Zagadnienia doboru i kryteria oceny uszczelek do okien z materiałów gumopochodnych

W niedalekiej przeszłości okno lub powierzchnia przeszklona były traktowane przez projektantów jako najsłabsze ogniwo w systemie termoizolacyjnym obiektu.

Obecnie, w świetle ewidentnych osiągnięć w technologii produkcji szkła absorpcyjnego, niskoemisyjnego, barwionego i innych rodzajów, okna i powierzchnie przeszklone rozpatrywane są jako elementy pozyskiwania energii słonecznej, zwłaszcza w przypadkach takich, gdy ww. rodzaje szkła łączy się w zestaw szyb i okien zespolonych.

Nie ulega wątpliwości, że łączenie różnego rodzaju szkła w systemy wielofunkcyjne wymagało pokonania kolejnych barier w celu znalezienia odpowiednich materiałów konstrukcyjnych i uszczelniających.

Aktualnie na rynku polskim dominuje typ szyb zespolonych z ramką aluminiową i podwójnym systemem uszczelnienia (butyl, tiokol), ale w innych krajach występuje większa różnorodność tego typu rozwiązań. Różnice są w typie ramek dystansowych i w środkach uszczelniających. Szczególnie duży postęp technologiczny obserwuje się w materiałach uszczelniających, których różnorodność przemysłowych zastosowań wyraźnie przewyższa ramy uregulowań normowych i to zarówno w zestawie materiałowym jak metodach oceny.

1. Aktualne metody badań i rodzaje uszczelek okiennych

Według aprobaty technicznej ITB na tworzywowe systemy w oknach i drzwiach balkonowych z kształtowników z wysokoudarowego PVC można znaleźć tylko dwa zapisy: uszczelki powinny być wykonane z kauczuku syntetycznego EPDM (etyleno-propylenodienowego) oraz uszczelki powinny spełniać wymagania DIN 7863:1983.

Określenie „kauczuk EPDM” jest w tym przypadku mylące, bowiem tworzywo, z którego otrzymuje się uszczelki jest kauczukiem wulkanizowanym a więc wykazującym właściwości gumy, w którym cecha elastyczności uległa w procesie wulkanizacji istotnemu ograniczeniu. Proces wulkanizacji kauczuku EPDM ma jeszcze tą niedogodność, że w wyniku podwyższenia cech mechanicznych, ograniczeniu ulegają właściwości plastyczne.

W związku z tym, w wyniku dalszych poszukiwań odpowiednich materiałów tworzywowych na uszczelki, w latach dziewięćdziesiątych XX w. zwrócono uwagę na tworzywa termoplastyczne wykazujące tylko w ograniczonym zakresie cechy elastyczne, tzw. TPE (termoplastyczne elastomery).

Przykładem ich mogą być kauczuki termoplastyczne oparte o różne bazy polimerów najczęściej komponowanych (blend) i kopolimerów:

– polipropylenu z udziałem terpolimeru EPDM,

– polichlorku winylu modyfikowanego kauczukiem akrylowym,

– kopolimeru EPM etyleno-propylenowego,

– kopolimeru SBS styreno-butodieno-styrenowego,

– kopolimeru SEBS styreno-etyleno-butadieno-styrenowego.

Posiadają one szereg korzystnych cech dla pracy uszczelki w różnych temperaturach dyktujących konieczność zachowania przez materiał określonych (przez jego rozszerzalność cieplną) właściwości mechanicznych. (tab. 1).

Tablica 1. Porównanie właściwości materiałów uszczelkowych.

Z zestawienia wymagań zawartych w tab. 1 wynika, że tworzywo TPE odznacza się dwukrotnie niższą wytrzymałością na rozerwanie w stosunku do EPDM a jednocześnie wykazuje wyższą wydłużalność przy zerwaniu. Ponadto TPE wykazuje lepszą odporność na niskie temperatury.

Badania laboratoryjne TPE i obserwacje pracy uszczelek z tego materiału doprowadziły do wniosku, że wygórowane wymagania wytrzymałości na rozerwanie tworzywa uszczelniającego są zbędne a ponadto wpływają na inne ważne cechy techniczne materiału. Stąd marginalizacja tej właściwości w ocenie jakości i poszukiwanie nowych testów i metod oceny jakości.

