniu jest gotowe do transportu, gdyż nie ma konieczności suszenia silikonu.

Rysunek 9 Rysunek 10

Uszczelki do szklenia są niezastąpione w oknach aluminowo-drewnianych. Ten typ okien jest bardzo mało popularny ze względu na swoją wysoką cenę. Jednak ich wygląd i trwałość w pełni uzasadniają taki wydatek. Kombinacja aluminium od zewnątrz zapewnia wieloletnią trwałość, gdyż aluminium jest bardzo odporne na agresywne działanie środowiska zewnętrznego, a drewno od wewnątrz daje estetyczny i ciepły „domowy” wygląd. Uszczelki z TPE V stosowane w tym typie okien spełniają najwyższe wymagania jakościowe gdyż wykonane są z kombinacji masywnego i spienionego materiału. Dopasowują się więc dokładnie do ewentualnych nierówności drewna, a możliwość barwienia jest ich dodatkową zaletą. Ich konstrukcja zapewnia łatwy montaż, właściwe przyleganie do konstrukcji i szyby, a użycie materiału spienionego podnosi izolacyjność akustyczną całego okna. Przykłady takich uszczelek pokazano na rysunkach 11 i 12. Uszczelkę z rysunku 11 montuje się w profilu aluminiowym, a tę z rysunku 12 w części drewnianej.

Rysunek 11 Rysunek 12 Rysunek 13

Natomiast uszczelka z rysunku 13, która pełni funkcję uszczelki centralnej a jednocześnie łącznika między konstrukcją drewnianą i aluminiową wyraźnie pokazuje przewagę termoplastycznych wulkanizatorów nad EPDM. Jej jakość i trwałość ze względu na pełnioną funkcję uszczelniająco-łączącą musi być bardzo wysoka, taka jak EPDM. Jednocześnie łatwa możliwość zgrzewania zapewnia pełną szczelność okna na całym obwodzie. Zapewnienie takiej szczelności w przypadku uszczelek z EPDM możliwe jest tylko w kosztownym i skomplikowanym procesie dodatkowej wulkanizacji naroży lub doklejania odcinków prostych do specjalnych narożników, co jednak nie zawsze daje satysfakcjonujące rezultaty.

mgr inż. Marcin Różalski