Evaluation of Thermal Characteristics of Rubber O-Rings

Význam tématu

Vysoká těsnost v potrubích a nádobách pro přepravu plynů a kapalin závisí na vhodném výběru gumových těsnění, především O-kroužků. Analýza jejich tepelných vlastností je klíčová pro zajištění provozní spolehlivosti v širokém teplotním rozsahu a pro prevenci úniků v náročných podmínkách.

Cíle a přehled studie

Studie si klade za cíl komplexně vyhodnotit tepelné charakteristiky čtyř běžně používaných typů gumových O-kroužků: ethylen-propylen-dienový terpolymer (EPDM), nitrilový kaučuk (NBR), fluorový kaučuk (FKM) a silikonovou pryž. Pro analýzu byly využity tři techniky: diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC), simultánní termo-gravimetrická analýza s diferenční termickou analýzou (TG-DTA) a termomechanická analýza (TMA).

Použitá metodika

DSC umožnila stanovit skleněný přechod a teplotu krystalizace při nízkých teplotách až do −140 °C, TG-DTA poskytla informace o tepelné rozkladu a kvantitativní složení směsí vulkanizačních přísad, a TMA měřila součinitel lineární roztažnosti v rozmezí −30 °C až 50 °C pod malým zatížením.

Použitá instrumentace

• DSC-60 Plus: diferenciální skenovací kalorimetr
• DTG-60: simultánní termo-gravimetrický analyzer s DTA
• TMA-60: termomechanický analyzer

Hlavní výsledky a diskuse

• Studená odolnost (DSC): skleněný přechod byl zjištěn při −34,3 °C (EPDM), −35,7 °C (NBR) a −23,8 °C (FKM). Silikonová pryž vykazovala krystalizační teplotu −61,5 °C.
• Teplotní stabilita a složení (TG-DTA):1 % hmotnostní ztráta nastala nejdříve u NBR a nejpozději u FKM, což ukazuje na nejvyšší tepelnou odolnost FKM. Analýza hmotnostních ztrát v dusíku a v oxidačním prostředí odhalila obsah organických komponent a množství uhlíkového černidla (nejvíce v NBR).
• Součinitel roztažnosti (TMA): v rozsahu 0–50 °C byl nejvyšší pro silikon (1,44×10⁻⁴/K), následuje FKM (1,24×10⁻⁴/K), NBR (0,92×10⁻⁴/K) a nejnižší u EPDM (0,64×10⁻⁴/K).

Přínosy a praktické využití metody

Popisované techniky poskytují nástroje pro volbu správného materiálu těsnění podle provozních teplot, požadované pružnosti, odolnosti vůči praskání a chemickým přísadám. Simultánní TG-DTA umožňuje u jediné analýzy určit rozkladovou teplotu i složení plniv.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozvoj miniaturizace vzorků, automatizace měření a aplikace strojového učení pro pokročilou analýzu dat. Dále se otevírá prostor pro vývoj nových kompozitních materiálů s optimalizovanými termomechanickými vlastnostmi a jejich rychlou charakterizaci.

Závěr

Komplexní termální analýza gumových O-kroužků ukázala jasné rozdíly ve vlastnostech EPDM, NBR, FKM a silikonové pryže. Kombinace DSC, TG-DTA a TMA poskytuje spolehlivý přístup k hodnocení teplotní odolnosti, složení a roztažných vlastností, což napomáhá bezpečnému návrhu a využití těsnění v průmyslových aplikacích.

Reference

• Shimadzu Corporation: Application note „Evaluation of Thermal Characteristics of Rubber O-rings“, First Edition, December 2023.