Biorąc pod uwagę specyfikę pracy materiału oraz możliwości opracowania technologii poprzez komponowanie wieloskładnikowych układów (blend) i oddziaływań chemicznych (kopolimeracji, sczepiania), autorzy proponują metodę oceny cech elastyczno-plastycznych tworzywa na drodze eksperymentalnej poprzez analizę krzywej obciążenie-odkształcenie i odciążenie-odkształcenie tej samej próbki w stałej temperaturze. Badania tego typu mogą być pomocne zarówno na etapie ustalania receptury, jak oceny jakości produktu końcowego, tj. tworzywa przeznaczonego na uszczelki. Przykłady takich krzywych, charakteryzujących dwa różne tworzywa (kauczuk, materiał plastyczny) w tej samej temperaturze przedstawiono na rys. 1 i rys. 2. Interpretacja krzywych zawartych na rys. 1 i rys. 2 jest następująca: krzywa na rys. 1 przedstawia typowe zachowanie materiału kauczukopodobnego, w którym odkształcenie w wyniku oddziaływania siły jest bardzo duże i może dochodzić nawet do 1000%. Kształt krzywej odkształcenia ma formę litery S i rozpoczyna się od początku układu, co świadczy iż najniższe nawet obciążenie powoduje narastanie odkształcenia materiału chociaż jego intensywność (odkształcenie) jest różna i dlatego na krzywej odkształcenie-naprężenie można zauważyć trzy etapy:

– w etapie pierwszym, umiarkowanym naprężeniom towarzyszą niezbyt duże odkształcenia, co strukturalnie uzasadnia się prostowaniem nieuporządkowanych przestrzennie łańcuchów węglowodorowych w materiale,

– w etapie drugim, niewielkim naprężeniom odpowiadają bardzo duże odkształcenia wynikające z niszczenia słabych sił van der Waalsa między uporządkowanymi już łańcuchami węglowodorowymi,

– w etapie trzecim, bardzo dużym naprężeniom towarzyszą minimalne odkształcenia a materiał zachowuje się jak typowe ciało sprężyste, stosując się do prawa Hooke’a. W tym stanie naprężeń o zachowaniu materiału decydują siły chemiczne między atomami węgla w łańcuchu.

W tym etapie (III) po przekroczeniu naprężeń krytycznych następuje zerwanie materiału. O ile naprężenie krytyczne nie zostanie osiągnięte a ponadto próbka materiału kauczukopodobnego zostanie odciążona, nastąpi najpierw częściowy i bardzo szybki (natychmiastowy) nawrót sprężysty i następnie nieco wolniejszy nawrót elastyczny, by po stosunkowo krótkim czasie próbka wróciła do wyjściowych wymiarów. Przy, w miarę dokładnej ewidencji kolejnych wartości obciążenia i odkształcenia a następnie odciążenia i odkształcenia próbki materiału kauczukopodobnego, krzywa obciążenia pokrywa się z krzywą odciążenia. Strukturalna interpretacja takiego zjawiska opiera się na stwierdzeniu, że siły wewnątrzatomowe i międzycząsteczkowe materiału zrównoważyły energię mechaniczną zużytą na jego odkształcenie.

W odrębny sposób zachowują się materiały plastyczne, co odwzorowuje rys. 2. W ogólności plastycznością nazywa się zdolność materiału do zachowania trwałych odkształceń, tzn. do zachowania zmian kształtów i rozmiarów po usunięciu sił i obciążeń, które odkształcenia te powodowały. Odkształcenie to jest skutkiem trwałego przemieszczenia atomów w materiale. Ma to miejsce wówczas, gdy następuje przekroczenie określonego naprężenia, zwanego granicą plastyczności materiału. Mechanizm odkształceń plastycznych determinuje budowa materiału: w materiałach krystalicznych następuje w efekcie poślizgu wzdłuż określonych płaszczyzn krystalicznych, w bezpostaciowych jest efektem ślizgania się makromolekuł na indywidualnych cząsteczkach lub grupach cząsteczek.

