Comprendre les limites des matériaux d'étanchéité non-élastomères

La véritable frontière dans l’ingénierie de l’étanchéité est en fait celle des mécanismes d’étanchéité. La force d'étanchéité initiale des joints élastomères dépend principalement de la récupération élastique après compression, et la pression moyenne augmentera encore la contrainte de contact. Si la déformation rémanente à la compression devient trop importante et que le matériau perd sa mémoire élastique, le joint échouera. En revanche, les polymères techniques tels que le PTFE, l'UHMWPE et le PEEK ont une reprise élastique fondamentalement faible et le PTFE en particulier présente un écoulement à froid ou un fluage considérable. Ainsi, ces matériaux ne fonctionnent pas en « se refermant comme du caoutchouc », mais en fonction de la conception géométrique, de la précharge, de l'activation par pression, des ressorts ou de l'activation du joint torique pour les performances d'étanchéité. Cela définit la limite centrale des matériaux d'étanchéité non-élastomères : la question clé n'est pas de savoir quelle est la résistance du matériau, mais quel rôle il joue dans le système -, s'il fournit une compensation élastique ou s'il fournit des fonctions telles qu'un faible frottement, une résistance à l'usure, une résistance chimique, une résistance à l'extrusion ou une portance-. Le premier se trouve dans les élastomères et le second est la raison pour laquelle les plastiques techniques se retrouvent dans les applications d'étanchéité.

1. PTFE Le PTFE ne doit pas être considéré comme un simple « plastique haut de gamme », mais comme une substance qui repousse simultanément trois limites importantes : la résistance chimique, la résistance à la température et le faible frottement. Les études AGC montrent qu'il a une plage de températures de service normale d'environ -180 degrés à +260 degrés et qu'il est chimiquement inerte pour pratiquement tous les supports. Le coefficient de frottement par glissement à sec du PTFE sur l'acier est d'environ 0,10 selon les données de Parker, ce qui est bien inférieur à celui de l'UHMWPE (~0,25) et du PEEK vierge (~0,35). Cela signifie que le PTFE repousse efficacement la limite de performance maximale des joints à base d'élastomère-dans des situations dynamiques à haute température, extrêmement corrosives et à faible frottement.

Mais ses défauts sont tout aussi importants. Parker affirme que le PTFE vierge présente un fluage important à température ambiante avec une charge constante et n'a pratiquement aucune récupération élastique. Les frottements sont très faibles mais la résistance à l’usure est plutôt mauvaise. Il n'est donc pas correct de considérer le PTFE comme un caoutchouc haute température ou comme un équivalent dur des joints toriques en élastomère-. Une erreur d’ingénierie typique consiste à confondre la réduction du frottement avec la capacité de fournir un joint élastique stable. Le PTFE est donc rarement utilisé seul dans des applications réelles. Une solution consiste à modifier la charge en utilisant des matériaux tels que la fibre de verre, la fibre de carbone, le graphite ou le bronze pour améliorer la résistance au fluage, la résistance à l'usure, la résistance à la compression et la capacité anti-extrusion. Une méthode différente consiste à utiliser des structures d'étanchéité sous tension telles que des joints à ressort-sous tension ou des conceptions à élastomère-énergisées, où les ressorts ou les -joints toriques compensent le contact à faible-pression et la déformation à long-terme.

D'un point de vue technique, le PTFE doit être considéré comme un matériau qui dépasse les limites de compatibilité avec les fluides, de température et de friction, et non comme un matériau offrant une compensation géométrique ou élastique. Il est particulièrement adapté aux situations de températures élevées, d’exposition à des produits chimiques agressifs ou de mouvements dynamiques avec peu de friction. Cependant, ce n’est pas la meilleure option si l’exigence majeure est une grande conformité aux déformations ou une récupération élastique à long terme.

2. UHMW-PE
L'UHMWPE représente une limite matérielle entièrement distincte par rapport au PTFE. Par exemple, Ensinger PE1000 présente une très haute résistance aux chocs, une bonne résistance à l'usure et à l'abrasion, un puissant comportement à l'usure par glissement et des performances supérieures à basse température. Les paramètres typiques sont un module de traction d'environ 700 MPa, une limite d'élasticité d'environ 19 MPa et une température de service d'environ -260 degrés à +80 degrés.

Il ne s'agit pas d'un plastique résistant aux hautes températures dans sa nature matérielle mais d'un polymère technique résistant à l'usure et aux chocs. Parker déclare que « l'UHMWPE est l'un des matériaux les plus résistants et les plus résistants à l'usure, mais il a une résistance thermique et chimique plus limitée que le PTFE et est plus adapté aux applications alternatives ou à glissement très lent avec un coefficient de friction plus élevé que le PTFE. La principale offre UHMWPE de Trelleborg est un matériau pour les bagues de guidage et les bagues d'usure dans les vérins hydrauliques, où il absorbe les charges latérales, guide les pistons ou les tiges et élimine le contact métal-métal.

En d'autres termes, l'UHMWPE est conçu pour être résistant à l'usure, doté d'un guidage, d'une ténacité à basse température et d'un mouvement de glissement lent, et non pour rivaliser avec le PTFE dans des environnements à haute température ou chimiquement difficiles. L'UHMWPE est souvent considéré comme un substitut bon marché au PTFE, mais ses rôles sont en réalité fondamentalement différents. Le PTFE est conçu pour une résistance chimique extrême, des températures élevées et un frottement ultra-faible, tandis que l'UHMWPE est conçu pour la résistance à l'usure, la résistance aux chocs et la ténacité à basse température.

