Terminologia degli elastomeri

Questa pagina spiega i termini chiave utilizzati per definire le proprietà degli elastomeri.

Proprietà chimiche
Tutti i tipi di elastomero sono soggetti ad attacchi chimici di vari livelli. La compatibilità di una gomma in un ambiente particolare è sia una funzione della struttura del polimero, sia il modo in cui esso è stato formulato.  L’incompatibilità chimica può avere vari effetti sulla miscela di gomma, a seconda della forma precisa dell’attacco chimico, con effetti esagerati o accelerati a temperature elevate. Gli effetti fisici possono essere visibili sotto forma di:
- Fragilizzazione e indurimento
- Ammorbidimento e collosità
- Rigonfiamento
- Perdita di volume
L’effetto più comune è il rigonfiamento, dovuto a un effetto di solubilità, o a un attacco chimico, con conseguente cambio di polarità dell’elastomero. Nonostante l’aumento del volume sia reversibile, gli effetti sul polimero potrebbero non esserlo.

Fragilizzazione e indurimento sono indicativi di una reticolazione ulteriore, e l’ammorbidimento è indicativo della degradazione del polimero/sistema di reticolato. La perdita di volume è solitamente collegata all’estrazione di plastificanti e coadiuvanti di processo, che si traducono in un materiale meno flessibile.

Coefficiente di espansione termica
Tutti i materiali (tranne pochissime eccezioni) si espandono con l’aumentare della temperatura. Ogni materiale ha un grado di espansione caratteristico. Il valore è espresso in termini di quantità di espansione lineare o volumetrica, che avviene con ogni unità di lunghezza o volume per ogni grado di aumento della temperatura.

Proprietà di compressione

• Cedimento permanente alla compressione - Una misura dell’elasticità di un materiale dopo un’azione di compressione prolungata, in condizioni ambientali, o durante l’esposizione a temperature elevate. Il cedimento permanente alla compressione è spesso utilizzato come misura dello stato di vulcanizzazione o resistenza dei reticoli; è ampiamente portata come esempio per applicazioni di tenuta, come tentativo di collegare le caratteristiche del materiale alla prevenzione di perdite, dove il recupero della forma della guarnizione è necessario dopo una distorsione.  I mutamenti chimici e fisici che possono verificarsi in un elastomero alle alte temperature potrebbero impedire che l’elastomero recuperi pienamente la sua forma originale una volta rimossa la sollecitazione compressiva applicato. Il risultato è noto come “ c "cedimento permanente", ed è quantificato come una perdita percentuale di forma rispetto alle dimensioni originali.  La norma ASTM D395 definisce due diversi metodi di prova (A e B).  Il metodo A non è spesso citato, ma si riferisce a un carico costante.  Il metodo B è quello più comune, in cui un campione di dimensioni specifiche è compresso fino ad una freccia fissa: dopo essere stato esposto a temperature elevate, il campione viene rimosso dal supporto e lasciato a riposare in condizioni ambientali prima di misurarne dimensioni definitive. Un’altra variante meno utilizzata di questa prova si trova nella norma ISO 815, dove i campioni possono essere lasciati raffreddare mentre sono ancora in fase di compressione.
• Rilassamento da sollecitazione compressiva - Gli elastomeri sono materiali viscoelastici, che si comportano, in sostanza, come un solido elastico e come un liquido viscoso. La deformazione costante di un elastomero può condurre a mutamenti strutturali interni che, a loro volta, possono alterare le caratteristiche di sollecitazione-deformazione del materiale sotto carico.  Quando è compresso, l’energia viene immagazzinata e dissipata dal materiale, ovvero si verificano sia gli effetti elastici che quelli viscosi.  Pertanto, mentre viene compresso, un elastomero genererà una forza di reazione (o ‘forza di tenuta’). Tuttavia, con il passare del tempo, l’energia immagazzinata diminuirà, riducendo la forza di tenuta iniziale. Questa diminuzione della forza di tenuta è nota come ‘Rilassamento da sollecitazione compressiva’ (CSR). Il CSR, a volte, indica laforza di tenuta conservata nel settore delle tenute e delle guarnizioni. Il fenomeno può essere accelerato dall'esposizione agli agenti chimici e/o alle alte temperature, che attaccano la struttura del polimero o il sistema di reticolazione.  Il CSR si misura comprimendo un provino standard a una deformazione costante e misurando la forza esercitata dal provino a intervalli specifici e in specifiche condizioni. La forza di decomposizione si esprime come percentuale della forza reattiva iniziale.
• Modulo di compressione - Il modulo di compressione è un’importante proprietà fisica degli elastomeri e determina la quantità di deformazione che il materiale presenterà per una data entità di sollecitazione compressiva.  La prova è talvolta definita test di ‘freccia di carico’.  I risultati della prova dipendono fortemente dalle dimensioni dei campioni, dato l’effetto del ‘fattore forma’ durante le prove sugli
  elastomeri. Il ‘fattore forma’ è un rapporto dell’area del provino rispetto all’area del campione ‘libera di rigonfiarsi’;
  è noto che un campione con una superficie ampia, ma con un’area libera di rigonfiarsi ridotta, mostrerà rapidi aumenti di modulo.

