Introduction
En technologie, le terme "joint" est utilisé pour décrire des éléments ou des structures qui ont pour tâche d'empêcher ou de limiter les transferts de matière non désirés d'un endroit à un autre. Si, par exemple, un robinet d'arrêt continue de couler, c'est que son joint est défectueux [1]. Les joints en élastomère sont utilisés dans des applications techniques et remplissent une grande variété de tâches d'étanchéité. Selon l'application, les domaines d'importance fondamentale comprennent la sélection des matériaux, leur conception, la géométrie ou la forme du joint requise et, bien sûr, les conditions limites physiques et chimiques dans lesquelles les joints sur mesure doivent être utilisés.
C'est pourquoi une connaissance détaillée des conditions physiques et chimiques auxquelles l'application est exposée - telles que les plages de température et de pression, la résistance chimique et donc la sélection de substances inertes appropriées - est une condition préalable à la conception réussie d'un joint.
Résistance des médias
Toutefois, il ne suffit pas de prendre en compte la résistance aux fluides des matériaux de base (produits), par exemple, dans une chaîne de production de produits chimiques techniques. Le joint doit également être chimiquement résistant aux produits issus du processus de fabrication. La résistance aux fluides requise est donc influencée par les fluides en contact avec les fluides à séparer ou à sceller, les fluides créés pendant le fonctionnement, l'air ambiant, les additifs tels que les lubrifiants et les consommables tels que les agents de nettoyage.
Stabilité de la température
La plage de température d'utilisation des matériaux d'étanchéité est déterminée sur la base d'une température d'utilisation continue possible avec des réserves de sécurité suffisantes. Il faut également tenir compte du fait que des Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. réactions de décomposition peuvent se produire en cours de fonctionnement et entraîner un rétrécissement ou un gonflement du matériau d'étanchéité. En outre, les conditions de démarrage peuvent changer en raison de la température, de la pression et de l'usure.
Outre les essais d'adéquation, une partie importante du processus de développement des joints en élastomère consiste en des essais approfondis sur les matériaux. Les expériences de reprise de fluage jouent un rôle clé à cet égard.
Qu'est-ce qu'un test de reprise de fluage ?
Au cours d'un essai de récupération, un échantillon d'élastomère, généralement cylindrique, soumis à une charge de compression, est déformé à une température constante pendant une période prédéterminée. Cette déformation est suivie d'une phase de relaxation (c'est-à-dire sans charge/force), qui a généralement lieu à la même température. Ici aussi, une période définie est fixée pour la "récupération de l'échantillon". Lors du relâchement, un joint idéal se redresserait immédiatement et sans délai jusqu'à la hauteur de départ (par exemple, un ressort élastique).
Cependant, les joints réels se comportent différemment. En fonction du matériau, de sa structure interne, de la température ambiante et de l'influence du site medium, les processus de "redressement" ou de restauration peuvent se dérouler très différemment. Il faut souvent plusieurs heures, voire plusieurs jours, avant que la hauteur initiale ne soit à nouveau atteinte. Il est également possible que les matériaux n'atteignent plus leur hauteur initiale et restent déformés de manière permanente et irréversible. Un critère de qualité important pour un joint est sa capacité de restauration :
À quelle vitesse et à quel niveau par rapport au niveau initial "vierge" le matériau se rétablit-il lors de l'essai ?
Conditions de mesure
En règle générale, les propriétés dites "en vrac" sont requises dans les essais de matériaux afin de tirer des conclusions significatives et fiables. Il s'agit ici d'un échantillon large-volume. Si les dimensions des échantillons sont trop grandes small, le rapport entre la surface de l'échantillon et son volume devient défavorable. Les résultats d'essai obtenus ne peuvent alors plus être utilisés directement pour déduire les propriétés du matériau. C'est pourquoi les éprouvettes large-volume doivent être exposées aux déformations qui se produisent dans l'application.
