Indice dei contenuti
Introduzione
Le gomme elastomeriche di tenuta, come quelle utilizzate nel vano motore dei veicoli a motore e nelle applicazioni aeronautiche, sono esposte a sollecitazioni termomeccaniche permanenti. Il loro effetto sigillante – la capacità di impedire l’ingresso e la fuoriuscita di liquidi e gas – è un fattore chiave per l’affidabilità e la durata dell’intero sistema. La valutazione e la previsione scientifica del comportamento a lungo termine di questi componenti critici richiede metodi di analisi precisi in grado di cogliere la complessa interazione tra temperatura, stress meccanico e tempo.
Meccanismi di perdita della tenuta
Effetti a breve termine
Nel breve periodo, l’effetto sigillante può essere compromesso dall’espansione e dalla contrazione termica, dalle fluttuazioni di pressione o da errori di installazione. Gli effetti caratteristici come lo strisciamento, il comportamento di assestamento e i primi segni di rilassamento, soprattutto a temperature elevate, possono essere osservati già durante le prime ore di funzionamento. Questi cambiamenti iniziali possono già avere effetti critici sulla tenuta del sistema.
Meccanismi di invecchiamento a lungo termine
A lungo termine, dominano complessi meccanismi di invecchiamento che compromettono le proprietà fondamentali del materiale:
Decomposizione ossidativa: le reazioni chimiche indotte dall’ossigeno portano alla scissione della catena e a cambiamenti nella reticolazione del polimero.
Perdita di plastificanti: la migrazione e l’evaporazione dei plastificanti riduce la flessibilità e aumenta la rigidità del materiale.
Cricche meccaniche: Il carico ciclico porta all’innesco e alla propagazione di cricche che compromettono l’integrità strutturale.
Deformazioni irreversibili: La deformazione plastica e la compressione riducono la resilienza e quindi l’effetto di tenuta.
Gli studi dimostrano che le gomme EPDM (EPDM: etilene propilene diene monomero), ad esempio, possono presentare una notevole perdita di proprietà di tenuta dopo anni in condizioni pratiche, nonostante le eccellenti proprietà iniziali dovute all’invecchiamento termico e meccanico.
L'analisi termomeccanica come tecnologia chiave
Principio di base della TMA
L’analisi termomeccanica (TMA) è un metodo collaudato e scientificamente fondato per studiare il comportamento dei materiali di tenuta in funzione del tempo e della temperatura. Nella TMA, un campione viene sottoposto a un programma di temperatura controllata e variabile e a una forza definita. La variazione di lunghezza (espansione o contrazione) del materiale viene misurata in funzione della temperatura e del carico. Oltre all’espansione termica, è possibile determinare con precisione il comportamento di creep e di rilassamento, nonché le temperature di transizione vetrosa e le transizioni di fase.
Influenza del TMA sulla valutazione dell'effetto della sigillatura
Il TMA è essenziale per valutare l’effetto di tenuta nel vano motore, in quanto consente di misurare e quantificare con precisione il comportamento di deformazione delle guarnizioni in gomma in funzione della temperatura e del carico. Questo è fondamentale per prevedere la capacità di una guarnizione di svolgere la sua funzione a lungo termine in condizioni operative reali, come le alte temperature, i carichi variabili e la compressione prolungata.
I risultati della ricerca dimostrano che il comportamento di tenuta delle guarnizioni profilate e piatte nel vano motore non dipende solo dalla loro geometria ed elasticità iniziale, ma anche in larga misura dal loro comportamento di deformazione in base alla temperatura, al carico meccanico e al tempo. Il TMA fornisce le caratteristiche decisive del materiale e permette quindi di valutare in modo scientifico come la funzione di tenuta si modifica o si perde sotto le sollecitazioni tipiche del vano motore.
Variabili caratteristiche misurate e loro significato
Con il TMA è possibile determinare diverse proprietà decisive del materiale per le guarnizioni in gomma nel settore automobilistico, che sono importanti per l’utilizzabilità e la durata nel vano motore:
Coefficiente di espansione termica (CTE)
Definizione e misurazione: Il CTE descrive la variazione relativa della lunghezza per unità di temperatura ed è un parametro importante per valutare quanto cambia la gomma sigillante con le fluttuazioni di temperatura.