Podobnie jak w materiałach kauczukopodobnych również w materiałach plastycznych odkształcenie odbywa się w wyniku wydatkowania energii mechanicznej a więc wykonania pracy na układzie, a w przypadku materiałów plastycznych – pracy odkształcenia plastycznego. Wartość tej pracy równa się powierzchni zakreślonej przez krzywą obciążenia i odciążenia (rys. 2.).

Wiadomo, iż przedstawione na rys. 1 i rys. 2 krzywe przedstawiają dwa skrajnie różne materiały, które nie mogą odwzorowywać właściwości tworzyw stosowanych do uszczelek okiennych i drzwiowych, ponieważ ich specyfikacja pracy wymaga zachowań pośrednich, tj. elastyczno-plastycznych. Dla zachowania całkowitej szczelności ramki dystansowej w układach zespolonych nowoczesnych okien, wymagane są materiały uszczelkowe zachowujące odwracalność odkształcenia i być częściowo plastyczne, by dostosować się do występujących nierówności, wypełnić je dokładnie i w konsekwencji zapewnić absolutną szczelność układu. Każda z cech jest niezbędna do dostosowania pracy uszczelki do zmieniających się warunków atmosferycznych, którym towarzyszą zmiany temperatury, a tym ostatnim – zmiany wymiarów tworzywa ramki dystansowej (np. aluminium), szkła i samego tworzywa uszczelkowego..

Przedstawiony wykres odwzorowuje zachowanie materiału w określonej (stałej) temperaturze, zmiana której będzie również wpływała na zwiększenie lub zmniejszenie odkształcenia plastycznego. Na kształt krzywych reologicznych wywiera również wpływ wzajemny stosunek żywicy kauczukopodobnej do żywicy termoplastycznej. Przykładem takiego kompozytu jest obecnie stosowane tworzywo o nazwie Santoprene stanowiące mieszaninę dynamicznie przetworzonego EPDM (elostometr) i propylenu (plastomer).

Przedstawiony powyżej wykreślny sposób odwzorowania badań eksperymentalnych w systemie naprężenie-odkształcenie może być wykorzystany podczas doboru składowych żywic przy tworzeniu mieszanin (blend) jako tworzyw uszczelkowych. Może być również zastosowany w atestacji gotowych już tworzyw tego rodzaju, w miejsce stosowanych dotychczas i krytykowanych metod badania wytrzymałości na zerwanie i wydłużenie względne przy zerwaniu (tab. 1).

Ważnym problemem technicznym w przypadku materiałów na uszczelki okien jest ich odporność na starzenie atmosferyczne. Dotychczas stosowane uszczelki z wulkanizowanego siarką kauczuku albo gumowe z udziałem sadzy w swoim składzie, nie mogły satysfakcjonować właśnie z powodu niskiej odporności na starzenie, w których sadza i jej rozwinięta powierzchnia była czynnikiem sprzyjającym wszelkiego rodzaju procesom oksydacji i polimeryzacji substancji węglowodorowych, co wywoływało utwardzenie materiału uszczelkowego i utratę jego właściwości elastyczno-plastycznych. Również z tego powodu zaistniała potrzeba poszukiwania nowych materiałów polimerowych, które lepiej od dotychczasowych spełniają swoje funkcje eksploatacyjne.

2. Nowe generacje termoplastycznych elastomerów (TPE) w zastosowaniu do materiałów uszczelniających

Jest to nowa generacja kauczuków, które zachowują się w sposób specyficzny, a mianowicie: w stanie stałym przejawiają właściwości charakterystyczne dla elastomerów, natomiast w podwyższonej temperaturze topią się i zachowują jak typowe termoplasty, wskutek czego mogą być przetwarzane metodami właściwymi dla termoplastów (wtrysk, wytłaczanie, itp.). Ponadto nie wymagają dodatku specjalnych wkładów wulkanizujących bowiem sieciowanie zachodzi pod wpływem fizycznych wiązań sieciujących.

