低温脆性: 極寒時の致命的なシール破損の防止

 

工業用シーリング用途における低温ゴムの性能に関する 3 部構成の技術シリーズへようこそ。-このシリーズは、特に鉄道ブレーキ システム、空気圧制御バルブ、金属接合バルブ コアを扱う購買エンジニア、シーリング設計エンジニア、技術専門家を対象に書かれています。{2}}

 

 

 

 

このシリーズの最初の 2 つの記事では、低温でのゴムの柔軟性と回復を表す 2 つの指標である Tg (ガラス転移温度) と TR10 (10% での温度収縮率)- を調べました。 3 番目の重要なパラメータである低温脆性は、衝撃や変形による壊滅的な亀裂という異なる破損モードに対応します。

 

脆性温度を理解することは、取り付け時、低温環境での取り扱い、鉄道や産業用途での予期せぬ極端な温度事象に耐える際のシールの損傷を防ぐために不可欠です。

 

 

低温脆性 (通常、ASTM D746 または ISO 812 に従って測定) は、制御された実験室条件下で衝撃を受けたときにゴムが破壊する温度を指します。標準テストでは:

• ゴム試験片は一連の低温で調整されます

• 指定された衝撃エネルギーが試験片に加えられます

• 試験片の 50% が脆性破壊を示す温度が脆性温度として記録されます。

 

この特性は、弾性や回復性ではなく、耐亀裂性を評価します。材料は良好な TR10 値 (ゆっくりと温めた場合の良好な回復を示します) を持っている場合がありますが、それでも非常に低い温度では衝撃亀裂が発生しやすいです。

 

 

脆性温度は連続シール性能にとって Tg や TR10 ほど重要ではないと考えられることもありますが、実際のいくつかのシナリオでは重要です。-

 

 

シールは寒い環境、特に冬のメンテナンス中や暖房のない施設に設置されることがよくあります。取り付け時にゴムがその脆化温度を下回っている場合、グランドを単純に引き伸ばしたり押し込んだりすると、微細な亀裂が発生し、使用中にそれが伝播して漏れが発生する可能性があります。-

多くのバルブコア用途では、エンジニアは TR10 を優先します。シールの信頼性は、単にガラス転移温度以上に留まるのではなく、圧縮後にゴムが回復する能力に依存するためです。材料が Tg を超えていても、動的条件下でシール力を維持するには回復が遅すぎる場合があります。

 

 

コンポーネントは、輸送中または倉庫保管中に極度の低温にさらされる場合があります。輸送中に脆くなるシールは、動作温度では適切に機能する場合でも、開梱または設置時に亀裂が生じる可能性があります。

 

 

バルブのコンポーネントは、突然の圧力サージや動的な動きにさらされます。非常に寒い条件では、圧力スパイクにより負荷のような衝撃が発生し、影響を受けやすい材料に脆性破壊を引き起こす可能性があります。-

 

 

鉄道ブレーキ システムは、通常の動作範囲を大幅に下回る温度に安全に耐える必要があります。シールが -40 度で適切に機能する場合でも、長期にわたる冬季停止中に -55 度の寒波にさらされても破損してはなりません。

 

 

これら 3 つの指標は低温での動作のさまざまな側面を表しており、常に完全に相関しているわけではありません。{0}

• Tg は分子レベルでの硬化の始まりを表します

• TR10 は、意味のある弾性回復が起こる温度を示します。

• 脆化温度は衝撃下で破壊が発生する場所を表します

 

ほとんどのゴムコンパウンドの温度は、Tg < TR10 < 脆化温度のパターンに従います。言い換えれば、材料は最初にガラス状になり、その後適切に回復できなくなり、最終的には温度が下がり続けると衝撃割れを起こしやすくなります。

 

ただし、これらの温度の差はポリマーの種類や配合によって大きく異なります。一部の化合物は、TR10 と脆性の間に広い「安全動作ウィンドウ」を持つ場合がありますが、他の化合物は機能性から脆性へ急速に移行する場合があります。

 

 

さまざまなゴム族が特徴的な脆性挙動を示します。

• 標準 NBR: 脆化温度は通常 -30 度～-45 度 (ACN 含有量に応じて)

• -低温最適化 NBR: 適切な配合により -60 度以下の脆化温度を達成可能

• HNBR: 通常、標準グレードでは -40 度から -50 度、特殊グレードはそれ以下です

• EPDM: 優れた耐低温脆化性（多くの場合 -60 度以下）-

• FKM: 一般に耐脆性性が低く、標準グレードでは -15 度から -30 度が多い

 