Decompressione esplosiva
La permeazione di un gas in un elastomero sottoposto a pressione elevata potrebbe non tradursi in alcun effetto a lungo termine, a condizione che la pressione venga rilasciata gradualmente, permettendo al gas di fuoriuscire dall'elastomero. Tuttavia, se la pressione viene rilasciata rapidamente, i gas pressurizzati possono espandersi improvvisamente, causando catastrofiche crepe nell’elastomero.. Sono richiesti specifici compound elastomerici per eliminare questo effetto, con i materiali della formula che tendono a essere molto duri. Vedere pagina 8 per informazioni sulle prove di decompressione esplosiva.

Attrito, usura e abrasione
La resistenza all’usura di una gomma quando la sua superficie è soggetta ad azione meccanica. È solitamente espressa come indice di resistenza all’abrasione riferito a una gomma standard ed è applicabile a tutti i metodi.

• Attrito - L’attrito può essere definito come la resistenza allo scivolamento di un materiale su un altro. La prova dell’attrito in relazione agli elastomeri è principalmente associata al settore dei pneumatici, e può essere suddivisa in due categorie separate: statica e dinamica. Solitamente la prova si esegue utilizzando una ‘slitta’ di materiale caricata con pesi aggiuntivi per riprodurre una forza normale. Questa slitta viene poi fatta scivolare su una superficie di una finitura superficiale nota. La forza resistente risultante può essere ricondotta al coefficiente di attrito (μ) utilizzando la formula F = μR, dove F è la forza resistente ed R è la forza normale. Questo metodo presenta numerosi inconvenienti, poiché gli elastomeri non rispettano pienamente questa equazione, ma i dati possono essere comparabili.
• Indice di resistenza all’abrasione - L’espressione della resistenza all’abrasione, che è il rapporto tra la perdita di volume di una gomma standard e la perdita di volume di una gomma oggetto della prova, determinato alle stesse condizioni specifiche, espresso come percentuale. La prova implica la rimozione della gomma con l'uso di un panno abrasivo su un cilindro rotante. La perdita di volume della gomma oggetto della prova è calcolata nelle stesse condizioni di prova per rimuovere 200mg della gomma standard appropriata.

Durezza
La resistenza della superficie di un materiale alla penetrazione da parte di un indentatore di dimensioni specifiche sotto un carico specifico. La proprietà d durezza come proprietà si calcola con due sistemi comuni (che non sono necessariamente correlati):

• IRHD (International Rubber Hardness Degrees - Grado Internazionale di durezza della gomma) - Basato sulla misurazione della penetrazione di una sfera rigida ben specificata in un provino sotto uno specifico carico statico. Una versione ridotta di questo strumento di carico statico è disponibile per effettuare misurazioni su piccole sezioni e spessori ridotti IRHD `M`.  Per superfici curve, si cita spesso l la ‘durezza apparente’, dato che i valori IRHD e Shore A tendono ad essere maggiormente variabili se misurati attraverso piccole superfici curve, come nel
  caso degli o-ring.
• Gradi di durezza Shore – Le apparecchiature di prova utilizzate per misurare la durezza sono spesso definite durometri (tipo A o D), entrambi utilizzano una molla calibrata che agisce su un indentatore specifico per penetrare nel provino.  Le scale di durezza sono indicate in
  gradi da 0 (infinitamente morbido) a 100 (durissimo).

