Índice
Introducción
Las gomas elastoméricas de estanqueidad, como las utilizadas en el compartimento del motor de los vehículos de motor y en aplicaciones de aviación, están expuestas a tensiones termomecánicas permanentes. Su efecto de estanqueidad -la capacidad de impedir la entrada y salida de líquidos y gases- es un factor clave para la fiabilidad y durabilidad de todo el sistema. La evaluación y predicción científicamente fundadas del comportamiento a largo plazo de estos componentes críticos requiere métodos de análisis precisos que puedan captar la compleja interacción de la temperatura, la tensión mecánica y el tiempo.
Mecanismos de pérdida de estanqueidad
Efectos a corto plazo
A corto plazo, el efecto de estanquidad puede verse mermado por la dilatación y contracción térmicas, las fluctuaciones de presión o los errores de instalación. Efectos característicos como la fluencia, el comportamiento de asentamiento y los signos iniciales de relajación -especialmente a altas temperaturas- pueden observarse ya durante las primeras horas de funcionamiento. Estos cambios iniciales ya pueden tener efectos críticos sobre la estanqueidad del sistema.
Mecanismos de envejecimiento a largo plazo
A largo plazo, dominan los mecanismos complejos de envejecimiento, que deterioran las propiedades fundamentales del material:
Descomposición oxidativa: Las reacciones químicas inducidas por el oxígeno provocan la escisión de la cadena y cambios en la reticulación de la red polimérica.
Pérdida de plastificantes: La migración y evaporación de plastificantes reduce la flexibilidad y aumenta la rigidez del material.
Grietas mecánicas: Las cargas cíclicas provocan el inicio y la propagación de grietas, lo que compromete la integridad estructural.
Deformaciones irreversibles: La deformación plástica y el juego de compresión reducen la resiliencia y, por tanto, el efecto de sellado.
Los estudios demuestran que los cauchos EPDM (EPDM: monómero de etileno propileno dieno), por ejemplo, pueden presentar pérdidas notables de sus propiedades de estanqueidad al cabo de años en condiciones prácticas, a pesar de sus excelentes propiedades iniciales debidas al envejecimiento térmico y mecánico
El análisis termomecánico como tecnología clave
Principio básico de la TMA
El análisis termomecánico (TMA) es un método probado y con base científica para investigar el comportamiento de los materiales de sellado en función del tiempo y la temperatura. En el TMA, una muestra se somete a un programa controlado de temperatura variable y a una fuerza definida. El cambio de longitud (expansión o contracción) del material se mide en función de la temperatura y la carga. Además de la dilatación térmica, se puede determinar con precisión el comportamiento de fluencia y relajación, así como las temperaturas de transición vítrea y las transiciones de fase.
Influencia de la TMA en la evaluación del efecto de sellado
El TMA es esencial para evaluar el efecto de sellado en el compartimento del motor, ya que permite medir y cuantificar con precisión el comportamiento de deformación de las juntas de goma en función de la temperatura y la carga. Esto es crucial para predecir lo bien que una junta cumplirá su función a largo plazo en condiciones reales de funcionamiento, como altas temperaturas, cargas cambiantes y compresión prolongada.
Los resultados de la investigación demuestran que el comportamiento de estanquidad de las juntas de perfil y planas en el compartimento del motor no depende únicamente de su geometría y elasticidad iniciales, sino también en gran medida de su comportamiento de deformación bajo temperatura, carga mecánica y con el paso del tiempo. El TMA proporciona las características del material decisivas para ello y, por tanto, permite una evaluación científicamente sólida de cómo cambia o se pierde la función de estanquidad bajo las tensiones típicas del compartimento del motor.