Istotnym wyróżnikiem TPE jest ich specyficzna struktura. Są to kopolimery blokowe, składające się z przemiennych bloków (tzw. sztywnych segmentów) termoplastycznych i bloków elastomerowych (tzw. miękkich segmentów) przy czym te segmenty termoplastyczne mogą być semikrystaliczne lub amorficzne, mogą być również kompozycje (blendy) polimerów z osobno wydzieloną fazą, gdzie twarde segmenty tworzą krystaliczną strukturę lub ciągłą fazę, w której występują oddzielne segmenty elastomeru.

Główną pozycję wśród elastomerów termoplastycznych zajmują styrenowe kopolimery blokowe S-TPE (ok. 50%), następnie poliolefinowe O-TPE (ok. 27%), poliuretany TPU (ok. 7%), kopolieteroestry TPE (ok. 5%) i inne, (w tym poliamidowe TPE, ok. 7%).

Do tej grupy materiałów należy produkt firmy Shell SEBS (styren-etylen-butadien-styren) z poliamidem 66.

Wielka różnorodność pojawiających się na rynku elastomerów termoplastycznych i nowych materiałów na ich podstawie zapowiada, że z biegiem czasu mogą one zdecydowanie wyprzeć kauczuki i tworzywa termoutwardzalne z wielu tradycyjnych dziedzin zastosowania. Wymienione termoplastyczne elastomery styrenu (S-TPE) charakteryzują się:

– dużą elastycznością i giętkością, w tym również niskich temperaturach (do –40°C);

– bardzo dobrą odpornością na warunki atmosferyczne oraz czynniki utleniające (dotyczy to SEBS);

– dobrą wytrzymałością mechaniczną;

– łatwością przetwarzania na typowych maszynach, charakterystycznych dla przetwórstwa termoplastów;

– możliwością ponownego przetwarzania odpadów (recyklingu).

Termoplastyczne elastomery styrenu (S-TPE) są stosowane w wielu dziedzinach, takich jak:

– przemysł motoryzacyjny (listwy drzwi, przewody, uszczelki),

– budownictwo (uszczelki drzwi i okien, rury, węże),

– elektrotechnika (izolacje drutów i kabli, wtyczki, osłony wyłączników).

Firma AES (Belgia) oferuje wiele typów termoplastycznych elastomerów o różnorodnym zastosowaniu, pod ogólną handlową nazwą Santropen, które są alternatywą dla zastąpienia np. polichloroprenu, EPDM i kauczuku polipropylenowego. Charakteryzują się one m.in. dobrą odpornością na oleje i inne chemikalia a uformowane z nich wyroby mogą być użytkowane w szerokim zakresie temperatur (od –40 do 135°C).

Również firma DSM wprowadziła na rynek nowy produkt pod nazwą Sarlink, będący termoplastycznym elastomerem usieciowanym (TPE-V). Stosuje się go do wytwarzania uszczelnień drzwi i okien, podobny wyrób produkuje również firma Kraiburg, pod handlową nazwą Parcel K, składający się z kompatybilizowanej 1 mieszaniny polipropylenu i usieciowanego akrylanu butylu.

Zarówno wyrób ostatni jak wcześniej wymienione produkty nowej generacji TPE wyróżniają się bardzo korzystnymi właściwościami użytkowymi a zwłaszcza wyważonym stosunkiem składowej elastycznej do plastycznej. Są one ponadto podatne do recyklingu a nawet biodegradowalne.

Prof. dr hab. inż. Bogusław Stefańczyk
Dr inż. Paweł Mieczkowski
Politechnika Szczecińska

Wykaz literatury:

[1] Wienskowski K.: Aktualne problemy z oceną uszczelek do okien i drzwi. Okno 3 (10) 97.

[2] Szlezyngier W.: Tworzywa sztuczne. t. 3 FOSZE, Rzeszów 1999.

[3] Stefańczyk B., Lipczyńska J.: Budownictwo ogólne t. I „Materiały i wyroby budowlane” Arkady, str. 80.

[4] Wyatt O. H., Dew-Huges D.: Wprowadzenie do inżynierii materiałowej, WN-T, Warszawa 1978.

[5] Blicharski M.: Wstęp do inżynierii materiałowej. WN-T, Warszawa 2001.