Applicazioni degli O-Ring: gli aspetti da valutare per la scelta del materiale. [Parte 1]

La scelta di un materiale elastomerico dipende da molti fattori: temperatura di utilizzo, ambiente di utilizzo, fluidi / gas con cui viene a contatto e per quanto tempo, caratteristiche meccaniche, elettriche, ecc.

Ecco quali sono alcuni dei fattori più importanti da considerare nella ricerca della mescola corretta per ogni specifica applicazione.

Resistenza chimica

La resistenza chimica (resistenza ai fluidi e/o gas) rappresenta uno dei fattori chiave nella scelta di un particolare tipo di elastomero. Molti fluidi e/o gas tendono a penetrare nella mescola causando problemi di  variazione di durezza, di allungamento, di carico a rottura e di variazione del volume. Il grado di “modificazione” che subisce l’elastomero dipende dalla compatibilità dello stesso con il fluido e/o gas con cui è a contatto.

In questa tabella  sono elencati più di 2200 fluidi e gas con o relativi gradi generali di compatibilità con i vari tipi di elastomeri.

Caratteristiche elettriche

Una delle caratteristiche più interessanti degli elastomeri è la loro proprietà di isolare elettricamente. Regolando gli additivi è possibile ottenere un grado diverso di isolamento maggiore o minore. E’ possibile però creare mescole che conducono elettricità (ad esempio aggiungendo grafite alla mescola) e/o antistatiche.

Gli impieghi in questo campo variano dall’isolamento dei cavi elettrici alla produzione di membrane utilizzate per tastiere, ai sistemi di connessione dei circuiti stampati, ecc.

Temperatura di impiego

Le alte e le basse temperature influenzano molto il comportamento degli elastomeri. Alle alte temperature le mescole sono soggette a deterioramento provocando diversi effetti:

• la durezza diminuisce: l’effetto però si inverte nel caso in cui la temperatura torna a diminuire.
• l’allungamento percentuale aumenta e, di conseguenza, il carico necessario a romperla diminuisce.

Se le alte temperature permangono per molto tempo possono innescare un invecchiamento precoce della mescola causando variazioni di durezza, carico a rottura, allungamento e volume che possono ridurre le caratteristiche del manufatto.

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In presenza di alta pressione, la diminuzione della durezza può provocare l’effetto di estrusione in una sede. Praticamente l’O-ring, reso più morbido dalla temperatura, viene schiacciato contro la parete della sede dove è alloggiato e, per effetto della spinta della pressione, tende a infilarsi nello spazio vuoto fra i due componenti sui quali viene effettuata la tenuta. Questo effetto, chiamato comunemente “di estrusione”, è distruttivo per l’O-ring e può provocare malfunzionamenti nella tenuta.

Ogni elastomero ha un coefficiente di dilatazione termica differente e si divide in:

• lineare: rappresenta il rapporto tra la variazione della lunghezza a 1°C (o °F) e la lunghezza originale a 0°C (o °F)
• volumetrico: rappresenta il rapporto fra la variazione del volume e il prodotto del volume originale e la variazione di durezza. Solitamente è paria 3 volte il coefficiente di dilatazione termica lineare.

Gli elastomeri hanno un coefficiente di dilatazione termica molto più elevata dei metalli (circa 8/10 volte).

+ PLUS +

Questa notevole variazione è da tenere in considerazione nel caso in cui si progetti una sede di O-ring perché una eccessiva dilatazione della mescola potrebbe causare il riempimento della sede e causare disallineamenti delle parti e/o problemi nella tenuta.

A differenza degli effetti causati dall’alta temperatura, la bassa temperatura solitamente non provoca cambiamenti permanenti negli elastomeri. L’effetto più evidente della bassa temperatura è l’aumento della durezza fino al completo irrigidimento del manufatto ma, se la temperatura aumenta, l’elastomero reagisce tornando allo stato iniziale. Definire un limite per l’utilizzo alle basse temperature è molto difficile. A tal proposito ci sono teorie contrastanti perché molti produttori di articoli stampati in gomma tendono “ad allargare” i limiti imposti dai risultati ottenuti in laboratorio con i test standard.

Si trovano perciò delle schede tecniche con limiti di utilizzo molto più bassi dei valori testati, differenziando magari limiti per tenute statiche e dinamiche. Solitamente per le tenute statiche vengono “aggiunti” -5°C / – 10°C al valore del test di riferimento TR10, ma si tratta di suggerimenti soggettivi basati sull’esperienza di utilizzo o sul fatto che “il manufatto in gomma non raggiunge le basse temperature indicate nella specifica perché è inserito in un sistema più grande”, ecc.

Un interessante studio sull’effetto che le basse temperature hanno sugli O-Ring può essere letto in questo documento redatto dal ORING PRUEFLABOR RICHTER, da cui citiamo:

“Se un O-ring inserito in una sede per compiere una tenuta statica raggiunge la temperatura di cristallizzazione, la rigidità del materiale non permette più una reazione elastica e, essendo il manufatto completamente rigido, l’effetto di tenuta viene a mancare. Differenze di pressione all’interno della sede possono provocare il movimento dell’anello che, essendo cristallizzato e rigido non può reagire causando una perdita.”

Nulla è quindi da sottovalutare o lasciare per scontato, ed una volta considerati questi aspetti si può passare alla scelta del materiale più adatto.

Come? Conoscendo i diversi materiali e le relative caratteristiche e peculiarità: le trovi tutte qui!