Lage temperature veroorzaakt dat rubber geleidelijk overgaat van een zeer elastische toestand naar een vertraagde elastische, glasachtige of lokaal brosse toestand; tegelijkertijd zorgen O-ring thermische krimp, vertraagde terugvering en onvoldoende compressieherstel ervoor dat de contactspanning aan de afdichtingsinterface niet continu kan worden gehandhaafd. Gasafdichtingen zijn bijzonder gevoelig, omdat microscopische contactklemmen of ruwheidspieken continue micro-lekkagekanalen kunnen vormen, en zelfs als de O-ring geen duidelijke scheuren vertoont, kan deze toch gas lekken.

1. Waar O-ringen op vertrouwen voor afdichting is niet ‘hardheid’, maar continue contactspanning

O-ringen afdichting bij kamertemperatuur berust voornamelijk op drie factoren:

Ten eerste zorgt de installatiecompressie ervoor dat de O-ring een initiële contactspanning opwekt.

Ten tweede handhaaft de eigen elastische terugvering van het rubber een continue pasvorm tegen de groef en de tegenoppervlakte.

Ten derde wordt de O-ring onder drukverloop verder naar het afdichtingsoppervlak geduwd, waardoor een drukversterkend effect ontstaat.

De afdichtingscapaciteit van een O-ring is dus in wezen:

Contactspanning ≥ media-druk + lokaal lekkagerisico veroorzaakt door oppervlakteruwheid.

Het probleem bij lage temperaturen ligt precies hierin: rubber kan nog steeds 'hard' zijn, maar is niet meer 'terugveerbaar'. Dit maakt het schijnbaar drukbestendiger, maar in werkelijkheid kan het geen compensatie bieden voor micro-kloofveranderingen in de groef, thermische krimp, drukfluctuaties, oppervlakteruwheid en kleine spelingveranderingen. Recente modellering en experimenteel onderzoek naar O-ringen bij lage temperaturen wijst ook uit dat de voornaamste oorzaak van lekkage bij lage temperatuur verband houdt met thermische krimp, beperkte terugveercapaciteit, spanningrelaxatie en fabricatietoleranties.

2. Waarom wordt rubber bij lage temperatuur harder?

De elasticiteit van rubber komt voort uit de bewegingsmogelijkheid van de moleculaire ketensegmenten. Wanneer de temperatuur daalt, vertraagt de beweging van de ketensegmenten en neemt de tijd toe die nodig is voor de verandering van de zacht-taaie eigenschap van het materiaal; macroscopisch manifesteert dit zich als:

De modulus stijgt, de hardheid stijgt, het rekpercentage daalt, de terugstuitssnelheid daalt en de compressieherstelverslechtert.

Wanneer de temperatuur blijft dalen in de buurt van de glasovergangstemperatuur, gaat rubber geleidelijk over van een zacht elastomeer naar een glasachtige toestand. Op dat moment vertoont het materiaal niet langer de eigenschappen van een zacht elastomeer, maar lijkt het meer op een starre vaste stof. Onderzoek naar HNBR bij lage temperaturen wijst uit dat afdichtingsonderdelen oorspronkelijk vertrouwden op terugstuiting om permanente compressiedeformatie en ruimtevariaties bij lage temperaturen te compenseren, maar in de buurt van Tg neemt de elasticiteit van het materiaal sterk af; zelfs een kleine scheiding is dan voldoende om lekkage te veroorzaken.

Let op: verharding is niet gelijk aan betere afdichting.

Bij een vaste verplaatsingscompressie kan een stijgende modulus op korte termijn de lokale terugstuiting verbeteren; maar als het materiaal de vervorming niet kan herstellen, de grovere microkieren niet kan opvullen of vanwege thermische krimp van het afdichtingsoppervlak losraakt, neemt de werkelijke afdichtingscapaciteit juist af.

3. Waarom verliest het zijn terugveerkracht bij lage temperatuur?

Het verlies aan terugveerkracht bij lage temperatuur komt voornamelijk uit drie mechanismen.

3.1 Moleculaire ketenbeweging wordt bevroren, waardoor herstel vertraagt

Bij kamertemperatuur kunnen na compressie van de O-ring de ketensegmenten snel aanpassen en elastische ondersteuning behouden. Bij lage temperatuur is de beweging van de ketensegmenten beperkt, waardoor het materiaalherstelproces zeer traag wordt. Compressietests op permanente vervorming bij lage temperatuur worden juist gebruikt om te beoordelen hoeveel minder rubber na diepere bevriezing kan terugveren; laboratoriumgegevens tonen duidelijk aan dat rubber bij lage temperatuur geleidelijk elasticiteit verliest en dat het vermogen om een kloof te overbruggen aanzienlijk vertraagt.

