Qu'est-ce que l'élastomère dans les joints mécaniques

Dans le domaine des joints mécaniques, les élastomères sont des matériaux polymères qui présentent des propriétés élastiques. Ces matériaux polyvalents sont utilisés dans divers composants d'étanchéité, tels que les joints toriques, les soufflets et les joints secondaires, pour assurer une étanchéité efficace et empêcher les fuites de fluide.

Les élastomères possèdent des caractéristiques uniques, notamment la flexibilité, la résilience et la résistance aux produits chimiques et aux températures extrêmes, ce qui les rend indispensables dans les applications industrielles exigeantes. Le choix de l'élastomère approprié pour un joint mécanique spécifique dépend de facteurs tels que le fluide à sceller, la température de fonctionnement, la pression et la compatibilité chimique.

Qu'est-ce que l'élastomère dans les joints mécaniques

Un élastomère est un composant crucial dans garnitures mécaniques, offrant étanchéité et flexibilité dans une large gamme d'applications. Les élastomères sont des matériaux polymères qui présentent des propriétés élastiques, leur permettant de se déformer sous contrainte et de revenir à leur forme d'origine lorsque la contrainte est supprimée. Dans les conceptions de joints mécaniques, les élastomères sont couramment utilisés comme joints secondaires, tels que les joints toriques, les joints statiques et les soufflets, pour éviter les fuites et s'adapter au mouvement de l'arbre.

Une application courante des élastomères dans garnitures mécaniques est le joint à soufflet en élastomère. Ce type de joint est constitué d'un soufflet en élastomère qui agit à la fois comme joint secondaire et comme élément ressort, offrant une flexibilité axiale et maintenant une force d'étanchéité constante. Les joints à soufflet en élastomère sont compacts, faciles à installer et peuvent fonctionner indépendamment du sens de rotation, ce qui les rend polyvalents pour différents types et tailles de pompes.

Caractéristiques des élastomères

• Élasticité et flexibilité : les élastomères ont la capacité de se déformer sous l'effet de contraintes et de reprendre leur forme initiale une fois la contrainte supprimée. Cette élasticité permet aux soufflets en élastomère et aux autres composants d'étanchéité de s'adapter aux mouvements de l'arbre, aux désalignements et aux vibrations sans compromettre la fonction d'étanchéité.
• Dureté au duromètre : La dureté au duromètre d'un élastomère fait référence à sa résistance à l'indentation et constitue une mesure de sa fermeté. Les élastomères plus souples offrent une meilleure étanchéité contre les surfaces irrégulières, tandis que les élastomères plus durs offrent une meilleure résistance à l'abrasion et conviennent aux applications à haute pression.
• Résistance à la déformation rémanente après compression : La résistance à la déformation rémanente après compression est la capacité d'un élastomère à conserver sa force d'étanchéité et à revenir à sa forme d'origine après avoir été soumis à une compression prolongée. Les élastomères à haute résistance à la déformation rémanente après compression minimisent le risque de défaillance du joint due à une déformation permanente, garantissant ainsi des performances d'étanchéité constantes sur de longues périodes.
• Résistance à la traction : La résistance à la traction fait référence à la contrainte maximale qu'un élastomère peut supporter avant de se rompre. Les élastomères utilisés dans les joints mécaniques doivent avoir une résistance à la traction suffisante pour résister aux forces générées par la pression du fluide scellé et la charge du ressort de l'ensemble d'étanchéité.
• Allongement à la rupture : L'allongement à la rupture est l'allongement maximal qu'un élastomère peut subir avant de se rompre. Les élastomères ayant un allongement à la rupture élevé peuvent supporter une déformation importante sans rupture, offrant une marge de sécurité en cas de contrainte ou de mouvement inattendu.
• Résistance chimique : les élastomères utilisés dans les joints mécaniques doivent résister à la dégradation lorsqu'ils sont exposés au fluide scellé et à l'environnement environnant.
• Résistance à la température : La plage de températures de fonctionnement est un autre facteur essentiel dans le choix de l'élastomère approprié pour un joint mécanique. Les élastomères doivent conserver leurs propriétés et leurs performances d'étanchéité sur toute la plage de températures prévue pour l'application.

