Твёрдость силикона по Шору: полное руководство по выбору

Что такое шкала Шора и зачем она нужна

История и принцип метода

Метод был разработан американским инженером Альбертом Фердинандом Шором в 1920-х годах. Задача была простой: создать единый, воспроизводимый способ сравнивать мягкость и жёсткость эластичных материалов — резины, силикона, полиуретана, — не прибегая к сложным лабораторным установкам.

Принцип работает так: специальный прибор — дюрометр — вдавливает стальной наконечник (индентор) в поверхность материала под стандартной нагрузкой. Чем глубже наконечник уходит в материал, тем ниже значение на шкале (материал мягче). Чем меньше глубина проникновения — тем выше число (материал жёстче). Шкала: от 0 (наконечник полностью вошёл — предельно мягкий материал) до 100 (наконечник не вошёл вообще — предельно твёрдый).

Метод стандартизирован международными нормами: ASTM D2240, ISO 48-4 (бывший ISO 868) и российским ГОСТ 263-75. Это означает, что значение «Шор А 60», полученное в лаборатории в Москве и Берлине, обозначает одно и то же.

Что означают цифры на шкале

Числа на шкале Шора — это безразмерные единицы, они не переводятся в паскали или ньютоны напрямую. Их задача — дать быструю сравнительную характеристику.

Важно понимать: цифры разных шкал (А и Д) несопоставимы между собой напрямую. «Шор А 95» и «Шор Д 40» — это разные шкалы с разными инденторами и нагрузками, поэтому сравнивать их числа «в лоб» нельзя.

Виды шкал Шора: А, Д и 00

Существует несколько разновидностей шкалы Шора. Для силиконовых материалов актуальны три из них.

Шкала Шор А — основная шкала для силикона

Шкала Шор А — наиболее распространённая при работе с силиконовыми эластомерами. Она охватывает диапазон от очень мягких гелеобразных материалов до достаточно упругих и плотных.

Для силикона практически используемый диапазон — от 30 до 80 единиц Шор А. Ниже 10 — материал настолько мягкий, что измерение по шкале А теряет точность; выше 80 — уже применяется шкала Д.

Индентор шкалы А — усечённый конус с плоским основанием. Нагрузка невысокая, поэтому шкала чувствительна к мягким материалам.

Шкала Шор Д — для жёстких материалов

Шкала Шор Д используется, когда материал слишком твёрд для корректного измерения по шкале А. Индентор здесь — острый конус с меньшим углом; нагрузка существенно выше.

Для силикона шкала Д актуальна в диапазоне 40–90 единиц и применяется для технических изделий с высокими требованиями к жёсткости: электроизоляторы, конструктивные элементы, детали, работающие под высоким давлением.

Шкала Шор 00 — для сверхмягких материалов

Шкала Шор 00 — для материалов, которые слишком мягки даже для шкалы А: силиконовые гели, вспененный силикон, демпфирующие прокладки. Индентор имеет меньшую нагрузку, что позволяет корректно измерять почти жидкие по консистенции вещества.

В промышленной практике она встречается реже, но актуальна в медицине (протезирование, гелевые подкладки) и электронике (теплопроводящие гели).

Сравнительная таблица шкал Шора

Как измеряется твердость силикона

Прибор — дюрометр: устройство и принцип

Дюрометр — портативный или стационарный прибор, состоящий из:

• Корпуса с пружинным механизмом стандартной нагрузки
• Индентора — стального наконечника нужной формы
• Циферблата или цифрового дисплея для считывания значения

Порядок измерения:

1. Образец кладут на твёрдую ровную поверхность; толщина — не менее 6 мм
2. Дюрометр прижимают к поверхности строго перпендикулярно без перекосов
3. Прикладывают стандартную нагрузку и удерживают 3 секунды или 15 секунд
4. Считывают показание — это и есть значение твердости по Шору
5. Повторяют не менее 5 раз в разных точках; фиксируют среднее значение

Температура при измерении — 23 ± 2 °C. Отклонение температуры заметно влияет на результат: силикон при охлаждении становится чуть жестче.

Как проверить твёрдость самостоятельно

Без дюрометра точно измерить твёрдость невозможно — но можно сделать приблизительную экспресс-оценку:

• Шор А 10–25: Материал деформируется от лёгкого касания, возвращается в форму медленно — как мягкий пластилин или гель
• Шор А 30–50: Сжимается пальцами без усилий, ощущается как ластик или мягкая резиновая игрушка
• Шор А 55–70: Сжимается с заметным усилием, пружинит — похоже на подошву кроссовка или автомобильную шину
• Шор А 75–85: Почти не продавливается пальцем, ощущается как жёсткий резиновый шланг
• Шор Д 40+: Не продавливается вообще; ощущается как твёрдый пластик

Экспресс-оценка годится только для предварительного ориентирования. Для технической документации и производственного контроля требуется измерение дюрометром с протоколом.

Таблица твёрдостей силикона и области применения

Ниже — сводная таблица, которая поможет быстро сориентироваться при выборе марки силикона для конкретной задачи.

Как выбрать правильную твёрдость под задачу

Выбор твёрдости — это всегда компромисс между эластичностью (способностью заполнять неровности и деформироваться) и механической прочностью (стойкостью к износу, давлению, усилиям). Ниже — рекомендации по основным отраслям.

Уплотнения и прокладки

Для большинства уплотнительных применений — фланцевые прокладки, O-кольца, манжеты, дверные уплотнители — оптимальный диапазон составляет Шор А 40–65.