3.2 Permanente compressievervorming in de kou neemt toe

Permanente compressiedeformatie treedt niet alleen op na veroudering bij hoge temperatuur. Bij lage temperaturen kunnen O-ringen ook een zogenaamde 'bevroren toestand' van permanente compressiedeformatie vertonen: ze worden platgedrukt en kunnen tijdelijk hun oorspronkelijke dwarsdoorsnede-dikte niet herstellen. Onderzoek naar HNBR bij lage temperatuur toont aan dat permanente compressiedeformatie een belangrijke indicator is voor O-ringen en soortgelijke afdichttoepassingen; vlak bij de glasovergangstemperatuur kan deze aanzienlijk stijgen, zelfs tot een hoog niveau onder onderzoeksomstandigheden.

Dit type permanente compressiedeformatie bij lage temperatuur is soms omkeerbaar: na een temperatuurstijging kan een deel zich herstellen; tijdens de koude bedrijfsperiode van apparatuur is het echter al voldoende om lekkages te veroorzaken.

3.3 Spanningsrelaxatie leidt tot een daling van de afdichtkracht

O-ringen onder langdurige compressie in een groef: de afdichtkracht neemt in de tijd af, dit wordt spanningrelaxatie genoemd. Bij lage temperaturen krimpt het materiaal en is het moeilijker om zich te herstellen; indien tegelijkertijd drukvariaties optreden, een plotselinge spleetverandering plaatsvindt of thermische cycli optreden, neemt de veiligheidsmarge van het contactoppervlak verder af. Onderzoek naar hydraulische O-ringen voor diepzee-toepassingen wijst ook op het feit dat bij lage temperaturen het volume van rubber krimpt en spanningrelaxatie optreedt, waardoor de afdichting steeds meer afhankelijk wordt van een verslechterende situatie en de veiligheidsmarge bij plotselinge spleetvergroting duidelijk afneemt.

4. Waarom treedt gaslekken bij lage temperatuur bijzonder gemakkelijk op?

Gasafdichting is gevoeliger dan vloeistofafdichting, omdat de viscositeit en oppervlaktespanning van gas zwakker zijn; slechts een zeer kleine, continue microkanaal is voldoende om lekken te veroorzaken. Bij lage temperatuur beginnen lekkagekanalen meestal niet met een ‘volledige breuk’ van de O-ring, maar met microscopische contactverliezen op het afdichtoppervlak.

Het typische proces verloopt als volgt:

• De temperatuur daalt, waardoor zowel de O-ring als de metalen groef tegelijkertijd krimpen.
• De thermische krimp van rubber is meestal duidelijker dan die van metaal; zowel de werkelijke compressiehoeveelheid als de contactbreedte nemen af.
• De terugvering van rubber vertraagt; het kan de verandering in de groefdimentie niet meer compenseren.
• Er ontstaat een continue microkanaal tussen de ruwe pieken van de afdichting.
• Gas lekt langs de interface.

Bij onderzoek naar lage-temperatuurgaslekken van HNBR O-ringen werd geconstateerd dat, wanneer de temperatuur onder de omgeving van de glasovergangstemperatuur (Tg) van het materiaal daalt, de luchtlekrate plotseling stijgt; de onderzoekers achten de hoofdoorzaak onvoldoende thermische krimp en herstelvermogen van rubber bij lage temperaturen, wat leidt tot loskoppeling van de afdichting van het tegenoverliggende oppervlak.

Dit verklaart een veelvoorkomend verschijnsel op locatie: de O-ring is niet gebarsten, niet gebroken en ziet er visueel normaal uit; toch lekt de apparatuur bij lage temperatuur, terwijl de lek hoeveelheid afneemt of verdwijnt zodra de temperatuur stijgt.

5. Glasovergang, broosheid en lage-temperatuurlek zijn niet hetzelfde begrip

Bij analyse van afdichting bij lage temperaturen worden Tg, TR10, broosheidstemperatuur en permanente compressiedeformatie bij lage temperatuur vaak verward, maar ze vertegenwoordigen verschillende problemen.

De test op broosheid van rubber volgens ASTM D2137 richt zich op het al dan niet optreden van krassen of openingen in de coating bij laagtemperatuurimpact; deze indicator wijst er ook op dat deze norm van toepassing is op regelgeving en onderzoek & ontwikkeling, maar niet noodzakelijkerwijs de laagste toepasbare temperatuur van het materiaal aangeeft. ASTM D746 merkt eveneens op dat de methode voor het bepalen van de broosheidstemperatuur bedoeld is voor gestandaardiseerde omstandigheden bij de evaluatie van brosse breuk van materialen en niet noodzakelijkerwijs gelijk is aan de optimale toepasbare temperatuur van het materiaal in praktijktoepassingen.