Types d'élastomères utilisés dans les joints mécaniques

Nitrile (NBR)

Le nitrile, également connu sous le nom de Buna-N, est un élastomère très apprécié pour les joints mécaniques en raison de son excellente résistance aux huiles, aux carburants et aux autres fluides à base d'hydrocarbures. Il offre une bonne résistance à l'abrasion et peut supporter des températures allant de -30°C à 110°C. Le NBR est couramment utilisé dans les applications impliquant des produits pétroliers, tels que les fluides et lubrifiants automobiles.

Fluoroélastomère (FKM)

Les fluoroélastomères, souvent appelés Viton®, présentent une résistance chimique exceptionnelle et peuvent supporter des températures élevées jusqu'à 200 °C. Ils résistent à une large gamme de produits chimiques agressifs, notamment les acides, les bases et les solvants. Le FKM est un choix idéal pour les joints mécaniques dans les industries de transformation chimique, pharmaceutique et pétrolière et gazière.

Silicone (VMQ)

Les élastomères de silicone sont connus pour leur excellente stabilité thermique et leur flexibilité sur une large plage de températures, de -60°C à 230°C. Ils offrent une bonne résistance à l'ozone, aux rayons UV et aux intempéries. Cependant, le silicone a une résistance limitée aux huiles et aux solvants. Il est souvent utilisé dans les applications alimentaires et de boissons, médicales et pharmaceutiques.

Monomère d'éthylène-propylène-diène (EPDM)

L'EPDM est un élastomère polyvalent doté d'une excellente résistance à la chaleur, à l'ozone et aux intempéries. Il peut résister à des températures de -50 °C à 150 °C et est compatible avec une variété de fluides, notamment l'eau, la vapeur et les produits chimiques doux. L'EPDM est couramment utilisé dans les applications automobiles, CVC et industrielles.

Perfluoroélastomère (FFKM)

Les élastomères perfluorés, tels que Kalrez® et Chemraz®, sont les élastomères les plus résistants aux produits chimiques disponibles. Ils peuvent supporter des températures extrêmes allant jusqu'à 327 °C et sont compatibles avec pratiquement tous les produits chimiques, y compris les acides, bases et solvants très agressifs. Le FFKM est utilisé dans les applications critiques où la défaillance des joints peut avoir de graves conséquences, comme dans la fabrication de semi-conducteurs et le traitement chimique.

Polyuréthane résistant à l'hydrolyse (HPU)

Les élastomères HPU sont spécialement conçus pour résister à l'hydrolyse, c'est-à-dire à la dégradation de l'élastomère due à l'exposition à l'eau et aux températures élevées. Ils offrent une excellente résistance à l'abrasion et peuvent supporter des températures allant jusqu'à 120 °C. Le HPU est couramment utilisé dans les joints mécaniques des pompes qui traitent l'eau, les eaux usées et d'autres solutions aqueuses.

Avantages des élastomères

Excellentes performances d'étanchéité

Les élastomères utilisés dans les joints mécaniques offrent d'excellentes performances d'étanchéité dans une large gamme d'applications. Leur élasticité et leur flexibilité leur permettent de s'adapter étroitement aux surfaces qu'ils étanchéifient, créant ainsi une barrière étanche qui empêche les fuites. Ceci est particulièrement important dans les applications dynamiques telles que pompes centrifuges, où le joint doit s'adapter au mouvement de l'arbre tout en maintenant une étanchéité fiable.

Compatibilité chimique

Un autre avantage clé des élastomères dans les applications d'étanchéité est leur résistance chimique. Différents composés élastomères sont formulés pour résister à l'exposition à divers produits chimiques, solvants, huiles et autres fluides. Par exemple, les fluoroélastomères (FKM) présentent une excellente résistance à de nombreux produits chimiques agressifs, carburants et huiles, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans des environnements industriels exigeants. De même, les élastomères EPDM ont une bonne résistance à l'eau, à la vapeur et à de nombreux solvants polaires.

Résistance à la température

Les élastomères utilisés dans les joints mécaniques sont également capables de fonctionner sur une large plage de températures. Les différents composés élastomères ont des capacités de température variables, certains étant capables de supporter des températures extrêmement élevées ou basses. Les fluoroélastomères, par exemple, peuvent supporter des températures allant jusqu'à 200 °C ou plus, tandis que les élastomères de silicone conservent leurs propriétés à des températures aussi basses que -60 °C.