Significato pratico: la misurazione basata sul TMA mostra quanto il materiale di tenuta si espande o si contrae con le fluttuazioni di temperatura tipiche del vano motore. Questo è fondamentale per evitare la formazione di spazi vuoti e quindi di perdite durante i cicli di temperatura. Un’espansione eccessiva può causare perdite, mentre un’espansione insufficiente può causare perdite di pressione.
Temperatura di transizione vetrosa (Tg)
Determinazione: il TMA consente di determinare con precisione la temperatura alla quale il materiale passa da uno stato duro e fragile a uno stato elastico e gommoso.
Importanza critica: la Tg indica la temperatura alla quale un materiale passa da elastico a morbido – importante per la gestione dei limiti operativi. È importante sapere quando la guarnizione potrebbe cedere in condizioni operative.
Comportamento a scorrimento e rilassamento
Caratterizzazione: le misurazioni TMA registrano il cedimento in funzione del tempo del materiale sotto carico costante. Queste analisi mostrano il cedimento o l’assestamento del materiale in funzione del tempo a carico e temperatura costanti.
Importanza a lungo termine: è fondamentale per la tenuta a lungo termine, in quanto i carichi agiscono per un lungo periodo di tempo, in particolare nel vano motore, e possono deformare lentamente il materiale di tenuta, riducendo l’effetto di tenuta a lungo termine. I meccanismi di rilassamento e di scorrimento possono modificare la struttura nel corso degli anni.
Cambiamenti strutturali e degrado a lungo termine
Rilevamento: i test TMA a lungo termine visualizzano le perdite irreversibili di materiale come l’assestamento, che può verificarsi soprattutto in caso di carico ciclico.
Importanza pratica: Questi valori caratteristici sono importanti per prevedere la durata e gli intervalli di manutenzione e sono particolarmente rilevanti per le guarnizioni del vano motore, che sono sensibili alla temperatura.
Transizioni di fase e comportamento di smorzamento
Rilevamento: oltre alla transizione vetrosa, la TMA visualizza anche altri cambiamenti strutturali (ad es. rammollimento, fusione di fasi) che possono modificare bruscamente le proprietà del materiale.
Importanza sistemica: queste transizioni sono fondamentali per comprendere il comportamento dei materiali in condizioni operative estreme.
Influenza dell’espansione termica sulla tenuta a lungo termine
L’espansione termica delle guarnizioni è un fattore chiave che influenza l’effetto sigillante a lungo termine e l’affidabilità delle guarnizioni nel vano motore. Il comportamento di espansione dei materiali in gomma può essere quantificato con precisione grazie alla TMA.
Effetti critici sulla funzione di tenuta
Variazioni dimensionali durante i cicli di temperatura: le guarnizioni in elastomero si espandono quando si riscaldano e si contraggono quando si raffreddano. Questi movimenti ciclici portano all’affaticamento del materiale, a crepe o abrasioni, soprattutto in caso di utilizzo prolungato. Se l’espansione termica è eccessiva, può portare alla formazione di vuoti o a una compressione eccessiva, entrambi fattori che favoriscono le perdite.
Influenza sulla compressione: lo stress termico permanente fa sì che il materiale di tenuta diventi più morbido, il cosiddetto “set di compressione” aumenta. Ciò significa che la guarnizione non torna più completamente alla sua forma originale, il che porta a una fessura permanente e alla perdita di prestazioni.
Accelerazione dei processi di invecchiamento: Le ripetute sollecitazioni termiche favoriscono il comportamento di creep e di rilassamento del materiale, che ha un effetto negativo diretto sull’effetto di tenuta.
Espansione termica diversa rispetto ai componenti vicini: Se i CTE della guarnizione e della flangia non coincidono, si verificano sollecitazioni non uniformi che possono accelerare il cedimento della guarnizione.