Variables características medidas y su significación
Con la TMA se pueden determinar varias propiedades de material decisivas para las juntas de goma en el sector de la automoción, que son relevantes para la usabilidad y la vida útil en el compartimento del motor:
Coeficiente de dilatación térmica (CTE)
Definición y medida: El CTE describe el cambio relativo de longitud por unidad de temperatura y es un parámetro importante para evaluar cuánto cambia la goma de estanqueidad con las fluctuaciones de temperatura.
Importancia práctica: La medición basada en la TMA muestra cuánto se dilata o contrae el material de sellado con las fluctuaciones de temperatura típicas del compartimento del motor. Esto es esencial para evitar que se formen huecos y, por tanto, fugas durante los ciclos de temperatura. Una dilatación excesiva puede provocar fugas, mientras que una dilatación insuficiente puede provocar pérdidas de presión.
Temperatura de transición vítrea (Tg)
Determinación: El TMA permite determinar con precisión la temperatura a la que el material pasa de un estado duro-frágil a un estado elástico-cauchutoso.
Importancia crítica: Tg indica la temperatura a la que un material cambia de firme-elástico a blando-elástico – importante para la gestión de los límites de funcionamiento. Importante para saber cuándo podría fallar la junta en condiciones de funcionamiento.
Comportamiento de fluencia y relajación
Caracterización: Las mediciones de TMA registran el límite elástico dependiente del tiempo del material bajo carga constante. Estos análisis muestran la fluencia o asentamiento dependiente del tiempo del material bajo carga y temperatura constantes.
Relevancia a largo plazo: Crítico para la estanqueidad a largo plazo, ya que las cargas actúan durante un largo periodo de tiempo, sobre todo en el compartimento del motor, lo que puede deformar lentamente el material de estanqueidad, reduciendo el efecto de estanqueidad a largo plazo. Los mecanismos de relajación y fluencia pueden modificar la estructura a lo largo de los años.
Cambios estructurales y degradación a largo plazo
Detección: Las pruebas de TMA a largo plazo visualizan las pérdidas irreversibles de material, como los asentamientos, que pueden producirse sobre todo bajo cargas cíclicas.
Importancia práctica: Estos valores característicos son importantes para predecir la vida útil y los intervalos de mantenimiento, y son especialmente relevantes para las juntas del compartimento del motor, que son sensibles a la temperatura.
Transiciones de fase y comportamiento de amortiguación
Detección: Además de la transición vítrea, la TMA también visualiza otros cambios estructurales (por ejemplo, ablandamiento, fusión de fases) que pueden modificar bruscamente las propiedades del material.
Importancia sistémica: Estas transiciones son fundamentales para comprender el comportamiento de los materiales en condiciones de funcionamiento extremas.
Influencia de la dilatación térmica en la estanqueidad a largo plazo
La dilatación térmica de las juntas es un factor clave que influye en el efecto de sellado a largo plazo y en la fiabilidad de las juntas en el compartimento del motor. El comportamiento de dilatación de los materiales de goma puede cuantificarse con precisión mediante TMA.
Efectos críticos en la función de sellado
Cambios dimensionales durante los ciclos de temperatura: las juntas de elastómero se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Estos movimientos cíclicos provocan fatiga del material, grietas o abrasión, sobre todo en usos prolongados. Si la dilatación térmica es demasiado grande, puede provocar la formación de holguras o una compresión excesiva, y ambas cosas favorecen las fugas.
Influencia en la compresión: La tensión térmica permanente hace que el material de la junta se reblandezca, aumenta el llamado «juego de compresión» . Esto significa que la junta ya no recupera totalmente su forma original, lo que provoca una separación permanente y una pérdida de rendimiento.
Aceleración de los procesos de envejecimiento: Las tensiones térmicas repetidas favorecen el comportamiento de fluencia y relajación del material, lo que tiene un efecto negativo directo sobre el efecto de sellado.
Expansión térmica diferente a la de los componentes vecinos: Si los CET de la junta y la brida no coinciden, se producen tensiones desiguales, que pueden acelerar el fallo de la junta.