Dans cet exemple, des essais de reprise de fluage sont effectués sur un échantillon cylindrique rempli de Noir de carboneLa température et l'atmosphère (gaz de purge) affectent les résultats du changement de masse. En changeant l'atmosphère, par exemple de l'azote à l'air, pendant la mesure TGA, il est possible de séparer et de quantifier les additifs, par exemple le noir de carbone, et le polymère en vrac.noir de carbone (hauteur : 25 mm, diamètre : 20 mm) d'un matériau d'étanchéité élastomère à température ambiante dans un DMA GABO Eplexor® 2000 N à forte charge.
À cette fin, une compression statique de 40 % de la hauteur initiale de l'échantillon a été appliquée. Cette déformation a été régulée pendant une heure et maintenue constante.
Ensuite, la force statique nécessaire pour comprimer de 40% a été "brusquement" supprimée, une force de contact de 2 N a été appliquée et le processus de récupération qui en résulte a été enregistré pendant une heure. Cette faible force n'a aucune influence sur le processus de "redressement", mais elle est nécessaire pour maintenir l'échantillon fermement.
Résultats des mesures
La figure 1 montre l'évolution temporelle de la déformation et de la contrainte au cours de l'essai de Rétablissement de l'effet de reptationLa récupération du fluage est le rapport entre la résistance au fluage récupérable et la résistance au fluage initiale, exprimé en pourcentage. Souvent, dans les essais MSCR (multiple stress creep recovery), la récupération du fluage est considérée comme un indicateur de performance, une récupération plus importante indiquant un liant moins sujet à l'orniérage. récupération par fluage.
L'échantillon est comprimé de 40 %. Initialement, la contrainte mécanique augmente fortement. La force initiale requise est d'environ 2 400 N (7,5 MPa x 314 mm2 ~2 400 N). Si l'état déformé est maintenu pendant une heure, une baisse de la contrainte appliquée est mesurée. En fonction des matériaux utilisés, de leur structure interne et de leur composition, la mobilité moléculaire intrinsèque spécifique à la substance peut souvent être très différente. Par des processus dits de relaxation, les matériaux subissent une réduction de la contrainte appliquée à des vitesses différentes. Le niveau de contrainte atteint et le temps écoulé avant d'arriver à cet état "quasi-stationnaire" fournissent des informations sur le comportement à long terme et permettent d'évaluer le profil des propriétés dans des applications réelles. Dans ce cas, la contrainte atteint une valeur presque constante de 5,5 MPa.
Dans un deuxième temps, la force statique est brusquement supprimée et une force de contact de 2 N est appliquée pour maintenir l'échantillon serré. Cette réduction de la contrainte s'accompagne d'une déformation inverse spontanée, qui dure relativement peu de temps dans ce cas. L'échantillon rampe ou se dilate et, au bout d'une heure seulement, il atteint son état de récupération totale, qui n'est que de 94 % (100 % - 6 % = 94 %) de sa longueur d'origine. La compression permanente de 6 % est basée sur le comportement viscoélastique non linéaire du matériau testé ici et indique un état irréversible.
Conclusion
Les essais de reprise de fluage enregistrent la variation de longueur des joints en élastomère en fonction de la charge, du temps de maintien et de la température. Ils constituent un moyen indispensable de contrôle et de vérification des exigences relatives aux joints en élastomère.
L'échantillon examiné présentait une compression permanente de 6 % après une phase de chargement et de déchargement et ne pouvait pas reprendre sa forme initiale.
Les facteurs décisifs pour une mesure réussie sont la force maximale disponible de l'instrument, la plage de déformation spécifique à la machine et, bien sûr, un contrôle stable de la température, qui doit couvrir la plus grande plage de température possible. Un DMA à charge élevée du type GABO Eplexor® 2000 N ou, mieux encore, un DMA à charge élevée du type GABO Eplexor® 4000 N est le premier choix.