目次
はじめに
自動車のエンジンルームや航空用途で使用されるようなエラストマーシーリングラバーは、恒久的な熱機械応力にさらされています。そのシーリング効果、つまり液体やガスの浸入と流出を防ぐ能力は、システム全体の信頼性と耐久性を左右する重要な要素です。このような重要部品の長期的な挙動を科学的に評価・予測するためには、温度、機械的応力、時間の複雑な相互作用を捉えることのできる精密な解析手法が必要です。
シール剥がれのメカニズム
短期的効果
短期的には、熱膨張や熱収縮、圧力の変動、設置ミスなどによってシール効果が損なわれる可能性があります。クリープ、沈降挙動、弛緩の初期兆候といった特徴的な影響は、特に高温の場合、運転開始から数時間ですでに見られます。これらの初期変化は、すでにシステムの気密性に重大な影響を及ぼす可能性があります。
長期的な老化メカニズム
長期的には、基本的な材料特性を損なう複雑な老化メカニズムが支配的となる：
酸化分解:酸素によって引き起こされる化学反応により、ポリマーネットワークの鎖切断や架橋変化が起こる。
可塑剤の損失：可塑剤の移行と蒸発は、材料の柔軟性を低下させ、硬さを増加させる。
機械的亀裂：繰り返し荷重は亀裂の発生と進展につながり、構造的完全性を損なう。
不可逆的な変形：塑性変形や圧縮永久ひずみは弾力性を低下させ、シール効果を低下させる。
例えば、EPDMゴム（EPDM：エチレン・プロピレン・ジエンモノマー）は、熱的・機械的老化により初期特性が優れているにもかかわらず、実用的な条件下で数年経過すると、シール性が著しく低下するという研究結果がある。
キーテクノロジーとしての熱機械分析
TMAの基本原理
熱機械分析（TMA）は、シーリング材の時間および温度に依存する挙動を調査するための、実績のある科学的根拠のある方法です。TMAでは、サンプルを制御された変化する温度プログラムと決められた力にかけます。材料の長さの変化（膨張または収縮）は、温度と荷重の関数として測定されます。熱膨張だけでなく、クリープや緩和挙動、ガラス転移温度や相転移も正確に測定できます。
シーリング効果評価におけるTMAの影響
TMAは、ゴム製ガスケットの温度と荷重に依存する変形挙動を正確に測定・定量化できるため、エンジンルーム内のシール効果を評価するのに不可欠です。これは、高温、変化する荷重、長時間の圧縮といった実際の使用条件下で、ガスケットが長期的にどの程度その機能を果たすかを予測する上で極めて重要です。
研究の結果、エンジンルーム内でのプロファイルガスケットやフラットガスケットのシール挙動は、その初期形状や弾性だけに依存するのではなく、温度や機械的負荷、経時的な変形挙動にも大きく依存することがわかりました。TMAはそのための決定的な材料特性を提供し、エンジンルーム内の典型的な応力下でシール機能がどのように変化するか、あるいは失われるかを科学的に評価することを可能にします。
特徴的な測定変数とその有意性
TMAと TMAを使用すると、エンジンルーム内での使いやすさと耐用年数に関連する、自動車分野のゴムシールのいくつかの決定的な材料特性を決定することができます：
熱膨張係数（CTE）
定義と測定方法:The CTE は、単位温度あたりの長さの相対的な変化を表し、シーリングゴムが温度変動によってどの程度変化するかを評価するための重要なパラメータである。
実用上の意義：TMAに基づく測定は、エンジンルーム内の典型的な温度変動によってシール材がどの程度膨張・収縮するかを示す。これは、温度サイクル中に隙間ができて漏れが発生するのを防ぐために不可欠です。過度の膨張は漏れにつながり、不十分な膨張は圧力損失につながります。
決定：TMAは、材料が硬脆性状態からゴム弾性状態に変化する温度を正確に決定することができる。
重要度：Tgは、材料が硬弾性から軟弾性へ変化する温度を示す。運転条件下でシールがいつ破損するかを知るために重要。
クリープと弛緩挙動
特性評価：TMA測定は、一定荷重下での材料の時間依存降伏を記録する。これらの解析は、一定の荷重と温度下での材料の時間依存降伏または沈降を示す。
長期的な関連性：長期的な気密性にとって重要。特にエンジン・コンパートメントでは長期間にわたって荷重が作用するため、シール材が徐々に変形し、長期的にはシール効果が低下する可能性がある。弛緩とクリープのメカニズムは、何年にもわたって構造を変化させる可能性がある。
構造の変化と長期的劣化
検出：長期TMA試験は、特に繰り返し荷重下で発生する沈下などの不可逆的な材料損失を可視化する。
実用的な関連性これらの特性値は、耐用年数とメンテナンス間隔の予測に重要であり、特に温度に敏感なエンジンルームガスケットに関連する。
相転移と減衰挙動