Daarom betekent het feit dat een materiaal niet barst nog niet dat het zeker niet lekt; een falende afdichting van een O-ring bij lage temperaturen manifesteert zich vaak als onvoldoende contactspanning, niet als direct zichtbare scheuren.

6. Waarom is TR10 belangrijker dan het 'bereik voor koudebestendigheid'?

TR10 is een zeer belangrijke indicator voor de keuze van afdichtingsmaterialen voor lage temperaturen. ISO 2921 is de standaardprocedure voor het bepalen van de temperatuur-terugtrekking bij lage temperatuur van gevulkaniseerd rubber, en wordt gebruikt om het temperatuur-herstelgedrag van gespannen rubber te bepalen.

Bij TR10-tests wordt rubber meestal 25% of 50% uitgerekt, daarna bij lage temperatuur bevroren, en vervolgens wordt de temperatuur genoteerd waarbij het 10% inkrimpt; hoe lager deze temperatuur, des te beter behoudt het materiaal een zekere elastische herstelcapaciteit bij lagere temperaturen.

In de techniek kan dit meestal als volgt worden begrepen:

Hoe lager de TR10-waarde — dichter bij of hoger dan de laagste werkomgevingstemperatuur — des te kleiner het risico op lekkage bij lage temperaturen.

Experimentele gegevens tonen aan dat dynamische of ontvangende O-ringen meestal hun aandacht moeten richten op de afdichtingscapaciteit in de buurt van TR10; bij statische toepassingen met lage eisen kunnen temperaturen soms 10–15 °C lager dan TR10 nog steeds technisch afdichten, maar dit is afhankelijk van het materiaal, de constructie en de gebruikte lektestmethode. Een andere technische handleiding voor O-ringen vermeldt een vergelijkbaar principe: bij statische afdichting is meestal een temperatuur tot circa 10 °C onder TR10 toegestaan, terwijl dynamische afdichtingen dichter bij TR10 moeten blijven; tegelijkertijd beïnvloeden krimp en uitzetting door het medium de daadwerkelijke temperatuurgrens.

7. Bij hoge-druk-, lage-temperatuurtoepassingen moet ook rekening worden gehouden met de verschuiving van Tg / TR10

Bij hoge-druk-gas, olie-gas-kleppen, waterstofsystemen, lucht- en ruimtevaart-hydraulische systemen en andere toepassingen kan men zich niet uitsluitend op de glastransitietemperatuur (Tg) of TR10 bij normale druk baseren. De materiaalgegevens van Trelleborg voor hoge-druktoepassingen wijzen erop dat, bij lage temperatuur en hoge druk, de respons van elastomeren met compressie-eigenschappen onder druk kan leiden tot een verhoging van de polymeer-Tg; ontwerpers moeten deze Tg-afwijking in aanmerking nemen bij het ontwerpen van afdichtingen voor lage-temperatuur-hoge-druktoepassingen.

Dit betekent: een materiaal dat bij normale druk voldoet aan de eisen voor TR10 of Tg, kan bij hoge-druk-gas te vroeg zijn flexibiliteit verliezen. Voor lage-temperatuur-kleppen, hoge-druk-gastoepassingen, waterstofapparatuur en afdichtingen voor gas- en olieputten is dit punt bijzonder belangrijk.

8. Uiterlijk van verschillende lage-temperatuur-foutmodi in de praktijk

8.1 Koud lekken, geen lekkage bij warme toestand

Dit is een typisch geval van onvoldoende terugveerkracht bij lage temperatuur of interface-scheiding. Na opwarming herstelt de kettingsegmentactiviteit van de O-ring, waardoor de contactspanning en de dwarsdoorsnede zich goed herstellen en de lekkage afneemt.

8.2 Lekkage van gas bij koud starten; verbetert na enige tijd in bedrijf

Kan veroorzaakt worden door temperatuurherstel, stijging van de mediumtemperatuur of geleidelijk herstel van het materiaal. Indien de apparatuur bij koud starten een gasdichte afdichting moet bieden, is dit type materiaal nog steeds ongeschikt.

8.3 Lekkage van gas bij langdurig parkeren bij lage temperatuur

Langere koud-standtijd leidt tot duidelijkere kristallisatie, spanningrelaxatie en onvoldoende herstel van compressie. Een geslaagde korte lage-temperatuurtest betekent niet automatisch dat de apparatuur geschikt is voor langdurig buitenparkeren, hoogvlucht bij luchtvaarttoepassingen of langdurige werking in koelopslag.

