高温および柔軟なシール用途向けシリコーンゴム部品
シリコーンシーリングソリューションを選択する前に、実際の温度媒体の動きと形状要件をどのように定義するか
シリコーンは、あたかも普遍的な耐熱温度範囲を持つかのように語られることが多い。しかし実際には、使用可能な限界温度は、化合物、暴露時間、周囲環境、シール形状、および許容される特性変化によって異なる。データシートに記載されている温度はあくまでも出発点であり、完成部品の承認を意味するものではない。
シリコーンゴム製の部品は、シールが幅広い温度範囲で弾性を維持し、耐候性を備え、電気絶縁性も必要とされる場合に魅力的です。熱と柔軟性が同時に求められる家電製品、電気システム、照明器具、産業機器、その他のアセンブリに使用されています。
設計上の問題は、シリコーンが耐熱性があるかどうかだけではありません。シリコーンゴム材料の選定においては、特定の化合物がシール力を維持し、接触媒体に耐え、組み立てに耐え、想定される熱的および機械的サイクル数に耐え、損傷を受けないかどうかを検討する必要があります。
シリコーンが熱によって異なる挙動を示す理由
シリコーンエラストマーのシリコン-酸素骨格は、幅広い温度範囲での安定性に寄与する。そのため、配合によって硬度、引裂強度、圧縮永久歪み、硬化挙動、および規制適合性などが異なる。したがって、同じシリコーンと呼ばれる2種類の材料でも、同じハードウェア内で異なる性能を発揮する可能性がある。
熱老化は、硬度の増加、伸びの低下、または圧縮回復性の変化を引き起こす可能性があります。酸素の供給量も重要です。パーカーOリングハンドブックには、高温シリコーンの空気老化試験結果が、あらゆる密閉環境を代表するとは限らないと記載されています。周囲の媒体によって老化メカニズムが変化するためです。
高温用シリコーンシールは、高温にさらされた後も十分な弾性反力を維持する必要があります。圧縮永久歪みが過剰になると、部品がジョイントの動きや公差の変化に追従できなくなる可能性があります。シールが滑らかで損傷がないように見えても、漏れが発生する場合があります。
短時間のピーク温度と連続暴露温度は別々に規定する必要があります。例えば、ダウ社は、ある特定の高温シーラントについて、-65℃～260℃の温度範囲を公表しており、短時間のピーク温度はより高い値を示しています。この数値はその製品と硬化システムに関するものであり、すべての成形シリコーン化合物に対する一般的な定格ではありません。
柔軟性のある素材だけが柔軟性の恩恵を受けることができる
柔軟性のある素材は、温度変化、振動、わずかな表面変位には対応できますが、適切なシール性を確保するには十分な圧縮が必要です。圧力が不足すると漏れの原因となり、逆に過度に圧縮すると組み立て時の力が増大し、ゴムにストレスがかかり、熱膨張や体積変化に必要な空間が失われてしまいます。
接触面の形状は、柔軟性のあるゴム製シールの性能に大きく影響します。部品の鋭角部は局所的な応力を発生させる可能性があります。薄いシールリップは、取り付け時にねじれたり破れたりすることがあります。接合面間の広範囲にわたる補強されていない領域は、圧力が加わった際に最初に押し出される可能性があります。シリコーンコンパウンドの柔らかな感触は、これらの形状上の危険性を完全に排除するものではありません。
設計者は、溝の最大寸法と最小寸法、接合部の動き、および想定される表面状態を明確に指定する必要があります。シールが適切に機能するためには、接合面が公称値だけでなく、極端な位置にある場合にも機能しなければなりません。
スタックアップ法を用いる主な理由の一つは、金属／プラスチック材料の構成要素は速度係数が異なる場合があり、一方の材料が膨張し、他方の材料が収縮するという影響が生じるためです。したがって、誤差やミスを避けるためには、適切なスタックアップ解析またはレビューが非常に重要です。
