1. el derecho de voto. Conclusión

Alta temperatura → oxidación / post-reticulación / ruptura de cadenas / volatilización de aditivos / efecto de difusión del medio → endurecimiento, cambio de módulo, disminución de la elongación, relajación de tensión, deformación permanente por compresión, grietas tipo tortuga → disminución progresiva de la fuerza de sellado → fugas o fallo.

2. Principales mecanismos de fallo por envejecimiento a alta temperatura

2.1 Envejecimiento térmico oxidativo: coexistencia de oxidación, reticulación y ruptura de cadenas

El caucho sometido a altas temperaturas y a la acción del oxígeno experimenta envejecimiento térmico-oxidativo. Distintos sistemas de compuestos presentan distintas reacciones principales: algunos sistemas, dominados por una mayor reticulación, muestran un aumento de la dureza y el módulo; otros, dominados por la ruptura de cadenas, presentan ablandamiento, disminución de la elongación y pérdida de elasticidad de rebote; en muchos casos, ocurren simultáneamente varias reacciones, aunque solo una predomina inicialmente. El propósito básico de las pruebas de envejecimiento al aire a alta temperatura es evaluar los cambios en las propiedades físicas del caucho tras su exposición a altas temperaturas y oxígeno; la norma ASTM D573 establece claramente que este método se aplica para evaluar la resistencia relativa al calor de los compuestos de caucho, aunque los resultados de laboratorio no siempre reflejan fielmente el comportamiento en condiciones reales de servicio, debido a las grandes diferencias entre dichas condiciones y las del ensayo.

Para el sellado, un mayor grado de reticulación no es necesariamente algo beneficioso. Puede hacer que el material sea más duro y más resistente a la deformación a corto plazo, pero a largo plazo reducirá su flexibilidad, lo que provocará que el Junta tórica no pueda seguir compensando el juego del surco, la rugosidad de la brida, la diferencia de expansión térmica y las fluctuaciones de presión. La ruptura de cadenas debilita directamente la red elástica, disminuyendo su capacidad de rebote y resistencia a las grietas; ambos factores, en última instancia, reducen la fiabilidad del sellado.

2.2 Endurecimiento y agrietamiento tipo tortuga: De «capaz de sellar» a «incapaz de mantenerse al día»

Un resultado habitual del envejecimiento a alta temperatura es el aumento de dureza, la variación superficial y la disminución de la elongación. Los materiales endurecidos Anillos O incluso si su forma exterior permanece dentro del surco, también pueden perder su capacidad de ajuste microscópico. El sellado no depende únicamente de «tener una cantidad de compresión», sino que también requiere que los materiales ejerzan continuamente una tensión de contacto adecuada y sigan los desplazamientos microscópicos.

Consecuencias típicas incluyen:

La idea de ensayo de envejecimiento térmico/resistencia térmica de la norma ISO 188:2023 también consiste en exponer las muestras de ensayo a condiciones de aire a alta temperatura especificadas, y considera que la comparación del rendimiento tras el envejecimiento real estará afectada por las condiciones reales de servicio; esto demuestra que los problemas de envejecimiento no dependen únicamente de la temperatura, sino que los resultados también se verán influidos por el suministro de oxígeno y las condiciones del montaje del ensayo.

2.3 Deformación permanente por compresión: la deformación geométrica bajo envejecimiento térmico

La deformación permanente por compresión refleja esencialmente el grado en que el caucho no puede recuperar su grosor original tras una compresión prolongada. La norma ASTM D395 se utiliza para evaluar la capacidad de una mezcla de caucho de mantener sus propiedades elásticas tras una tensión de compresión prolongada, y especifica que la prueba se aplica principalmente para evaluar la compresión estática, y también se realiza comúnmente a alta temperatura. La norma ISO 815-1:2019 indica asimismo que las pruebas de deformación permanente por compresión suelen provocar cambios físicos o químicos, siendo estos últimos más relevantes y capaces de causar deformación permanente. Esta norma es más actualizada y evalúa el envejecimiento bajo condiciones de deformación permanente por compresión elevada, por ejemplo, durante 1000 h, lo cual es habitual al considerar el límite de rendimiento de materiales de caucho envejecidos.

Pero aquí hay un punto clave: la deformación permanente por compresión no equivale a la fuerza de sellado en sí. Incluso si el valor de deformación permanente por compresión de una junta tórica es muy alto, en ciertas condiciones estáticas de funcionamiento puede seguir sin filtrar brevemente; inversamente, el valor numérico de la deformación permanente por compresión puede no ser extremo, pero si el material ya se ha endurecido, vuelto frágil o la junta se ha relajado severamente, también puede fallar. Por tanto, la verificación de vida útil no debe basarse únicamente en el CS.