Résistance à l'abrasion et à l'usure

Dans les applications impliquant des milieux abrasifs ou des particules, les élastomères offrent une bonne résistance à l'abrasion et à l'usure par rapport aux autres matériaux d'étanchéité. La nature résiliente des élastomères leur permet d'absorber l'impact des particules abrasives sans dommages permanents. Certains composés élastomères, tels que le polyuréthane résistant à l'hydrolyse (HPU), sont spécifiquement formulés pour une résistance accrue à l'abrasion.

Absorption des vibrations et des chocs

Les propriétés d'amortissement inhérentes aux élastomères en font d'excellents absorbeurs de vibrations et de chocs dans les systèmes mécaniques. Dans les applications soumises à de fortes vibrations ou à des forces d'impact soudaines, les composants élastomères des joints mécaniques contribuent à protéger les surfaces d'étanchéité et d'autres composants critiques contre les dommages. L'élastomère agit comme un tampon, dissipant l'énergie et réduisant la transmission des vibrations aux faces des joints.

Rentabilité

Les élastomères sont généralement plus rentables que d'autres matériaux d'étanchéité spécialisés. Les matières premières et les procédés de fabrication des élastomères sont généralement moins coûteux que ceux des alliages exotiques ou des céramiques avancées. De plus, la polyvalence des élastomères leur permet d'être utilisés dans une large gamme de conceptions et d'applications de joints mécaniques, réduisant ainsi le besoin de solutions personnalisées coûteuses.

Facteurs affectant les performances des élastomères

Température de fonctionnement

Les élastomères ont des limites de température spécifiques au-delà desquelles leurs propriétés mécaniques se dégradent. Par exemple, le nitrile (NBR) convient à des températures comprises entre -30°C et 110°C, tandis que les fluoroélastomères (FKM) peuvent supporter des températures comprises entre -20°C et 200°C. Le dépassement de la plage de température recommandée peut entraîner le durcissement, le ramollissement ou la dégradation de l'élastomère, compromettant ainsi les performances et la durée de vie du joint.

Compatibilité chimique

L'élastomère doit résister à l'environnement chimique sans gonflement, rétrécissement ou dégradation excessifs. Différents élastomères offrent une résistance à divers produits chimiques :

• Nitrile (NBR) : Résistant aux huiles minérales, aux graisses et à certains carburants
• Fluoroélastomère (FKM) : Excellente résistance aux produits chimiques agressifs, aux huiles et aux solvants
• EPDM : Bonne résistance aux cétones, aux alcools et aux liquides de frein, mais faible résistance aux huiles
• FFKM : Résistance chimique supérieure, supportant une large gamme de produits chimiques agressifs

L’incompatibilité entre l’élastomère et le milieu peut entraîner une défaillance du joint et des fuites.

Pression

Les pressions élevées peuvent provoquer une déformation rémanente excessive, réduisant la capacité de l'élastomère à maintenir une étanchéité adéquate. La limite de pression dépend du type d'élastomère et de la conception du joint. Par exemple, un joint à soufflet en caoutchouc de conception compacte peut supporter des pressions plus élevées qu'un joint torique standard.

Abrasion et usure

Dans les applications impliquant des particules ou des fluides abrasifs, l'élastomère doit présenter une bonne résistance à l'abrasion pour éviter une usure prématurée. Les élastomères plus durs, tels que le FKM ou le FFKM, offrent généralement une meilleure résistance à l'abrasion que les matériaux plus souples comme le silicone ou l'EPDM. Cependant, les élastomères plus durs peuvent compromettre les performances d'étanchéité dans les applications dynamiques nécessitant de la flexibilité.

Vitesse et faux-rond de l'arbre

L'élastomère doit s'adapter au mouvement et au faux-rond de l'arbre dans les applications d'étanchéité dynamique. Les vitesses d'arbre élevées peuvent générer de la chaleur et provoquer une usure plus rapide de l'élastomère. Un faux-rond ou un mauvais alignement excessif de l'arbre peut entraîner une usure inégale et des fuites. Les élastomères ayant une bonne résistance à la déformation rémanente et une bonne élasticité, tels que le FKM ou le FFKM, sont mieux adaptés aux applications à grande vitesse. Une conception appropriée du joint, comme l'incorporation d'un ressort hélicoïdal ou de convolutions, peut aider à compenser le mouvement de l'arbre et à maintenir l'efficacité de l'étanchéité.