検出：ガラス転移に加えて TMAは、材料の特性を急激に変化させるその他の構造変化（軟化、相の融解など）も可視化します。
システム的意義：これらの遷移は、極端な使用条件下での材料の挙動を理解する上で極めて重要である。
長期気密性に及ぼす熱膨張の影響
ガスケットの熱膨張は、エンジンルーム内のガスケットの長期的なシール効果と信頼性を左右する重要な要素です。ゴム材料の膨張挙動は、TMAを用いて正確に定量化することができます。
シーリング機能への重大な影響
温度サイクルによる寸法変化：エラストマーシールは、加熱されると膨張し、冷却されると収縮します。このような周期的な動きは、特に長期間の使用において、材料の疲労、亀裂、摩耗につながります。熱膨張が大きすぎると、隙間の形成や過度の圧縮につながり、どちらも漏れにつながります。
圧縮への影響：恒久的な熱応力によってシール材が柔らかくなり、いわゆる「圧縮永久歪み」が 大きくなる。これはシールが完全に元の形状に戻らなくなることを意味し、永久的な隙間と性能の低下につながります。
経年劣化の促進：繰り返される熱応力は、材料のクリープと弛緩挙動を促進し、シール効果に直接的な悪影響を及ぼす。
隣接する部品と熱膨張率が異なる：ガスケットとフランジの熱膨張率が一致しない場合、不均一な応力が発生し、ガスケットの破損を早める可能性がある。
実用化と実験室での実施
自動車用TMAシステム
TMA装置は、自動車や航空宇宙の研究所で不可欠な、さまざまな雰囲気や温度プログラム下でのシール用ゴム材料の高精度で標準準拠の分析（DIN、ASTM、ISO）をサポートします。エラストマー用の特別なプロトコルは、エンジンルームでの実用に典型的な「現実的な」試験条件を可能にします。
実務における意思決定の根拠
TMAは、客観的で定量的な信頼性の高いデータを提供し、開発エンジニアや研究所スタッフが以下の重要な質問に答えるために使用できる：
- 該当する温度範囲におけるガスケットの最大膨張率は？
- 個々の材料（EPDM対FKM対シリコーンなど）は、圧縮永久歪みやクリープの影響をどの程度強く受けるのでしょうか？
現在の研究開発
素材の革新
最近の研究によると、熱可塑性加硫剤（TPV）のような新素材は、従来のEPDMよりも安定した機械的特性と同等のシール効果を発揮することが多く、TMAによって長期的な緩和・硬化挙動も評価された（PMC Paper、2023年）。
科学的検証
ある詳細な論文では、自動車用シールの観点から、EPDMシールの挙動を短期と長期の両方で調査した。この論文では、弛緩とクリープのメカニズムが長年にわたってどのように構造を変化させるかを説明し、そのような劣化現象を特定するためのTMAの重要性を指摘している。
応用分野と産業上の関連性
TMA TMAは、材料の選択と開発だけでなく、使用されるゴムシールの品質管理にも使用され、自動車分野における信頼性の高い耐用年数予測の基礎となります。クリティカルポイントを早い段階で認識することができ、的を絞った方法で材料をさらに開発することができます。
この情報は必要不可欠である：
- 材料の選択各種エラストマーの客観的評価
- 品質管理：生産工程における材料特性のモニタリング
結論
TMAに基づく熱膨張と機械的挙動の測定は、自動車の耐用年数を通じて実際の熱要件に耐えるガスケット材料を選択・設計するために不可欠です。
精密なTMA特性評価によってのみ、エンジンルーム内で何年経っても確実に機能し、長期にわたって漏れを確実に防止するシーリングシステムを開発することができます。TMAの結果に基づく材料選択とガスケット設計の最適化 TMA結果 は、熱膨張による不具合のリスクを大幅に低減します。
TMAの試験結果は、長期間の気密性を正しく評価し、規格化するための科学的根拠となります。この方法は、自動車産業や航空産業におけるエラストマーシールシステムの最新開発と品質保証に不可欠です。 自動車産業と航空産業
参考文献
Nayak, J., Katheria, A., & Das, N.C. (2022).エラストマーシーリングOリングの材料適合性に関する研究。Polymers, 14(16), 3323.https://www.mdpi.com/2073-4360/14/16/3323
Drobny, J.G. (2021).アディティブ・マニュファクチャリング技術によって製造されたポリマー複合材料の熱機械的応答に関する調査。Materials, 15(14), 5069.https://www.mdpi.com/1996-1944/15/14/5069
技術基準：
- ASTM E831（「熱機械分析による固体材料の線熱膨張に関する標準試験方法」）熱機械試験用
- ISO規格シール材に関するISO 23529