8.4 Opnieuw lekken bij lage temperatuur na hitteveroudering

Veroudering door hoge temperatuur of medium kan permanente compressievorming, verharding, krimp of verlies van weekmaker veroorzaken; daarna leidt de overgang naar lage temperatuur tot een kleiner resterend terugveervermogen van de O-ring en dus tot een grotere kans op lekkage.

8.5 Dynamische afdichting: vastlopen, slijtage en lekkage bij lage temperatuur

Dynamische afdichtingen vereisen naast het verlies van contactspanning ook lage wrijving en snelle terugvering. Bij lage temperaturen verhardt het materiaal, de wrijving neemt toe, de smering verslechtert, en de afdichtlip of O-ring kan mogelijk niet snel genoeg de tegenoppervlakte volgen, wat leidt tot onderbroken lekkage, kruipen, verdraaiing of slijtage.

9. Materiaalkeuze mag niet alleen vermelden ‘koudbestendig’

Voor koelinstallaties, ruimtevaart, buitentoepassingen en klanten van lage-temperatuurkleppen moet de materiaalpagina ‘koudbestendig’ opdelen in controleerbare kenmerken, in plaats van slechts één temperatuurbereik te geven.

Aanbevolen velden zijn als volgt:

10. Logica voor de selectie van veelgebruikte materialen bij lage temperaturen

NBR / NBR met lage-temperatuur-eigenschappen

De prestaties van NBR bij lage temperaturen hangen nauw samen met het acrylonitrilgehalte, de formulering en het vulstofsystem. NBR met lage-temperatuur-eigenschappen kan de zachtheid bij lage temperaturen verbeteren, maar vereist meestal een afweging tussen oliebestendigheid, brandstofcompatibiliteit en terugveervermogen bij lage temperaturen. Toepasbaar bij olie, water-glycol, algemene hydraulische systemen en koeltoepassingen; mediaconfirmatie is verplicht.

HNBR

HNBR biedt betere hittebestendigheid, oliebestendigheid en mechanische eigenschappen dan standaard NBR, maar de prestaties bij lage temperaturen zijn nog steeds sterk afhankelijk van de formulering. Voor apparatuur met hoge gasdruk of olie-gasomgevingen bij lage temperaturen mag niet alleen worden gekeken naar de naam HNBR; TR10, permanente compressiedeformatie bij lage temperatuur en daadwerkelijke lektesten zijn vereist.

EPDM

EPDM is meestal geschikt voor water, stoom, koelvloeistof, buitenlucht met ozon en koudebestendige omgevingen, maar niet geschikt voor de meeste petroleumolieproducten. Gebruikt voor buitenspuitapparatuur, koelwaterleidingen en lage-temperatuursystemen met ethyleenglycol; de specifieke formulering moet worden gecontroleerd op TR10 en lage-temperatuurherstel.

VMQ/siliconenrubber

De lage-temperatuursoepelheid van siliconenrubber is meestal goed, maar de scheursterkte, slijtvastheid, gasdoorlatendheid en compatibiliteit met olie- en brandstofproducten kunnen beperkingen vormen. Geschikt voor bepaalde statische afdichtingen bij lage temperaturen, in voedingsmiddelen- en medische toepassingen en in belaste omgevingen, maar niet noodzakelijkerwijs geschikt voor hoge-druk-gastoepassingen of sterke dynamische slijtage.

FVMQ/fluorsiliconenrubber

Fluorsiliconenrubber biedt een betere balans tussen lage-temperatuurflexibiliteit en compatibiliteit met brandstoffen en oliën, en wordt veel gebruikt voor statische afdichtingen in lucht- en ruimtevaartbrandstoffen en lage-temperatuurolieproducten. De mechanische sterkte en slijtvastheid moeten echter nog steeds worden beoordeeld; het mag niet zomaar als vervanging worden gebruikt voor alle FKM- of NBR-toepassingen.

FKM / Laagtemperatuur-FKM

Gewoon FKM staat bekend om zijn weerstand tegen hoge temperaturen, olie en chemische media, maar de terugveerkracht bij lage temperaturen is vaak onvoldoende. Voor laagtemperatuurkleppen, ruimtevaartbrandstoffen en buitenlandse olieproductapparatuur dient men prioriteit te geven aan laagtemperatuur-FKM en vergelijkbare speciale formuleringen, en TR10, Tg en permanente compressiedeformatie bij lage temperatuur te verifiëren.