取り付けを補助したり、組み立て時に部品を所定の位置に導く鋭利なエッジは、破れや破損の原因となる可能性があります。そのため、取り付け時の損傷を避けるため、取り外し時に部品を破る可能性のある鋭利なエッジは、取り付け時に切り込みを入れることで最小限に抑える必要があります。部品をコネクタやソケットに被せる必要がある場合は、実際の組み立て方法を表すシミュレーションが絶対に必要です。実際、伸縮と表面の伸縮では影響が異なります。伸縮は破損につながる可能性がありますが、複数の層でシールする場合にのみ問題となります。
メディア露出が選考に影響を与える可能性
同じシール材でも、接触する媒体によって反応は異なります。冷却液、蒸気、乾熱、洗浄剤、燃料、油など、それぞれ異なる特性がシール材に求められます。シリコーンはゴムの一種ですが、他のゴムとは大きく異なります。耐油性や溶剤性など、様々な物質を試験した結果、もはやゴムとは呼べないほどです。実際、材料同士が接触すると、膨潤、軟化、抽出といった現象が発生し、材料の性能が低下する可能性があります。
こうした点を踏まえると、シリコーンゴムの材料選定は、材料が曝される媒体を正確に指定した上で、まず最初に行うべきことです。媒体の濃度、接触温度、接触時間、圧力レベルなど、材料の種類、材料が他の材料と混合されているか、使用後に補充されているかなどを記録しておくと役立つでしょう。組み立てペースト（組み立てを容易にし、摩擦を低減するために、取り付け直前に部品に塗布される潤滑グリース）でさえ、シールとペーストが非常に長い時間直接接触するため、シールシステムの性能に影響を与えます。
デュポン社が電気自動車の電源ケーブルとインバータユニット間の接続部を密閉するための材料と方法の開発に取り組んでいることは、この側面に対する一般の認識を高めるための優れたツールです。この研究は、高温（最高120℃）での湿気から接合部を保護するという要件に基づき、さまざまな種類のOリング（シリコーンやEPDMなど）を使用して実施されました。この試験では、潤滑剤の特性、ゴムとの適合性、熱特性を検証し、あらゆるゴムが適しているという前提に立つことなく、実際にはさまざまな種類のゴムで経年劣化試験を実施し、潤滑剤の特性を示し、従来の潤滑剤の挙動と比較しました。
このような例は、単に耐熱性の高い材料に切り替えることで解決できるということを示す事例ではありません。むしろ、両者の間に線を引いて、それらを一緒に考慮し分析する必要があることを示しています。これは、ゴム、グリース、熱、そしてアセンブリを収容する電気筐体、さまざまな成分の使用方法、そしてそれらの影響を研究することの重要性を示すものです。
シリコーンの使用には注意が必要な場合
シリコーンは、他の多くのシーリング用エラストマーに比べて、引き裂き強度や耐摩耗性が劣る場合が多い。パーカー社は、耐摩耗性が低いため、特定のシリコーン化合物は主に静的用途向けに推奨している。そのため、往復運動するロッド、回転軸、または摩耗しやすい設置経路では、別の材料または異なるシール構成が必要となる場合がある。
ガス透過性は、他の代替材料よりも高くなる場合があります。これは、真空、ガス保持、または長時間の加圧用途において問題となる可能性があります。適切な対応は、シリコーンを自動的に拒否するのではなく、許容漏洩率を設定し、実際の圧力と温度下で実際の形状をテストすることです。
ゴムと金属、あるいはゴムとプラスチックの接合においては、接着も重要な要素となります。表面処理、プライマー、汚染物質、硬化条件などが接着力に影響を与えます。ゴムの材料データシートだけでは、最終的なインサート成形部品における接着耐久性を証明することはできません。
食品接触用途、医療用途、または低揮発性用途には、追加の管理が必要です。供給業者の声明は、特定のグレード、硬化スケジュール、および硬化後の状態にのみ適用される場合があります。完成品、加工助剤、顔料、および洗浄方法は、適用される要件を満たしている必要があります。
共通基準とその役割