Мягкий силикон (Шор А 40–50) лучше компенсирует неровности поверхностей и создаёт герметичность при меньшем усилии затяжки — идеально для ненагруженных соединений. Более жёсткий (Шор А 55–65) предпочтителен при высоком давлении среды и динамических нагрузках: он меньше «выдавливается» из зазора и дольше сохраняет форму.

При температурах выше +150°C стоит рассматривать силиконы с твёрдостью Шор А 60–70: они меньше подвержены тепловой деформации.

Медицина и фармацевтика

В медицинских приложениях ключевым параметром является не только твёрдость, но и биосовместимость — соответствие стандарту ISO 10993. Для медицинских трубок, дренажей и катетеров типична твёрдость Шор А 40–60: достаточно гибко для введения и извлечения, достаточно прочно для сохранения просвета под давлением.

Для имплантируемых изделий и протезных вставок используются более мягкие варианты — Шор А 10–30 — с гелеобразной структурой, которая имитирует свойства живых тканей.

Отдельная категория — фармацевтические пробки и прокладки: здесь стандартный диапазон Шор А 50–60, требования к химической инертности максимальные.

Пищевая промышленность

Силикон для пищевого контакта должен соответствовать санитарным нормам Роспотребнадзора. Твёрдость для пищевых применений — Шор А 30–60.

Формы для выпечки и конфет — Шор А 30–50: достаточно мягко для лёгкого извлечения изделий, достаточно упруго для сохранения формы при многократном использовании. Трубки и шланги для перекачки пищевых жидкостей — Шор А 50–65: необходима стойкость к давлению и механическим воздействиям насосов.

Скребки, уплотнители клапанов, прокладки оборудования — Шор А 55–70. Более мягкий материал здесь быстро истирается и загрязняет продукт.

Электроника и электротехника

В электронике силикон выполняет две функции одновременно: диэлектрическая защита и механическая эластичность. Кабельные оболочки, изоляционные трубки, заливочные компаунды — диапазон Шор А 40–70.

Теплопроводящие интерфейсные прокладки (TIM) между процессором и радиатором производятся на основе наполненного силикона — Шор А 15–40: важна максимальная площадь контакта за счёт мягкости.

Жёсткие корпусные элементы, электроизоляторы высоковольтных цепей — Шор Д 40–60: здесь критичны механическая прочность и стабильность геометрии.

Автомобильная промышленность

Автомобильные силиконовые уплотнения работают в жёстких условиях: перепады температуры от −50 до +200°C, контакт с маслами, топливом, антифризом. Здесь применяются специальные марки силикона с твёрдостью Шор А 60–80 и Шор Д 40–70.

Уплотнения клапанных крышек, прокладки коллекторов — Шор А 65–75. Более жёсткие варианты (Шор Д 50–70) используются в деталях, работающих под нагрузкой: опорные втулки, демпферы, изоляторы вибрации.

Что влияет на твёрдость силикона при производстве

Состав смеси и наполнители

Твёрдость силиконового изделия закладывается в силиконовой базе (исходном сырье). Основные инструменты управления твёрдостью:

• Аэросил (пирогенный диоксид кремния) — ключевой усиливающий наполнитель; увеличение его доли повышает твёрдость и прочность
• Кварцевая пыль и тонкодисперсные минеральные наполнители — повышают твёрдость и снижают стоимость смеси
• Пластификаторы (силиконовые масла) — снижают твёрдость, повышают эластичность
• Сшивающие агенты (пероксиды, платиновые катализаторы) — регулируют степень сшивки полимерных цепей, что напрямую определяет итоговую жёсткость

Профессиональные производители силиконовых изделий контролируют рецептуру через реологические испытания сырой смеси (реометр), что позволяет предсказать твёрдость готового изделия ещё до вулканизации.

Вулканизация и её влияние

Вулканизация — процесс термического сшивания полимерных цепей силикона — определяет итоговую структуру материала. Два ключевых параметра:

1. Температура вулканизации: Чем выше температура при постоянном времени — тем полнее сшивка, тем выше твёрдость (в определённых пределах рецептуры)
2. Время вулканизации: Недостаточное время даёт неполную сшивку → мягкий, «недовулканизованный» силикон с низкой прочностью

Для некоторых марок применяется двухстадийная вулканизация: первичная (в форме под давлением) и вторичная (термостатирование в печи при +200°C 4–8 часов). Вторичная вулканизация повышает твёрдость на 2–5 единиц Шор А и значительно улучшает механические характеристики.

Контроль температуры в пресс-форме и печи с точностью ±2°C — необходимое условие воспроизводимости твердости в серийном производстве.

Заключение

Твёрдость по Шору — один из главных параметров, определяющих, будет ли силиконовое изделие работать так, как требует задача. Слишком мягкий материал выдавится из зазора, быстро износится или потеряет форму. Слишком жёсткий — не обеспечит герметичности, сломается при изгибе или создаст нежелательные механические нагрузки.

Правильный выбор — это всегда сочетание трёх факторов: диапазон Шора, соответствующего условиям эксплуатации, шкала (А, Д или 00), подходящая для данного класса материала, и соответствие стандарту, указанному в технической документации.

Если вы разрабатываете новое изделие или заменяете существующий материал — специалисты НЛС Силикон помогут определить оптимальную твёрдость по Шору и изготовят силиконовые компоненты под ваши требования:

• Профили и шнуры
• Трубки и рукава
• Прокладки и O-кольца 
• Плиты и листы
• Изделия сложной формы по чертежу — любая твердость по ТЗ