材料	典型的なTg	典型的な TR10	耐油性	料金
標準NBR	-25～-40度	-20～-35度	素晴らしい	低い
TGE に最適化された低温 NBR-	-60度	-50度	素晴らしい	中くらい
標準HNBR	-35～-45度	-30～-40度	素晴らしい	高い
標準EPDM	-55度	-50度	貧しい	中くらい
標準FKM	-10度	-5度	素晴らしい	非常に高い

 

 

 

Tg や TR10 と同様、低温脆性はポリマー ファミリ単独よりも化合物の配合に大きく依存します。-主要な配合要素は次のとおりです。

ポリマーの選択:

各ポリマー ファミリ内で、結晶化度が低く、低温での柔軟性に優れた特定のグレードが利用可能です。{0}} NBR の場合、ACN 含有量が低いと一般に低温特性は向上しますが、-耐油性は低下します。-このバランスを慎重に最適化する必要があります。

 

可塑剤システム

エステル可塑剤の適切な選択と配合は、NBR およびその他の極性ポリマーの低い脆化温度を達成するために重要です。可塑剤は相溶性を維持し、使用流体中に抽出されないようにする必要があります。

 

硬化システム

架橋密度と硬化タイプは低温での柔軟性に影響します。{0}適切に最適化された硬化システムにより、低温特性と圧縮永久歪および耐熱性のバランスがとれます。{2}}

 

フィラーの選択

カーボン ブラックの種類と配合量、および非黒色フィラーは、低温亀裂耐性に影響します。-高度に強化された化合物は、適切に配合されていない場合、耐脆性が低下する可能性があります。

 

 

Tg、TR10、脆性温度は「ビッグ 3」の低温指標ですが、エンジニアは次の補完的な特性も評価する必要があります。-

• 圧縮永久歪み: 低い圧縮永久歪みにより、低温での長期圧縮後のシール力の維持に役立ちます。-

• 弾性回復: 高い弾性により、繰り返しのシールサイクルと動的応答が向上します。

• 動的疲労耐性: 継続的な動きと圧力サイクルにさらされるバルブコアにとって重要です。

• オゾン耐性と耐候性: 冷たく乾燥した空気にさらされる屋外の鉄道設備に不可欠

• ゴム-と-の結合保持: 熱サイクル中に結合が剥がれると、最良のゴムコンパウンドでも機能しなくなります。

 

 

ゴムコンパウンドが Tg、TR10、脆性試験にわたって優れた低温特性を示したとしても、バルブ全体の信頼性はゴムと金属の結合の完全性にも依存します。--

 

ゴムと金属の間の熱収縮差により、温度変化中に接着界面に応力が発生します。接着が不十分だと、次のような問題が発生する可能性があります。

• 熱サイクルまたは圧力変化時の分離

• 金属インサートに沿った漏れ経路

• 耐用年数の短縮と予測できない故障モード

• メンテナンス費用と保証請求の増加

 

鉄道用途の場合は、熱サイクルおよび圧力疲労試験を通じて、配合物配合と接着技術の両方を一緒に検証する必要があります。

 

 

低温用途のシール サプライヤーを比較する場合は、次の包括的なチェックリストを使用してください。{0}

 

• 製造化合物の TR10 値 (一般的なデータシートの値だけではありません) は何ですか?
• DSCまたはDMAによるガラス転移温度とは何ですか?
• ASTM D746 に基づく低温脆性温度とは何ですか?
• すべてのテストにはどの ISO/ASTM 規格が使用されましたか?
• サプライヤーは低温エージング後の圧縮永久歪みデータを提供できますか?{0}}
• 液体の老化と熱への暴露後に、低温特性をテストしましたか?{0}}
• 金属と-と-のゴムの接合は、熱サイクルや圧力疲労試験を通じて検証されていますか?
• 同様の低温用途における現場での実績は何ですか?{0}}

 

 

低温シール性能は、単一の温度定格よりもはるかに複雑です。-総合的なアプローチには、次の 3 つの主要な指標をすべて理解する必要があります。

 

• ガラス転移温度（Tg）は分子レベルの硬化挙動を説明します-

• TR10は実用的な弾性回復とシール力の維持を評価します

• 低温脆性の測定は、極限条件下での耐亀裂性と生存に影響を与えます。

 

これらの指標を組み合わせることで、エンジニアは要求の厳しい鉄道環境におけるシール性能を予測することができます。ゴム-と-を金属で接着したバルブ コアの場合、長期耐久性と安全な操作のためには、最適化されたゴム配合と信頼性の高い接着技術を組み合わせることが不可欠です。-

 

材料の選択では、単一の特性に依存するのではなく、常に完全な動作環境を考慮する必要があります。高度な配合技術により、NBR のような標準的なポリマー ファミリであっても、より高価な特殊エラストマーに匹敵する、またはそれを超える優れた低温性能を実現するように設計できます。{1}

 

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