Par Said Ammar, P.Eng.

Chez Hi-Tech Seals, nous nous concentrons sur la performance d'étanchéité d'un élastomère à basse température et sur l'identification de la température la plus basse à laquelle un joint peut fonctionner efficacement.

Lors du refroidissement, les composés élastomères commencent à perdre leur élasticité, ce qui signifie qu'ils commencent à perdre leur capacité à maintenir un joint efficace. À ces températures plus basses, ils commencent à durcir et finissent par développer une fragilité vitreuse qui les rend plus sujets à l'éclatement. Cela est dû au fait qu'à mesure que la température diminue, l'énergie thermique du matériau est réduite ; les molécules de polymère s'immobilisent essentiellement. Il est important que les propriétés mécaniques d'un élastomère ne soient pas affectées à des températures plus basses. Si les propriétés mécaniques restent intactes, un élastomère retrouvera ses propriétés d'origine en revenant à des températures normales.

À basse température, la dégradation chimique d'un élastomère est de peu d'importance car les processus chimiques deviennent extrêmement lents. À ces températures, la diffusion des gaz et des liquides dans
l'élastomère ralentira également.

Propriétés des matériaux et tests

Il existe quatre mesures/tests importants à basse température dont nous devrions être conscients : la température de fusion (Tm), la température de transition vitreuse (Tg), le test de fragilité à basse température et le test de rétraction à basse température (TR-10).

Température de fusion

La première propriété que nous allons examiner n'est pas vraiment une propriété de basse température pour nos besoins ; cependant, il est important d'en avoir une compréhension de base. En termes simples, la température de fusion (Tm), ou point de fusion, d'un matériau est la température à laquelle les phases solide et liquide de ce matériau existent en équilibre. Lorsqu'elle est considérée comme la température du changement de l'état liquide à l'état solide, elle est appelée point de congélation ou point de cristallisation. Pour un thermoplastique cristallin, c'est la température à laquelle le matériau passe de l'état solide à l'état liquide et elle est mesurée selon les normes ASTM D 3418 et ISO 1218. En termes simples, si la température d'un polymère ou d'un plastique solide atteint la Tm du matériau, le matériau commencera à fondre.

Température de transition vitreuse

Une autre propriété couramment testée selon l'ASTM D 3418 est la température de transition vitreuse (Tg). Il s'agit davantage d'une propriété de basse température pour les élastomères que pour les plastiques. La Tg est la température au-dessus de laquelle un polymère amorphe est mou et caoutchouteux. En dessous de la Tg, un polymère amorphe est dur et cassant.

  • Dans un polymère amorphe, les molécules sont orientées aléatoirement et sont entrelacées, un peu comme des spaghettis cuits, et le polymère a un aspect vitreux et transparent. Ex : PS, PVC, PC, etc.
  • La plupart des polymères cristallins sont en réalité semi-cristallins. Ils ont une phase amorphe et une phase cristalline. La phase cristalline a une structure plus ordonnée où les molécules sont arrangées de manière très régulière. Ex : PEEK, PTFE, PA, POM, PPS, LDPE, HDPE, etc.
  • La Tg est différente de la Tm. Un matériau atteindra sa Tg avant d'atteindre sa Tm.
  • À des températures comprises entre Tg et Tm, le polymère a la capacité de se déplacer et/ou de se déformer, affectant ainsi les propriétés structurelles du matériau.
  • Pour les plastiques, ils doivent être utilisés en dessous de leur Tg afin d'assurer une performance mécanique adéquate.
  • Pour les élastomères en caoutchouc, il est préférable de les utiliser au-dessus de leur Tg afin de s'assurer qu'ils sont mous et flexibles. Ex : le silicone a généralement une Tg inférieure à la température ambiante et présente donc une bonne souplesse à température ambiante.
  • Les polymères entièrement amorphes ne présentent pas de Tm, mais tous les polymères présentent une Tg.

Test de fragilité à basse température

La propriété suivante qui nous intéresse est le test de fragilité à basse température (LTB) et est couramment observée sur les fiches techniques des élastomères. Cette propriété est testée selon la norme ASTM D 2137 (Point de fragilité des polymères flexibles et des tissus enduits). Un échantillon est refroidi à une certaine température et après 3 minutes, sa fragilité est vérifiée en tentant de le fracturer. Le test de fragilité à basse température représente la température la plus basse à laquelle un échantillon ne se fracturera pas ou ne se fissurera pas lorsqu'il est frappé une fois. Ce n'est pas nécessairement la température la plus basse à laquelle un matériau peut être utilisé, mais c'est une valeur utile à des fins de spécification. Dans le système de classification ASTM, elle est représentée par la lettre suffixe « F ». Les tests courants que vous verrez sur les fiches techniques sont les suivants :

  • F14 (-18 °C) – NBR 90A
  • F15 (-25 °C) – NBR 90A
  • F16 (-35 °C) – NBR 70A, NBR 90A, HNBR 90A
  • F17 (-40 °C) – NBR 70A, HNBR 70A, HNBR 80A, HNBR 90A, EPDM 70A, CR 70A
  • F18 (-50 °C) – HNBR 70A, HNBR 80A
  • F19 (-55 °C) – HNBR 80A, LTN, EPDM 70A, FVMQ 70A, VMQ 70A

Test de rétraction à basse température

La dernière propriété que nous allons examiner est le test de rétraction à basse température (TR-10). Cette propriété est testée selon la norme ASTM D 1329 (Rétraction à basse température). Ce test n'est pas aussi courant sur les fiches techniques que le test de fragilité à basse température ; cependant, c'est un test précieux. Il est généralement admis que le test TR-10 est l'indicateur le plus utile pour déterminer la capacité d'un composé à assurer l'étanchéité à basse température. Dans ce test, un échantillon est étiré d'environ 50 %, congelé puis progressivement réchauffé à une vitesse constante. La température à laquelle le matériau se rétracte de 10 % par rapport à la position allongée est considérée comme la valeur TR-10.

Le TR-10 est considéré comme un bon indicateur de la limite d'étanchéité dynamique à basse température, car c'est la température la plus basse à laquelle l'échantillon présente des propriétés et une résilience de type caoutchouc. La limite statique à basse température (que nous associons normalement au LTB) est généralement considérée comme étant approximativement 8 °C en dessous de la valeur TR-10.

Par exemple, la valeur TR-10 du polymère Viton A-401C est de -17 °C, ce qui serait un bon indicateur de sa limite d'étanchéité dynamique à basse température. Par conséquent, -25 °C serait un bon indicateur de la limite d'étanchéité statique à basse température du Viton A-401C. Pour résumer :

Limite statique basse température = LTB
Limite dynamique basse température = TR-10

Système de classification des températures Hi-Tech Seals

Les plages de températures que nous indiquons sur nos fiches techniques (TDS) sont des lignes directrices générales.
Les limites de température max/min dépendront des diverses conditions d’application. Les capacités de température
peuvent ne pas correspondre à la plage indiquée ou peuvent la dépasser. Voici un résumé général :

GÉNÉRAL : Basse Temp = LTB / Haute Temp = Température de test définie par ASTM
EXCEPTION : FEPM (Basse Temp = LTB / Haute Temp = 232 °C)
EXCEPTION : FFKM (Basse/Haute Temp = Valeur fournie par le fabricant)

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