Le proprietà termiche delle guarnizioni in elastomero

Grazie alle loro proprietà elastiche, le guarnizioni in elastomero vengono impiegate in diversi settori. Poiché alcune delle principali applicazioni di questi materiali richiedono la resistenza e il mantenimento delle proprietà meccaniche come la durezza, la resistenza a trazione e compressione, il modulo e l’allungamento, anche a temperature relativamente basse (applicazioni per esterni) o relativamente alte (applicazioni a contatto con strumentazioni che raggiungono temperature elevate), è importante sottoporre i materiali elastomerici a prove di analisi termica. 

I parametri da studiare sono: 

-la conducibilità termica: è quella grandezza fisica che descrive il trasporto di calore attraverso un corpo quando viene sottoposto a un gradiente di temperatura di 1°C e avente volume di 1 m3 . 

- i coefficienti di dilatazione termica: è una grandezza che permette di calcolare la variazione di area, volume o lunghezza per unità di lunghezza in funzione dell’aumento di temperatura. Esso è essenziale per gli elastomeri in particolar modo durante i processi produttivi che vedono una variazione notevole di temperatura. Conoscendo quindi questo fattore è possibile determinare la variazione dimensionale del componente durante il raffreddamento o durante il riscaldamento di vulcanizzazione, ed evitare eventuali problemi dovuti a rigonfiamenti o riempimenti eccessivi della sede preposta.

- l’effetto Gough-Joule visibile ad alte temperature: descrive la tendenza della gomma a contrarsi quando viene riscaldata durante uno stato tensionale e serve a definire anche l’aumento della temperatura di una striscia di gomma quando viene stirata adiabaticamente, per cui questo termine viene utilizzato per indicare la dipendenza della deformazione meccanica dalla temperatura.

Le tecniche di analisi termica

Approfondiamo quattro tecniche di analisi termica delle guarnizioni in elastomero: DSC, TGA, TMA, e DMA. Tali tecniche servono a determinare le caratteristiche di tali materiali da -150 a 1600°C in funzione della temperatura e del tempo.  Tra le tecniche sopra citate, la calorimetria differenziale a scansione (DSC) e l’analisi termogravimetrica (TGA) sono quelle che sicuramente rivestono la maggiore importanza nella caratterizzazione termica dei polimeri e dei materiali polimerici in genere, sia nell’ambito della ricerca accademica che a livello industriale-applicativo. 

DSC

Ampiamente utilizzata in molte aree di ricerca, di sviluppo e di controllo qualità, l’analisi DSC (Calorimetria a scansione differenziale) è una tecnica di non equilibrio, in cui il flusso di calore in ingresso o in uscita dal polimero è confrontato con quello di un riferimento, in funzione di tempo o temperatura. Il flusso di calore viene misurato mantenendo uguale la temperatura di campione e riferimento. Questa tecnica permette l’individuazione precisa delle temperature di transizione vetrosa, di cristallizzazione e dei punti di fusione e nel caso degli elastomeri, delle caratteristiche di vulcanizzazione ed è particolarmente preziosa per l’analisi dei guasti, per lo sviluppo di compound e per determinare le prestazioni di una guarnizione alle basse temperature.

TGA

Principalmente impiegata nello studio della stabilità termica e termo-ossidativa e dei relativi meccanismi di degradazione, è una tecnica analitica quantitativa molto diffusa e utilizza piccole quantità di campione. Essa consiste nella registrazione della variazione nel tempo della massa di un campione sottoposto a una scansione programmata di temperatura. Tale misura viene effettuata con una microbilancia, sensibile alle variazioni di massa dovute allo sviluppo o all’assorbimento di gas, mentre il campione è posto in una fornace che permette il controllo della temperatura e dell’atmosfera. Il risultato dell’esperimento è un termogramma che riporta in ascissa la temperatura (o il tempo) e in ordinata la variazione di massa, come valore assoluto o percentuale. Tale grafico viene spesso definito curva di decomposizione termica. L’analisi termogravimetrica può essere effettuata in atmosfere modificate, sia inerti che reattive, permettendo di ottenere informazioni sulla stabilità e sulla reattività dei materiali nelle diverse condizioni. Con riferimento ai materiali polimerici, le informazioni ottenibili con la termogravimetria possono quindi essere molteplici:stabilità termica; stabilità termo-ossidativa (ad es. tempo di induzione all’ossigeno, OIT); composizione in sistemi multicomponente (ad es. informazioni sul contenuto di cariche inerti); stabilità in atmosfere corrosive o reattive; determinazione del contenuto di sostanze bassobollenti (residui di monomero, solventi o umidità). 

TMA

L'analisi termomeccanica (TMA) misura le variazioni delle dimensioni del campione lungo una direzione (lineare) o lungo le tre dimensioni (volumetrica) in funzione del tempo, della temperatura e della forza applicata. E’ l'integrazione ideale alla DSC. Oltre alla misura dei coefficienti di espansione, la TMA è  una tecnica eccellente per la determinazione delle transizioni vetrose non misurabili in modo soddisfacente dalla DSC, ad esempio in caso di materiali con alto contenuto di riempitivo. La TMA risulta di particolare utilità nella caratterizzazione di sistemi polimerici di varia natura (termoplastici, termoindurenti, compositi in genere, rivestimenti polimerici ed adesivi) e trova un interessante impiego nel campo dei biomateriali e per tutti quegli utilizzi dove risulta indispensabile analizzare la risposta del materiale in ambiente termicamente e meccanicamente controllati. Nel laboratorio di analisi chimico-fisiche, l'analisi termomeccanica viene condotta mediante strumentazione in grado di analizzare sistemi polimerici in un range di temperatura [-100,700°C] in condizioni di carico comprese tra 0.1 e 100 Newtons.

DMA

L’analisi dinamico-meccanica (DMA) viene utilizzata per determinare le proprietà dei materiali viscoelastici in funzione della temperatura o della frequenza a seguito della deformazione per forza periodica o sfasamento. I tipi di materiale che possono essere analizzati includono materiali termoplastici, termoindurenti, compositi, elastomeri, ceramici e metallici. La DMA fornisce informazioni quantitative e qualitative su: modulo di elasticità e di taglio; caratteristiche di attenuazione e comportamento viscoelastico; struttura e morfologia dei polimeri; comportamento di flusso e di rilassamento che non possono essere rilevati con la DSC. La tecnologia DMA è la soluzione ideale quando è necessaria la massima accuratezza e quando occorre caratterizzare il materiale su un ampio intervallo di rigidità e/o di frequenza. Inoltre, poiché la tecnologia DMA è estremamente versatile, è in grado di caratterizzare i materiali anche nei liquidi o a livelli di umidità relativa specifici.

I tecnici Fridle Group sono a disposizione per aiutarti a trovare le guarnizioni in elastomero adatte alla tua applicazione.