Resistenza a calore e invecchiamento precoce
Il deterioramento controllato all’aria alle alte temperature e a pressione atmosferica a seguito del quale si misurano le proprietà fisiche e confrontandole con provini non invecchiati. Le proprietà tipiche misurate sono cambiamenti di durezza, allungamento alla rottura, sforzo di trazione alla rottura e sollecitazione con vari gradi di trazione.  Resistenza al calore e invecchiamento precoce sono anch'essi collegati al ‘degassamento’, dove un elastomero, durante l’esposizione iniziale alle alte temperature, può perdere alcuni oli di lavorazione o frammenti di polimero a basso peso molecolare. In alcune applicazioni, questa perdita di specie polimeriche può interferire con componenti o processi critici. In genere, questa perdita di peso può essere misurata utilizzando l’analisi termogravimetrica (TGA), spesso abbinata a ulteriori apparecchiature, nel caso in cui debbano essere individuati altri componenti specifici della perdita di peso.

Resistenza alle basse temperature
La resistenza alle basse temperature di qualsiasi elastomero dipende dalla temperatura di transizione vetrosa (Tg) del materiale. Questa è la temperatura alla quale l’elastomero passa dall’essere un materiale simile alla gomma a un materiale fragile. Quando un elastomero si avvicina alla sua temperatura di transizione vetrosa, si prevede, generalmente, che la resistenza alla trazione, la durezza, il modulo e il cedimento permanente alla compressione aumentino. La temperatura di transizione vetrosa (Tg) per un qualsiasi elastomero è principalmente una funzione della struttura polimerica, ma può essere alterata leggermente con l'uso di oli.  Esistono numerosi metodi per stabilire le prestazioni a bassa temperatura di un elastomero. Quello della calorimetria differenziale a scansione (DSC) è il metodo più utilizzato per la valutazione della zona di transizione vetrosa.. Questo metodo si avvale di accurate misurazioni dei cambiamenti nella entalpia dei materiali in una determinata gamma di temperature. L’analisi di questi dati permette precise misurazioni della transizione vetrosa.  Altri test si concentrano su parametri più fisici. Per esempio, il test della ritrazione alla temperatura (TR) comporta l’immersione di un provino stirato standard in un bagno a -70°C, fino a quando non diventa rigido, permettendo poi al campione di ritrarsi liberamente e aumentando la temperatura a 1°C/min. La temperatura a cui il provino si è ritratto del 10% rispetto allo stiro originale è definita ‘TR10’. Un valore aggiunto a TR10 definisce lo stiro iniziale, per es. la prova TR10/50 stirerà il campione del 50%.

Un metodo alternativo per descrivere la rigidità a basse temperature di un elastomero è quello di adottare la prova Gehman (ISO1432 : 1998). Questo metodo di prova misura il modulo di torsione di un provino standard a una gamma di temperature.  Si determinano i valori del modulo relativo alle temperature misurate (il modulo relativo a una data temperatura è il rapporto tra il modulo di torsione a quella temperatura e il modulo di torsione a 23°C). La temperatura a cui il modulo relativo è 10, è indicata come T10 o 5 come T5, ecc. 

Degassamento
Il rilascio di gas da un materiale, o parti del materiale a bassa densità molecolare. Questi gas, insieme ai gas al di sopra della superficie
del solido, possono essere rilasciati in un ambiente sotto vuoto a formare una perdita percepita. In condizioni di temperatura ambiente, le sostanze degassate predominanti sono il vapore acqueo e gli idrocarburi. Il tasso di degassamento aumenta con l'aumentare delle temperature, che aumentano il tasso di permeazione e possono innescare reazioni chimiche, all’interno dell’elastomero, che rilasciano altri gas. Le sostanze degassate possono condensarsi sulle superfici o reagire con le sostanze chimiche di processo, che possono inibire le prestazioni.

