Shore-hardheid uitgelegd: gids voor A, C, D en OO

Bij het ontwerpen en specificeren van rubber, elastomeren en polymeren is Shore-hardheid een van de meest gebruikte, maar ook vaak verkeerd geïnterpreteerde materiaaleigenschappen. De hardheid geeft informatie over de weerstand van een materiaal tegen indrukking en hangt vaak samen met het gevoel en de vervormbaarheid. Eigenschappen zoals afdichtingsvermogen, veerkracht, slijtvastheid en compressieset kunnen eveneens door de hardheid worden beïnvloed, maar kunnen niet uitsluitend aan de hand van één Shore-waarde worden bepaald.

In dit artikel bespreken we vanuit technisch perspectief vier veelgebruikte Shore-schalen: A, D, C en OO. We behandelen het meetprincipe, de belangrijkste toepassingen, de verschillen tussen de schalen en de juiste manier om hardheidswaarden te interpreteren en te vergelijken.

Shore-hardheid meten met een durometer

Wat is Shore-hardheid?

Shore-hardheid is een gestandaardiseerde methode voor het bepalen van de weerstand van elastomeren, rubber, bepaalde kunststoffen, schuimen en gelachtige materialen tegen indrukking.

Voor de meting wordt een instrument gebruikt dat een durometer wordt genoemd. Een veer drukt een gestandaardiseerde indenter, ook wel indringlichaam genoemd, loodrecht in het oppervlak van het testmateriaal.

De durometer geeft een dimensieloze waarde tussen 0 en 100 weer. De weergegeven waarde is omgekeerd evenredig met de indringdiepte van de indenter:

• Aflezing 100: De indenter dringt vrijwel niet in het materiaal. Het materiaal bevindt zich aan de harde grens van het meetbereik van de betreffende schaal.
• Aflezing 0: De indenter bereikt de maximale indringdiepte, doorgaans ongeveer 2,5 mm. Het materiaal bevindt zich aan de zachte grens van het meetbereik van de betreffende schaal.

Belangrijke norm: ASTM D2240

ASTM D2240, “Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness”, is een veelgebruikte norm voor het meten van durometerhardheid. De norm omvat twaalf typen durometers, waaronder Shore A, D, C en OO. Voor ieder type worden onder meer de vorm en afmetingen van de indenter, de veerbelasting, de aandrukvoet, de kalibratie en de meetprocedure vastgelegd.

Voor betrouwbare en herhaalbare metingen zijn onder meer de volgende aandachtspunten belangrijk:

1. Monsterdikte: Voor veel Shore-metingen wordt een dikte van minimaal ongeveer 6 mm aanbevolen. De exacte vereiste hangt af van het type durometer en de toepasselijke norm. Wanneer dunnere lagen worden gestapeld, kunnen de resultaten afwijken van die van één massief teststuk.
2. Monsteroppervlak: Plaats het teststuk op een harde, vlakke en stabiele ondergrond. Houd de durometer loodrecht op het oppervlak en zorg ervoor dat de aandrukvoet volledig en gelijkmatig contact maakt.

Wanneer een monster te dun is, kan de onderliggende testondergrond de meting beïnvloeden. Hierdoor kan een te hoge hardheidswaarde worden gemeten. Ook de temperatuur, meettijd, afstand tot de rand en snelheid waarmee de durometer wordt aangebracht, kunnen het resultaat beïnvloeden.

Fysieke verschillen en toepassingen

Er bestaan meerdere Shore-schalen omdat één combinatie van indenter en veerbelasting niet geschikt is voor het volledige bereik van zeer zachte gels tot harde kunststoffen. Iedere schaal vormt een afzonderlijk meetsysteem dat voornamelijk verschilt in:

1. De vorm en afmetingen van de indenter
2. De kracht en karakteristiek van de meetveer

Het gebruik van een ongeschikte schaal levert waarden op die zich buiten het betrouwbare meetbereik bevinden. Een zeer harde schaal kan bijvoorbeeld te diep of te scherp in een zacht materiaal drukken, terwijl een zachte schaal bij een hard materiaal vrijwel onmiddellijk de maximale waarde aangeeft.

1. Shore A

Toepassingsgebied: Shore A is de meest gebruikte schaal voor rubber en elastomeren. De schaal wordt onder meer toegepast voor flexibele RTV-2-siliconen, O-ringen, bandenprofielen, schoenzolen, zacht pvc en bepaalde TPE-materialen. Hoewel het instrument waarden van 0 tot 100 kan weergeven, worden waarden aan de uiterste onder- en bovengrens minder betrouwbaar.