FFKM

Het voordeel van FFKM is extreme chemische weerstand en hoge-temperatuurbestendigheid, maar veel gewone FFKM-materialen vertonen slechte elastische eigenschappen bij lage temperaturen. Bij laagtemperatuur-hogedrukkleppen of olie- en gasapparatuur waarbij FFKM verplicht is, dient men een laagtemperatuur-FFKM-formulering te kiezen en lekkage bij hoge druk en lage temperatuur te verifiëren.

De gegevens van Trelleborg tonen ook aan dat de responsverschillen van verschillende laagtemperatuur-FFKM-formuleringen op TR10/Tg onder hoge druk aanzienlijk zijn.

11. Hoe vermindert een constructieontwerp het risico op lekkage bij lage temperaturen?

Materiaal is slechts de eerste stap; lage-temperatuur-O-ringen moeten ook risico's beheersen via groef- en assemblagedesign.

Zorg eerst voor voldoende compressie bij Tmin. De thermische krimpverschillen tussen de metalen groef en het rubber moeten worden berekend; ontwerp niet uitsluitend op basis van conventionele afmetingen.

Statische afdichtingen kunnen de drukcompressie redelijk verhogen, maar niet boven de grenzen van groevenvulling en assemblage. Onvoldoende compressie leidt te vroeg tot lekkage; te veel compressie kan assemblageschade, thermische uitzettingsextrusie, wrijvingsverhoging of permanente vervorming veroorzaken.

Dynamische afdichtingen mogen de compressie niet willekeurig verhogen. Bij lage temperatuur stijgt de wrijving; te veel compressie leidt tot startweerstand, slijtage, verdraaiing en kruipen.

Beheers de ruwheid en rondheid van het afdichtingsoppervlak. Bij lage temperatuur neemt het vermogen van rubber om ruwe pieken te vullen af; oppervlakteruwheid beïnvloedt de dichtheid sterker.

Vijfde: gebruik steunringen, ondersteuningsringen of veerbelaste constructies indien nodig. Bij hoge druk en lage temperatuur is het risico hoger bij gasafdichting die uitsluitend op de eigen terugveerkracht van rubber berust. Veerbelaste PTFE-afdichtingen, ingekapselde O-ringen, speciale doorsnedeafdichtingen of metalen afdichtingen kunnen betrouwbaarder zijn.

Zesde: smeergrease moet geschikt zijn voor lage temperaturen. Gewone smeergrease wordt stroperig of bevriest bij lage temperaturen, wat de wrijving verhoogt en de pasvorm aan de interface negatief beïnvloedt. Met name bij kleppen en toepassingen in de lucht- en ruimtevaart met lage temperaturen moet de compatibiliteit van de smeergrease met rubber, het medium en de laagste bedrijfstemperatuur worden gevalideerd.

12. Aanbevolen validatiemethode

Voor koelinstallaties, lucht- en ruimtevaarttoepassingen, buitentoepassingen en kleppen voor lage temperaturen wordt aanbevolen om lage-temperatuurvalidatie uit te voeren als een gecombineerde test, niet als een enkele materiaaltest.

Aanbevolen testreeks:

• Materiaalniveau: Tg, TR10, broosheidstemperatuur, permanente compressiedeformatie bij lage temperatuur.
• Media-niveau: controleer opnieuw afmetingen, hardheid, TR10 en permanente compressievorming na onderdompeling in koelmiddel, olie, brandstof, lucht, CO₂, waterstof of het werkelijke medium.
• Structuur-niveau: overeenkomen met de werkelijke groef, de werkelijke compressiehoeveelheid en de werkelijke oppervlakteruwhheid van de gemonteerde O-ring.
• Voorwaardelijk niveau: koelvertoning tot de laagste temperatuur, voldoende tijd vasthouden en vervolgens gasdichtheid testen.
• Cyclusniveau: temperatuurwisseling (hoog-laag), drukwisseling, start-stop-cycli en daarna opnieuw lektest uitvoeren.
• Verouderingsniveau: na thermische veroudering of media-veroudering opnieuw lage-temperatuurtest uitvoeren.

Minimale eisen mogen niet alleen luiden als "materiaal bestand tegen -40 °C", maar moeten worden geformuleerd als:

Bij -40 °C, specifiek medium, specifieke druk, specifieke koelvertoningstijd, specifieke groef en specifieke oppervlakteruwhheid: lekpercentage ≤ doelwaarde; de O-ring mag geen scheuren vertonen, geen abnormale permanente vervorming vertonen en moet een aanvaardbare terugveerkracht behouden voor en na de test.