Permeazione
La permeazione dei gas o dei vapori attraverso l’elastomero. Questa è una proprietà importante se l’elastomero è usato per prevenire fuoriuscite di gas/vapori da camere, ecc. Il tasso di permeazione dipende dal tipo di elastomero utilizzato e dalla composizione della miscela finale (tipo di filler, plastificanti, ecc). Il grado di permeazione, generalmente, si riduce dagli elastomeri siliconici (i più alti), seguiti da NR, EPDM, SBR, CR, NBR, FKM e FFKM, ECO e IIR.

Vulcanizzazione con perossidi o con zolfo
Numerosi meccanismi di reticolazione (vulcanizzazione) possono essere impiegati per tipi diversi di elastomero, comuni tra questi sono i sistemi di vulcanizzazione con zolfo e con perossidi. In generale, i sistemi vulcanizzati con zolfo offrono migliori proprietà meccaniche originali, ma hanno peggiori proprietà di invecchiamento a caldo, mentre i sistemi ai perossidi il contrario.

Compressione
La quantità di deformazione applicata all’o-ring o alla guarnizione espressa in una percentuale della sezione originale. La deformazione dell’o-ring tra superfici di accoppiamento crea una tenuta efficace.  È l’elasticità della gomma a fornire la forza di tenuta di reazione sulle superfici di riproduzione.  L’aumento della compressione aumenta il carico compressivo generato dalla guarnizione, che può potenzialmente danneggiare o deformare le superfici di accoppiamento. Il cedimento permanente alla compressione ridurrà la forza di tenuta esercitata dall’o-ring nel tempo.

Stiro
Per fornire una tenuta efficace, il diametro interno (ID) dell’o-ring deve essere minore del diametro della scanalatura del pistone.  Questo assicura che l’o-ring sia leggermente allungato e che pertanto si adatti in modo certo alla scanalatura. Lo stiro ideale è tra l’1% e il 5%, il 2% è considerato ottimale nella maggior parte delle applicazioni.  Uno stiro superiore al 5% non è consigliato, in quanto ridurrebbe la sezione trasversale e potrebbe tradursi in un aumento delle sollecitazioni dell’o-ring, causando un invecchiamento precoce.

Proprietà alla trazione
Si utilizza un semplice test di campioni di elastomero in tensione per determinare la resistenza dei materiali. La più comune rappresentazione è data nella forma di una curva di sollecitazione-deformazione per la progettazione; la curva di sollecitazione-deformazione utilizza le dimensioni originali per il calcolo, contrariamente alle dimensioni effettive durante il test (la sezione potrebbe non rimanere necessariamente costante durante la prova). Qui di fronte è riportata una curva tipica di sollecitazione-deformazione teorica da una prova di trazione.
s = Sollecitazione teorica di prova.
e = Deformazione teorica di prova o allungamento indicato come percentuale della lunghezza originale al calibro.

• Sforzo di trazione (S o s)
  La sollecitazione applicata per estendere il provino, calcolata come forza per unità di superficie della sezione originale della lunghezza di prova. I risultati sono normalmente riportati in MPa.
• Allungamento (E o e) - L’estensione espressa come percentuale della lunghezza di prova originale, prodotta sul provino dalla sollecitazione di trazione, conosciuta come deformazione percentuale.
• Resistenza alla trazione (TS) - La massima sollecitazione di trazione registrata nell’estensione del provino fino al punto di rottura. Definita anche come ‘sollecitazione di trazione definitiva’.
• Resistenza alla rottura per trazione (TSb) - Lo sforzo di trazione registrato al momento del deterioramento/rottura del campione.
  Nota: i valori TS e TSb possono essere diversi nel caso in cui, dopo il rilassamento, l’allungamento continui e sia accompagnato da una caduta in termini di sollecitazione, che renda TSb inferiore a TS.
• Allungamento alla rottura (Eb) - L’allungamento (espresso in percentuale della lunghezza originale) al punto di rottura.
• Allungamento a una data sollecitazione (ES) - La deformazione alla trazione nella lunghezza di prova quando il provino è soggetto a una data sollecitazione di trazione.
• Modulo o “Sollecitazione/sforzo a un dato allungamento” (SE) - Lo sforzo di trazione nella lunghezza di prova a un dato allungamento. Questa definizione è ampiamente indicata con il termine ‘modulo’, e occorre prestare attenzione al fine di evitare confusione con altri usi del termine “modulo”, come il modulo di Young, che indica la caduta di una curva di sollecitazione-deformazione lineare. Né il modulo di Young, né il modulo Secante, sono applicabili a materiali non lineari e pertanto non sono utilizzati quando si fa riferimento agli elastomeri.
• Densità dell’energia di deformazione (W) - Definita come ‘lavoro svolto’ per una data deformazione, per es. l’area entro una curva di sollecitazione-deformazione dopo un allungamento specificato.

