Elastomeri

Gli elastomeri (gomme) sono polimeri speciali che sono molto elastici. Sono leggermente reticolati e amorfi con una temperatura di transizione vetrosa ben al di sotto della temperatura ambiente. Possono essere considerati come una molecola molto grande di dimensioni macroscopiche. Le forze intermolecolari tra le catene polimeriche sono piuttosto deboli. I legami incrociati sopprimono completamente lo scorrimento irreversibile, ma le catene sono molto flessibili a temperature superiori alla transizione vetrosa, e una piccola forza porta a una grande deformazione (vedi anche elasticità della gomma).1 Pertanto, gli elastomeri hanno un basso modulo di Young e un allungamento a rottura molto elevato rispetto ad altri polimeri. Il termine elastomero è spesso usato in modo intercambiabile con il termine gomma, anche se quest’ultimo è preferito quando ci si riferisce alle gomme vulcanizzate.

Gli elastomeri possono essere classificati in tre grandi gruppi: diene, non-diene ed elastomeri termoplastici. Gli elastomeri dienici sono polimerizzati da monomeri contenenti due doppi legami sequenziali. Esempi tipici sono il poliisoprene, il polibutadiene e il policloroprene. Gli elastomeri non dienici includono la gomma butilica (poliisobutilene), i polisilossani (gomma di silicone), il poliuretano (spandex) e i fluoroelastomeri. Gli elastomeri non dienici non hanno doppi legami nella struttura, e quindi la reticolazione richiede metodi diversi dalla vulcanizzazione, come l’aggiunta di monomeri trifunzionali (polimeri di condensazione), o l’aggiunta di monomeri divinilici (polimerizzazione a radicali liberi), o la copolimerizzazione con piccole quantità di monomeri dienici come il butadiene. Gli elastomeri termoplastici come i copolimeri a blocchi SIS e SBS e alcuni uretani sono termoplastici e contengono unità ripetute rigide (dure) e morbide (gommose). Quando vengono raffreddati dallo stato fuso a una temperatura inferiore alla temperatura di transizione vetrosa, i blocchi duri si separano per formare domini rigidi che agiscono come collegamenti fisici per i blocchi elastomerici.

La produzione di parti elastomeriche si ottiene in uno dei tre modi seguenti: stampaggio a iniezione, stampaggio per trasferimento o stampaggio a compressione. La scelta del processo di stampaggio dipende da vari fattori, tra cui la forma e la dimensione delle parti, la tolleranza richiesta, nonché la quantità, il tipo di elastomero e il costo della materia prima.

Come per quasi tutti i materiali, la selezione del prodotto elastomerico giusto per l’applicazione richiede la considerazione di molti fattori, tra cui i requisiti di servizio meccanico e fisico, l’esposizione agli agenti chimici, la temperatura di funzionamento, la durata, la fabbricabilità delle parti e il costo della materia prima e della produzione.

Resistenza al calore

Le prestazioni degli elastomeri diventano meno prevedibili e affidabili quando un elastomero viene utilizzato vicino ai limiti della sua gamma di temperature di servizio. Se, per esempio, la temperatura scende, gli elastomeri diventano più duri e meno flessibili e quando la temperatura raggiunge la temperatura di transizione vetrosa, perdono completamente le loro proprietà di gomma. A temperature ancora più basse, cioè al punto di fragilità, possono rompersi. I cambiamenti nelle proprietà degli elastomeri dovuti alla bassa temperatura sono di solito fisici e completamente reversibili, a meno che la parte elastomerica non sia esposta a grandi tensioni che possono causare danni al di sotto della temperatura di fragilità o di transizione vetrosa. Il contrario è vero quando un elastomero è esposto ad alte temperature, cioè a temperature vicine o superiori al limite della temperatura di servizio. A queste temperature, gli elastomeri subiscono spesso cambiamenti chimici irreversibili. Per esempio, la spina dorsale del polimero può subire la scissione della catena o le molecole del polimero possono reticolare, facendo sì che la parte elastomerica diventi (molto) più morbida o più rigida, il che, a sua volta, riduce la loro resistenza alla compressione.

La temperatura massima di servizio può variare notevolmente da elastomero a elastomero. Le temperature di servizio continuo più alte le hanno gli elastomeri siliconici e fluorocarbonici che possono superare i 400°F (230°C)2, seguiti dagli elastomeri poliacrilici e di nitrile idrogenato con una temperatura massima di servizio tra i 320 e i 350°F (160 – 180°C), mentre gli elastomeri più ordinari come il neoprene e il nitrile hanno una temperatura massima di servizio tra i 210 e i 250°F (100 – 120°C).