3. PEEK Le PEEK est un matériau plus structurel dans les systèmes d'étanchéité. Les données Victrex indiquent que le PEEK a une capacité à haute température, une résistance chimique étendue, une résistance mécanique élevée, une stabilité dimensionnelle, une résistance à l'hydrolyse et une résistance à l'usure exceptionnelles. La nuance 450G typique, par exemple, a un module de traction d'environ 4,0 GPa, une résistance à la traction d'environ 98 MPa et des températures de service continu allant jusqu'à 260 degrés.

Le PEEK n'est certainement pas un matériau d'étanchéité à contact souple-, mais un polymère structurel à haut module. Il est principalement utilisé dans les applications d'étanchéité en tant que-anneaux d'appui, dispositifs anti-extrusion, éléments de guidage et composants structurels porteurs. Pour les applications de guidage et d'usure, Trelleborg classe le PEEK comme plastique technique à haut module. Les bagues d'appui en PEEK-sont spécialement développées pour éviter l'extrusion des joints toriques-ou des joints X-sous haute pression.

L'avantage du PEEK est qu'il repousse les limites de la résistance à la pression, du contrôle des écarts, de la capacité de charge et de la stabilité dimensionnelle. Mais le PEEK n’est pas un matériau d’étanchéité universellement applicable. Il n’est pas idéal pour les applications de conformité aux déformations importantes ou d’absorption des tolérances et possède un coefficient de frottement plus élevé que le PTFE. Il est donc recommandé de considérer le PEEK comme un matériau structurel et anti-extrusion mais pas comme un élément d'étanchéité clé.

4. TPU (unité centrale)
Le polyuréthane est souvent appelé TPU dans les applications d’étanchéité et constitue un matériau standard dans l’étanchéité dynamique hydraulique. Parker TPU est depuis longtemps la référence en matière de systèmes hydrauliques, offrant une résistance à l'usure, une stabilité thermique, une résistance à l'hydrolyse, des performances de compression et de récupération élastique exceptionnelles. Covestro note également sa grande résistance à l'abrasion, sa large plage de flexibilité, sa haute élasticité et sa bonne résistance aux huiles et à certains solvants.

Cela place le TPU dans une position intermédiaire entre les élastomères et les plastiques techniques. Il possède une excellente élasticité et améliore considérablement la durée de vie et la durabilité mécanique, en particulier pour les applications hydrauliques dynamiques à haute-pression. Mais sa véritable force réside spécifiquement dans l’étanchéité hydraulique dynamique, et non dans la résistance chimique universelle ou les conditions d’étanchéité statique.

L’une des idées fausses les plus répandues est de considérer le TPU comme un seul matériau homogène, car sa résistance chimique dépend fortement de la formulation, de la dureté, de la température, de la concentration et de la période d’exposition. Les acides et alcalis forts attaqueront le TPU, les hydrocarbures aromatiques le feront gonfler, les cétones et les esters provoqueront un gonflement considérable, et le DMF, le DMSO, le NMP et le THF sont des solvants pour le TPU. La formulation a également un rôle dans la résistance à la température. Les systèmes basés sur MDI sont normalement à 100 degrés tandis que les systèmes basés sur PPDI sont à environ 135 degrés. Par conséquent, PU n'est pas déterminé par une limite constante, mais par des limites de formulation dépendantes du système -.

5. Limite technique entre les élastomères et les plastiques techniques
La barrière sous-jacente entre les plastiques techniques et les élastomères peut être comprise de plusieurs manières. Les élastomères sont principalement responsables de la force d'étanchéité via la récupération élastique, tandis que les plastiques techniques tels que le PTFE, l'UHMWPE et le PEEK ne reposent pas sur la déformation élastique, mais repoussent les limites de performances avec un faible frottement, une résistance à l'usure, une résistance chimique, une résistance à l'extrusion et une stabilité dimensionnelle.

Leurs rôles fonctionnels sont bien différenciés. Le PTFE traite principalement des limites chimiques, de température et de frottement. L'UHMWPE se préoccupe de la résistance à l'usure, du guidage, des performances à basse température et du glissement lent. Le PEEK est utilisé pour la portance, l'anti-extrusion et la stabilité structurelle à haute pression. Le PU est optimisé pour la durée de vie dans des conditions hydrauliques dynamiques. Dans la pratique, les meilleures solutions d'étanchéité ne sont souvent pas des systèmes de remplacement mais des systèmes hybrides. Par exemple, un joint torique fournit une précharge et une force de contact initiale, un manchon en PTFE offre une friction réduite et une résistance chimique améliorée, et une bague d'appui en PEEK ou en PTFE rempli-inhibe l'extrusion sous pression.

L’erreur technique la plus courante consiste à comparer les matériaux pour différentes méthodes d’étanchéité. Le PTFE n'est pas un caoutchouc haut de gamme, le PEEK n'est pas un plastique universel, l'UHMWPE n'est pas un PTFE bon marché, le PU n'est pas seulement un NBR plus dur. Une fois le mode de défaillance dominant reconnu, la frontière matérielle apparaît évidente.