Aplicación práctica e implementación en laboratorio
Sistemas TMA para aplicaciones de automoción
Los dispositivos TMA admiten análisis de alta precisión y conformes a las normas (DIN, ASTM, ISO) de materiales de caucho de estanqueidad en diversas atmósferas y programas de temperatura, como son esenciales en los laboratorios de automoción y aeroespaciales. Los protocolos especiales para elastómeros permiten condiciones de ensayo «realistas», como las típicas del uso práctico en el compartimento del motor.
Base para la toma de decisiones en la práctica
El TMA proporciona datos objetivos y cuantitativamente fiables que los ingenieros de desarrollo y el personal de laboratorio pueden utilizar para responder a las siguientes preguntas críticas:
- ¿Cuál es la dilatación máxima de la junta en el intervalo de temperatura correspondiente?
- ¿En qué medida se ven afectados los distintos materiales (por ejemplo, EPDM frente a FKM frente a silicona) por el fraguado por compresión y la fluencia?
Evolución actual de la investigación
Innovaciones materiales
Un estudio reciente demuestra que materiales novedosos como los vulcanizados termoplásticos (TPV) ofrecen a menudo propiedades mecánicas más estables y un efecto de sellado comparable al EPDM clásico, para lo cual también se caracterizó su comportamiento de relajación y fraguado a largo plazo mediante TMA (Documento PMC, 2023).
Validación científica
Una disertación detallada examina el comportamiento de las juntas de EPDM en el contexto de las juntas de automoción, tanto a corto como a largo plazo. Describe cómo los mecanismos de relajación y fluencia pueden cambiar la estructura a lo largo de los años y señala la importancia del TMA para identificar estos fenómenos de degradación.
Ámbitos de aplicación y relevancia industrial
El TMA se utiliza tanto en la selección y el desarrollo de materiales como en el control de calidad de las juntas de goma utilizadas y, por tanto, constituye la base de una previsión fiable de la vida útil en el sector del automóvil. Los puntos críticos pueden reconocerse en una fase temprana y los materiales pueden seguir desarrollándose de forma selectiva.
Esta información es esencial para:
- Selección de materiales: Evaluación objetiva de diferentes elastómeros
- Control de calidad: seguimiento de las características del material en la producción
Conclusión
La medición basada en TMA de la expansión térmica y el comportamiento mecánico es esencial para seleccionar y diseñar materiales de juntas que soporten los requisitos térmicos reales a lo largo de la vida útil del vehículo.
Sólo mediante una caracterización precisa de la TMA pueden desarrollarse sistemas de estanqueidad que funcionen de forma fiable incluso después de años en el compartimento del motor y eviten las fugas de forma fiable a largo plazo. Selección de materiales y diseño optimizado de juntas basado en resultados de la TMA reducen significativamente el riesgo de fallo debido a la dilatación térmica.
Los resultados de laboratorio del TMA son la base científica para la evaluación y especificación sólidas de la estanqueidad a largo plazo. El método es indispensable para el desarrollo moderno y la garantía de calidad de los sistemas de estanquidad de elastómeros en las industrias de automoción y aviación. industrias de automoción y aviación.
Bibliografía
Nayak, J., Katheria, A., & Das, N.C. (2022). Investigación sobre la compatibilidad de materiales de juntas tóricas de sellado de elastómeros. Polymers, 14(16), 3323. https://www.mdpi.com/2073-4360/14/16/3323
Drobny, J.G. (2021). Investigación de la respuesta termomecánica de los materiales compuestos poliméricos producidos mediante tecnologías de fabricación aditiva. Materiales, 15(14), 5069. https://www.mdpi.com/1996-1944/15/14/5069
Normas técnicas:
- ASTM E831 («Método de prueba estándar para la expansión térmica lineal de materiales sólidos mediante análisis termomecánico») para pruebas termomecánicas
- Normas ISO: ISO 23529 para materiales de estanquidad