• Vorm van de indenter: Afgeknotte kegel met een ingesloten hoek van 35 graden.
• Veerbelasting: Ongeveer 8,05 N bij een aflezing van 100.

Shore A-durometer

2. Shore D

Toepassingsgebied: Shore D wordt gebruikt voor hard rubber, halfstijve kunststoffen en harde polymeren. Voorbeelden zijn harde polyurethanen, pvc-buizen, bepaalde veiligheidshelmen, golfballen en industriële rollen. De schaal is geschikt wanneer een materiaal aan de bovengrens van Shore A ligt.

• Vorm van de indenter: Kegel met een ingesloten hoek van 30 graden en een afgeronde punt met een straal van ongeveer 0,1 mm.
• Veerbelasting: Ongeveer 44,45 N bij een aflezing van 100.

Shore D-durometer

3. Shore C

Toepassingsgebied: Shore C wordt gebruikt voor middelharde tot harde elastomeren, thermoplasten en bepaalde harsen. Deze schaal kan nuttig zijn voor materialen die aan de harde grens van Shore A liggen, maar waarvoor de scherpe Shore D-indenter minder geschikt is. Shore C vormt echter geen exacte mathematische overgang tussen Shore A en Shore D.

• Vorm van de indenter: Dezelfde afgeknotte kegel met een hoek van 35 graden als bij Shore A.
• Veerbelasting: Dezelfde hoge veerbelasting als bij Shore D, ongeveer 44,45 N bij een aflezing van 100.

Shore C combineert dus de afgeronde, afgeknotte indenter van Shore A met de hogere veerbelasting van Shore D.

Shore C-durometer

4. Shore OO

Toepassingsgebied: Shore OO is bedoeld voor zeer zachte elastomeren, siliconengels, zacht schuimrubber, sponsrubber, zachte kussens en kunstmatige huidmaterialen. Wanneer een materiaal een Shore A-waarde aan de onderste grens van het betrouwbare meetbereik heeft, kan Shore OO een geschiktere schaal zijn.

• Vorm van de indenter: Halfronde indenter met een straal van ongeveer 1,19 mm.
• Veerbelasting: Ongeveer 1,111 N bij een aflezing van 100.

Shore OO-durometer

Praktische vuistregel:

• Shore A hoger dan 90 A → overweeg een meting met Shore C of Shore D.
• Shore D lager dan 20 D → overweeg een meting met Shore A of Shore C.

Conversie van Shore-hardheid

In de materiaalkunde is het soms nodig om hardheidswaarden van verschillende schalen globaal met elkaar te vergelijken, bijvoorbeeld Shore A met Shore D. Een exacte conversie is echter niet mogelijk.

De Shore A-, D-, C- en OO-schalen gebruiken verschillende vormen van de indenter en verschillende veerbelastingen. Alle schalen meten de weerstand tegen indrukking, maar doen dit onder verschillende mechanische omstandigheden. Er bestaat daarom geen universele formule waarmee een waarde op de ene schaal exact naar een andere schaal kan worden omgerekend.

Conversietabellen zijn gebaseerd op empirische metingen van bepaalde materialen. De relatie kan verschillen afhankelijk van de polymeersoort, elasticiteit, visco-elastisch gedrag, temperatuur, monsterdikte en meettijd. Gebruik dergelijke tabellen daarom uitsluitend voor een globale vergelijking en niet voor technische goedkeuring of kwaliteitscontrole.

Belangrijke opmerking: Deze tabel geeft uitsluitend een globale vergelijking. Voor technische specificaties, productontwikkeling en kwaliteitscontrole moet de hardheid rechtstreeks met de vereiste Shore-schaal en volgens een vastgelegde meetmethode worden bepaald. Waarden onder ongeveer 20 en boven ongeveer 90 op een schaal moeten met extra voorzichtigheid worden geïnterpreteerd.

Conclusie

Shore-hardheid is slechts één van de eigenschappen die de prestaties van een materiaal bepalen. Bij de selectie van een rubber, elastomeer of polymeer moeten ook de treksterkte, rek bij breuk, scheursterkte, compressieset, chemische bestendigheid, gebruikstemperatuur en gewenste oppervlakte-eigenschappen worden beoordeeld. Alleen door de hardheid samen met deze andere eigenschappen te evalueren, kan een materiaal worden gekozen dat goed aansluit bij de uiteindelijke toepassing.