Resistenza allo strappo
La forza media necessaria a propagare un taglio da strappo in un provino specificato a forma di pantaloni, diviso per lo spessore del provino.  Questo termine indica la resistenza alla propagazione di un piccolo taglio preliminare in un elastomero. La prova più comune utilizza il metodo “strappo dei pantaloni” (ASTM D624, Die T), con un provino della forma descritta nel titolo.

Tolleranze
La variazione consentita su dimensioni o superfici durante il processo di produzione. La tolleranza è uguale alla differenza tra i limiti massimo e minimo di ogni dimensione specificata. Dato che i metalli sono duri e l’interferenza potrebbe impedirne l'assemblaggio, di solito se ne esprime la tolleranza come unità premontate.  Gli alesaggi sono definiti come una dimensione sommata a una variazione tollerabile, e gli alberi sono definiti come una dimensione da cui viene sottratta una variazione ammissibile. Dato che i particolari in elastomero, come gli o-ring, sono flessibili e generalmente progettati per operare in situazioni di interferenza (compressione o trazione), hanno solitamente una tolleranza ± per diametro e sezione.
Le tolleranze degli o-ring per ogni dimensione standard sono indicate nelle tabelle dellemisure degli o-ring.
Consigliamo l’utilizzo degli standard della normai ISO3302-1 Classe M2, X2 nella progettazione di componenti in elastomero personalizzati.

Mutamenti di volume
Il grado a cui un materiale si espande o contrae durante l’esposizione ad ambienti operativi è un importante fattore da considerare in ogni applicazione di tenuta. Può accadere che i fluidi operativi siano assorbiti in un materiale, causandone il rigonfiamento. I fluidi operativi possono anche dilavare ingredienti all’interno del materiale causando una riduzione del volume, in alcuni casi possono accadere entrambe le cose: un rigonfiamento iniziale seguito dal restringimento. Alcuni ambienti chimici e le elevate temperature possono causare il restringimento della struttura reticolare, con conseguente riduzione del volume.  Le misurazioni del volume, prima e dopo l’esposizione, sono espresse come una variazione in percentuale.

Resistenza alle intemperie, all'ozono e ai raggi UV
L’esposizione degli elastomeri alle intemperie può tradursi in un deterioramento del prodotto dovuto principalmente agli effetti della luce solare, in particolare dei raggi UV (ultravioletti) che compongono lo spettro luminoso. I raggi UV hanno come effetto la scissione della catena polimerica principale, che porta a una rapida degradazione dell'elastomero. Questa degradazione si manifesta sotto forma di crepe superficiali, spesso definite come incrinature, che possono favorire l’ingresso di acqua che dilava i componenti solubili e porta al deterioramento della guarnizione. Questa forma di attacco è maggiormente riscontrabile in materiali che abbiano una certa insaturazione (doppi legami carbonio-carbonio) nella struttura principale del polimero, ed è accelerata dalle sollecitazioni applicate al materiale (attacco chimico indotto dalle sollecitazioni). Per contrastare questa eventualità, è possibile introdurre nella formulazione degli stabilizzatori chimici degli UV e il nerofumo è generalmente riconosciuto come uno dei sistemi di protezione contro gli UV più efficaci per gli elastomeri.  In modo analogo, l’ozono (un potente agente ossidante) può degradare i componenti elastomerici in maniera simile a quanto fanno i raggi UV. L’uso di antiozonizzanti e l’attenta scelta degli elastomeri (polimeri saturi) può ridurre in modo significativo/eliminare questo problema.