Applicazione pratica e implementazione in laboratorio
Sistemi TMA per applicazioni automobilistiche
I dispositivi TMA supportano analisi di alta precisione e conformi agli standard (DIN, ASTM, ISO) di materiali di gomma sigillanti in varie atmosfere e programmi di temperatura, come sono essenziali nei laboratori automobilistici e aerospaziali. I protocolli speciali per gli elastomeri consentono condizioni di prova “realistiche”, come quelle tipiche dell’uso pratico nel vano motore.
Basi per il processo decisionale nella pratica
Il TMA fornisce dati oggettivi e quantitativamente affidabili che gli ingegneri di sviluppo e il personale di laboratorio possono utilizzare per rispondere alle seguenti domande critiche:
- Qual è l’espansione massima della guarnizione nell’intervallo di temperatura considerato?
- In che misura i singoli materiali (ad esempio EPDM vs. FKM vs. silicone) sono influenzati dal compression set e dal creep?
Sviluppi attuali della ricerca
Innovazioni nei materiali
Uno studio recente dimostra che i nuovi materiali come i vulcanisati termoplastici (TPV) offrono spesso proprietà meccaniche più stabili e un effetto sigillante paragonabile a quello dell’EPDM classico, per cui il loro comportamento di rilassamento e presa a lungo termine è stato caratterizzato anche dalla TMA (PMC Paper, 2023).
Convalida scientifica
Una tesi dettagliata ha esaminato il comportamento delle guarnizioni in EPDM nel contesto delle guarnizioni automobilistiche sia a breve che a lungo termine. Descrive come i meccanismi di rilassamento e di scorrimento possano modificare la struttura nel corso degli anni e sottolinea l’importanza della TMA per identificare tali fenomeni di degrado.
Aree di applicazione e rilevanza industriale
Il TMA viene utilizzato sia per la selezione e lo sviluppo dei materiali che per il controllo di qualità delle guarnizioni in gomma utilizzate e costituisce quindi la base per una previsione affidabile della durata di vita nel settore automobilistico. I punti critici possono essere riconosciuti tempestivamente e i materiali possono essere sviluppati in modo mirato.
Queste informazioni sono essenziali per:
- Selezione del materiale: Valutazione oggettiva di diversi elastomeri
- Controllo qualità: monitoraggio delle caratteristiche dei materiali in produzione
Conclusione
La misurazione dell’espansione termica e del comportamento meccanico basata sul TMA è essenziale per selezionare e progettare materiali per guarnizioni in grado di resistere ai reali requisiti termici per tutta la durata di vita del veicolo.
Solo attraverso una precisa caratterizzazione del TMA è possibile sviluppare sistemi di tenuta che funzionino in modo affidabile nel vano motore anche dopo molti anni e che prevengano in modo affidabile le perdite a lungo termine. La selezione dei materiali e la progettazione ottimizzata delle guarnizioni si basano su risultati del TMA riducono significativamente il rischio di guasti dovuti all’espansione termica.
I risultati di laboratorio del TMA sono la base scientifica per la valutazione e la specifica della tenuta a lungo termine. Il metodo è indispensabile per lo sviluppo moderno e la garanzia di qualità dei sistemi di tenuta in elastomero nell’industria automobilistica e aeronautica. industria automobilistica e aeronautica.
Bibliografia
Nayak, J., Katheria, A., & Das, N.C. (2022). Ricerca sulla compatibilità dei materiali degli O-Ring di tenuta in elastomero. Polymers, 14(16), 3323. https://www.mdpi.com/2073-4360/14/16/3323
Drobny, J.G. (2021). Indagine sulla risposta termomeccanica dei materiali compositi polimerici prodotti con tecnologie di fabbricazione additiva. Materials, 15(14), 5069. https://www.mdpi.com/1996-1944/15/14/5069
Standard tecnici:
- ASTM E831 (“Metodo di prova standard per l’espansione termica lineare dei materiali solidi mediante analisi termomeccanica”) per i test termomeccanici
- Standard ISO: ISO 23529 per i materiali di tenuta