2.4 Relajación de la tensión por compresión: más cercana a la fuerza de sellado a largo plazo

Las juntas tóricas en la ranura están sometidas a compresión a largo plazo; realmente, el margen de fuerza de sellado lo determina la disminución del esfuerzo de contacto con el paso del tiempo. La prueba de relajación del esfuerzo de compresión (CSR) tiene como objetivo evaluar la disminución de la fuerza de reacción en función del tiempo, bajo una deformación por compresión fija y a una temperatura especificada. La norma ISO 3384-1:2024 se aplica específicamente a ensayos de relajación del esfuerzo de compresión en caucho vulcanizado y caucho termoplástico, bajo deformación por compresión fija y a temperaturas especificadas; esta norma también indica que puede utilizarse en modo continuo o no continuo, y que la muestra en forma de anillo es especialmente adecuada para ensayos de relajación del esfuerzo en entornos líquidos.

Industria: si el objetivo es el 'estado de envejecimiento del material', se recomienda utilizar la retención de la fuerza de sellado (CSR) como indicador principal, no exclusivamente la deformación permanente por compresión. Las investigaciones de asociaciones europeas de sellado también señalan que predecir la vida útil del elastómero únicamente mediante propiedades de tracción puede no ser fiable; por lo tanto, considerar el impacto del envejecimiento térmico sobre la relajación de la tensión de compresión (CSR) y sobre la deformación permanente por compresión (CS) proporciona datos más cercanos a la predicción real de vida útil.

3. ¿Cómo reduce específicamente la alta temperatura la vida útil de las juntas tóricas

3.1 Reducción de la fuerza de sellado a largo plazo

Las juntas tóricas, al instalarse inicialmente, dependen de la tasa de compresión para generar tensión de contacto. A altas temperaturas, se acelera el movimiento de las cadenas moleculares del material y se intensifica la relajación viscoelástica; simultáneamente, la oxidación, la reticulación o la ruptura de cadenas alteran la estructura de la red. Resultado:

Fuerza inicial de compresión F₀ → disminuye con el tiempo hasta F(t) → tensión de contacto inferior a la presión del medio, a la demanda de compensación de rugosidad o a la demanda de fluctuación de presión → fugas.

Por esta razón, la verificación de la vida útil bajo envejecimiento térmico debe centrarse en la «fuerza de sellado a largo plazo», y no únicamente en la dureza envejecida o en la recuperación del espesor.

3.2 Transición del material de «elastómero» a «cuerpo rígido»

Las juntas tóricas requieren una dureza determinada para resistir la extrusión y las altas presiones, pero también necesitan suficiente elasticidad y porcentaje de alargamiento para compensar las holguras. Con el envejecimiento a alta temperatura, la dureza y el módulo pueden aumentar, la superficie puede sufrir variaciones y el alargamiento disminuye. Como resultado, la superficie de sellado ya no logra adaptarse continuamente a la superficie de sellado; los defectos de instalación, las líneas de separación, las rebabas y los arañazos se amplifican convirtiéndose en orígenes de grietas.

Este tipo de fallo normalmente no es repentino, sino que evoluciona mediante las siguientes etapas:

El rendimiento cambia progresivamente → el margen de fuerza de sellado se reduce → los ciclos térmicos o las fluctuaciones de presión provocan fugas microscópicas → las grietas se extienden → se produce una fuga evidente.

3.3 Reacción acelerada del medio

Condiciones reales de trabajo: normalmente las juntas tóricas no están expuestas al aire de forma aislada, sino que entran en contacto con aceite, agua, vapor, combustible, refrigerante, ácidos y álcalis, fluidos limpiadores u otros medios. El aumento de temperatura acelera simultáneamente dos procesos.

Uno es que el medio se difunde más rápidamente en la goma; el otro es que el medio reacciona más rápidamente con el polímero, los enlaces de reticulación o las cargas. Como resultado, pueden producirse disolución, ablandamiento, endurecimiento, contracción, extracción de aditivos, pérdida de resistencia o formación de grietas. Para la verificación de la vida útil, el envejecimiento térmico en aire solo responde a la «capacidad del material para resistir el calor»; si interviene un medio real, la verificación debe realizarse con dicho medio.