Compatibilità dei fluidi

Si può verificare un forte rigonfiamento e un rapido deterioramento o una completa rottura di una parte elastomerica se l’elastomero non è compatibile con il fluido a cui è esposto. Fattori come la concentrazione chimica, la temperatura e la pressione di esercizio influenzano la stabilità / compatibilità con le sostanze chimiche. In caso di dubbio, l’elastomero dovrebbe essere valutato in test funzionali prima dell’uso.

Perché molte applicazioni coinvolgono oli idrocarburici, le parti elastomeriche come le guarnizioni sono classificate in base alla loro resistenza al calore e all’olio. Per esempio, nel sistema ASTM D2000, gli elastomeri sono classificati per resistenza al calore (tipo) e per resistenza all’olio (classe). Gli elastomeri fluorosilicone e fluorocarbonio hanno un’eccellente resistenza all’olio a temperature elevate (> 200°C). Altri elastomeri con buona resistenza all’olio ma solo media al calore sono NBR, ACM e HNBR. Nel caso di ACM e HNBR, la temperatura di esercizio in oli idrocarburici non dovrebbe superare i 150°C e nel caso di NBR i 100°C. Gli elastomeri di silicone e neoprene hanno solo una resistenza media all’olio. Tuttavia, gli elastomeri di silicone possono essere utilizzati a temperature molto più alte del neoprene. Per gli elastomeri EPDM, SBR, butile (IIR, CIIR, BIIR) e a base di gomma naturale (NR, IR) ci si può aspettare una scarsa resistenza all’olio.

Resistenza all’abrasione e allo strappo

La resistenza all’abrasione è generalmente un importante criterio di selezione per le applicazioni di tenuta dinamica e di pneumatici degli elastomeri, mentre una buona resistenza allo strappo può essere importante per altre applicazioni meccaniche in cui gli elastomeri devono resistere a intaccature, tagli e strappi.Elastomeri come il nitrile idrogenato (HNBR), il poliestere (AU) e gli uretani polieteri (EU), la gomma isoprene (NR/IR), la gomma stirene-butadiene (SBR) e i copolimeri tetrafluoroetilene-propilene hanno una resistenza intrinseca all’abrasione, mentre il silicone (VMQ,), il butile (IIR) e gli elastomeri perfluoro (FFKM) hanno scarsa resistenza all’abrasione. In molti casi, la resistenza all’abrasione e allo strappo può essere migliorata con l’aggiunta di lubrificanti interni come il Teflon® o il bisolfuro di molibdeno. Gli elastomeri nitrilici e acrilici hanno una discreta resistenza all’abrasione, ma il nitrile carbossilato (XNBR) offre una resistenza all’abrasione notevolmente migliore.

La maggior parte degli elastomeri con una buona resistenza all’abrasione hanno anche una buona resistenza allo strappo e gli elastomeri con una scarsa resistenza all’abrasione hanno solitamente una scarsa resistenza allo strappo. Per esempio, il silicone e il fluorosilicone sono adatti solo per applicazioni statiche a causa della loro scarsa resistenza allo strappo e all’abrasione.

Prezzo

Il costo è uno dei criteri di selezione più importanti. Supponendo che più di un elastomero soddisfi tutti gli altri requisiti per una data applicazione, il prezzo di solito detterà quale elastomero sarà scelto. I prezzi degli elastomeri possono variare molto a causa delle differenze nelle materie prime, nella composizione e nei costi di lavorazione. Gli elastomeri economici sono le gomme stirene-butadiene (SBR) < gomma naturale (NR) < isoprene (IR) < neoprene (CR) < nitrile (NBR), mentre EPDM < uretano < silicone < poliacrilato (ACM) < butile (IIR) < nitrile idrogenato (HNBR) sono un po’ più costosi ma spesso ancora una scelta economica. Gli elastomeri costosi sono i fluorocarburi (FKM) (copolimeri) < perfluorocarburi (FFKM) < fluorosiliconi (FVMQ). Questi elastomeri sono di solito scelti solo se nessun altro elastomero può soddisfare i requisiti.

Note

1. Gli elastomeri sono spesso descritti come materiali viscoelastici (vedi per esempio Wikipedia). Tuttavia, il flusso viscoelastico è indesiderato, cioè un “vero” elastomero dovrebbe sempre tornare alle sue dimensioni indeformate dopo che una forza applicata viene rimossa, cioè, nessuna deformazione permanente evidente dovrebbe essere osservata quando un elastomero viene allungato sotto il suo limite elastico e poi rilassato.
2. Alcuni gradi possono essere adatti all’uso continuo a temperature ancora più elevate (> 600°F o > 315°C).