ASTM D2000は、加硫ゴム材料を熱老化の種類、油膨潤度等級、その他の特性要件に基づいて分類する試験方法です。これは、材料の品質を規定するための標準化された方法を提供します。さらに、ASTMは、用途のニーズが分類の範囲を超える場合、詳細な製品仕様が分類よりも優先されると述べています。
ISO 3601-5は、工業用Oリングに用いる様々なエラストマー材料を選定しており、これらのOリングの物性および試験方法について、使用者と供給者の双方が合意することを要求している。この規格は、ある程度材料仕様を規定しているものの、任意の形状、溝形状、または作動方式の認証は行っていない。
シール寿命が保証されているという証拠は、文書一つだけでは不十分です。標準的な引張試験では、成形された角部における材料の応力をシミュレートすることはできませんし、実験室での経年劣化試験は、混合流体や熱サイクルにおける実際の状態を代表するものではない可能性があります。規格は最低限の基準を示すものであり、実際の製品結果を示すのはアプリケーション試験です。
カスタムシリコーンゴム部品に関しては、技術仕様書または図面には、寸法、外観、機能に関する要件を通して材料要件を示す必要があります。製造チームと検査チームが作業時に常に仕様書を参照するようにするためには、重要な寸法、フラッシュ限界、表面欠陥、後硬化要件などを、彼らが理解できる言語で記述する必要があります。
完成部品の検証ルート
まず、管理された材料と寸法の確認から始めます。高温シリコーンシールの場合、コンパウンドの同一性、合意された特性、部品の寸法、および目視による成形状態を確認します。環境試験を開始する前に、溝と嵌合部品が許容範囲内にあるかを確認してください。
次に、組み立てたサンプルを連続動作温度および適切な熱サイクルで調整します。冷却後だけでなく、可能であれば暴露中に漏れやシール機能を測定します。高温での性能は、室温で検査したシールの見かけ上の状態とは異なる場合があります。
実際の使用時に想定される媒体、潤滑剤、洗浄残留物を加えてください。リスク評価を裏付けるために質量、体積、硬度、引張強度の変化を記録するとともに、組み立てられたシールの押し出し、ひび割れ、接触不良、取り付け時の損傷についても検査してください。
動作が発生する場合は、必要なストローク、速度、圧力、およびサイクル数をテストしてください。可動ジョイント内の柔軟なゴム製シールには、摩擦と摩耗の証拠が必要です。静的圧縮テストでは、動的耐久性を証明できません。
最後に、アセンブリを開けてインターフェース全体を検査します。永久変形、接着状態の変化、表面のマーキング、付着物などを確認してください。許容範囲は顧客の機能要件に合わせて設定し、サンプルサイズはアプリケーションの影響と変動性を考慮して決定する必要があります。
カスタム成形業者との連携
有益な問い合わせには、2D部品図以上の情報が必要です。連続使用温度と最大ピーク温度、媒体、圧力、動作、組み立て方法、期待寿命、規制要件、漏洩基準などを共有してください。写真や接合部の断面図は、寸法だけでは表現しにくいリスクを明確にするのに役立ちます。
大連宜達精密ゴム製品有限公司は、お客様のご要望に応じた用途向けにカスタムシリコーンゴム部品を開発しています。当社の役割は、製造可能性を検討し、材料や形状の選択肢について協議し、合意された検査および検証計画をサポートすることであり、一般的な材料評価を完成品の保証として扱うことではありません。
要求事項が不明確な場合、試作品サンプルは量産前に組み立てやシールに関する懸念事項を特定するのに役立ちます。試作品は、結果に影響を与える可能性のある要素については、代表的な材料、工具の状態、および後硬化処理を使用する必要があります。その後の量産変更は、検証済みの構成に基づいて評価する必要があります。
最も優れたシリコーンソリューションとは、明確な適用範囲を持つものです。耐熱性、柔軟性、媒体適合性、形状、加工性といった要素が互いに補完し合う必要があります。これらの条件が文書化され、完成品がテストされれば、シリコーンゴム部品は、要求の厳しいシーリング作業において実用的な選択肢となり得ます。