3.4 Oxidación limitada por difusión y problema de DLO

Las juntas tóricas de sección transversal gruesa envejecen en aire a alta temperatura; el oxígeno penetra en el interior del caucho desde la superficie exterior. Si la velocidad de difusión del oxígeno es más lenta que la velocidad de consumo interno de oxígeno, entonces ocurre una oxidación limitada por difusión (DLO): el envejecimiento exterior es más severo, mientras que el interior es relativamente menos afectado. Cuando la junta está comprimida junto con una brida metálica, el oxígeno también puede penetrar en el área de contacto, que es más reducida, lo que hace aún más probable la presencia del efecto DLO. Investigaciones relacionadas sobre juntas tóricas de HNBR y EPDM indican un envejecimiento no uniforme en juntas tóricas de 10 mm de sección transversal; este envejecimiento desigual afecta datos globales de rendimiento, como la deformación permanente por compresión, la relajación de la tensión de compresión y otras propiedades materiales.

Esto es muy importante para la predicción de vida útil: cuanto mayor sea la temperatura del ensayo acelerado a alta temperatura, más probable será que se genere un gradiente de oxígeno menos severo bajo condiciones reales de servicio a baja temperatura, lo que conduce a errores de extrapolación inexactos.

4. Predicción de vida útil mediante Arrhenius: válida, pero no se puede extrapolar mecánicamente

4.1 Modelo básico

El envejecimiento térmico suele utilizar el modelo de Arrhenius para describir la velocidad de reacción; para un criterio de fallo fijo, por ejemplo, «la fuerza de sellado cae al 50 %» o «la deformación permanente por compresión alcanza un valor límite determinado», se puede expresar como:

tf = C·exp(Ea/RT)

Donde:

El método consiste en obtener el tiempo necesario para alcanzar el mismo criterio de fallo a varios puntos de alta temperatura, luego representar gráficamente dicha relación y utilizar su pendiente para extrapolar hasta la temperatura de uso y estimar la vida útil estándar; este procedimiento incluye los métodos de Arrhenius y WLF. Asimismo, se subraya que la velocidad de degradación de distintas propiedades durante el envejecimiento térmico varía, por lo que las comparaciones entre distintos cauchos deben basarse siempre en el mismo indicador de rendimiento.

Descripción de ejemplo: si se supone que el modo de fallo de un determinado material alcanza los mismos criterios de fallo en el mismo tiempo, entonces el factor de aceleración de 150 °C respecto a 100 °C es aproximadamente 21 veces. Esto significa: el envejecimiento a 150 °C durante 1000 h corresponde aproximadamente al modo de fallo tras 21 000 h de envejecimiento a 100 °C. Sin embargo, este es solo un ejemplo matemático; la premisa es que el mecanismo de fallo no ha cambiado.

4.2 Los criterios de fallo deben vincularse con la función de sellado

El error más frecuente al aplicar la extrapolación de Arrhenius no radica en la fórmula en sí, sino en la selección de los criterios de fallo. Entre los criterios habituales se incluyen:

En ingeniería, la tasa de fuga o la fuerza de sellado a largo plazo deben seleccionarse preferentemente como criterios principales; la CS, la dureza y la tasa de retención de elongación sirven como criterios auxiliares. Algunas investigaciones relacionadas de la ESA también mencionan que el método de Arrhenius requiere primero fijar la selección funcional operativa, por ejemplo, un límite de cambio en una característica de rendimiento; la práctica habitual utiliza un cambio del 50 % como criterio de juicio, aunque también puede basarse en requisitos específicos de la aplicación; esta investigación señala además que algunos autores establecen el punto final de CS de juntas tóricas aproximadamente en la región del 80 %–90 %, pero este tipo de criterio debe especificarse claramente junto con la aplicación concreta.

4.3 La CS y la CSR no pueden mezclarse bajo una misma energía de activación

Mismo material, mismo intervalo de temperatura, pero indicadores de rendimiento diferentes pueden dar energías de activación distintas. La investigación de ESA sobre un FKM de 75 Shore A, con criterios de punto final al 50 %, arrojó una energía de activación aparente de aproximadamente 117 kJ/mol según CS, mientras que CSR obtuvo una energía de activación aparente de aproximadamente 38 kJ/mol; los investigadores consideran que la diferencia está relacionada con las condiciones de envejecimiento, las dimensiones de la muestra y el hecho de que el dispositivo CSR se aproxima más al sello real, limitando el contacto con oxígeno.

Esto demuestra que extrapolar la «vida de sellado» a partir de datos de deformación permanente por compresión implica un riesgo muy alto. Por otro lado, tampoco es riguroso sustituir los resultados de endurecimiento o agrietamiento con la vida obtenida mediante CSR; cada modelo de vida debe especificar claramente el modo de fallo y los criterios correspondientes.

4.4 Límite de extrapolación: los datos obtenidos a alta temperatura pueden no representar el servicio a largo plazo a baja temperatura

La hipótesis clave de la extrapolación del envejecimiento acelerado es: elevar la temperatura únicamente acelera la misma reacción y no modifica el mecanismo de fallo. Sin embargo, en el envejecimiento real del caucho, las altas temperaturas pueden introducir nuevas reacciones, gradientes de oxidación, volatilización de aditivos o reacciones con el medio. acoplamiento las revisiones de Gillen, Bernstein y Celina sobre la predicción de la vida útil de elastómeros subrayan repetidamente que la estimación de la vida útil suele basarse en la extrapolación desde envejecimiento acelerado a alta temperatura hacia temperaturas de servicio más bajas, pero requiere verificar la superposición tiempo-temperatura mediante ensayos y confirmar que el mecanismo de degradación no ha cambiado; además, el DLO (Oxidación por Difusión Limitada) puede interferir con los resultados del envejecimiento acelerado, y numerosas investigaciones también indican que la extrapolación de Arrhenius puede tender hacia una energía de activación menor en la región de bajas temperaturas. La ecuación de Arrhenius es una herramienta de predicción de vida útil, no una demostración de la misma.

5. Marco recomendado para la «Verificación de la vida útil bajo envejecimiento a alta temperatura»

5.1 Definición del objetivo de verificación

Se recomienda definir el objetivo como:

Evaluar, bajo temperaturas, medios, presiones, cantidades de compresión, dimensiones de ranura y condiciones de ciclado térmico especificadas, la capacidad a largo plazo del anillo tórico para mantener la fuerza de sellado y una baja tasa de fuga, y establecer un modelo predictivo de vida útil por envejecimiento térmico.

No redactar el objetivo como «ensayo de deformación permanente por compresión». La deformación permanente por compresión es solo uno de sus indicadores.

5.2 Diseño de las muestras

Se recomienda incluir al menos tres tipos de muestras:

Si solo se ensaya la muestra estándar, es fácil pasar por alto la influencia de la dimensión de la sección transversal de la junta tórica, la restricción del surco, la limitación de oxígeno, la presión sobre la superficie de sellado y la trayectoria de difusión del medio.

5.3 Condiciones de envejecimiento

Configuraciones recomendadas:

El método de deformación permanente por compresión de la norma ISO 815-1:2019 suele usar una deformación fija del 25 %, pero los cauchos de alta dureza presentan una respuesta de compresión menor; en la ingeniería real sigue siendo preferible usar el porcentaje real de compresión del surco.

5.4 Indicadores clave de ensayo

Indicadores recomendados divididos en cuatro niveles:

Entre estos, CSR + tasa de fuga deben servir como eje principal de vida útil; CS + dureza + porcentaje de alargamiento en rotura como datos explicativos auxiliares.

5.5 Flujo de procesamiento de datos

El proceso recomendado es el siguiente:

• Para cada punto de temperatura, trazar la curva de cambio de rendimiento en función del tiempo, por ejemplo, la tasa de retención de CSR, la CS, la dureza y la tasa de alargamiento.
• Definir, para cada indicador, los criterios de fallo, por ejemplo, que la CSR retenida sea inferior a un valor límite determinado, que la tasa de fugas supere un valor límite determinado o que la CS alcance un umbral determinado.
• Determinar, para cada punto de temperatura, el tiempo tf en que se alcanzan los criterios de fallo.
• Trazar el diagrama de Arrhenius.
• Verificar la linealidad, los residuos y el intervalo de confianza.
• Utilizar la temperatura acelerada más baja o la temperatura de uso, aproximándose al punto de verificación a largo plazo mediante extrapolación.
• Realizar una verificación cruzada del grado microscópico real de la sección transversal del anillo O y del grado de oxidación, excluyendo los datos de DLO severos.
• Finalmente, generar la zona de vida útil, la estructura de envejecimiento, la retención de dureza y la capacidad de retención de la fuerza de sellado.

El envejecimiento a alta temperatura no consiste simplemente en hacer que la junta tórica se «comprima hasta quedar plana», sino que, mediante la modificación de la estructura de la red de caucho, del estado de oxidación, de la dureza, de la elasticidad de recuperación y de la capacidad de mantener la fuerza de sellado, agota progresivamente el margen de sellado; la verificación de la vida útil debe centrarse en la fuerza de sellado a largo plazo y en la tasa de fuga, mientras que la deformación permanente por compresión sirve como indicador auxiliar.