Guide des composants en caoutchouc : roues en PU ou en caoutchouc, joints EPDM, sélection de joints toriques

Roues en polyuréthane ou roues en caoutchouc : choisir le bon matériau

Le choix du matériau des roues détermine directement la capacité de charge, la protection du sol, la résistance au roulement, le niveau sonore et la durée de vie. Le polyuréthane (PU) et le caoutchouc sont les deux choix dominants d'élastomères pour les roulettes industrielles, les équipements de manutention et les véhicules légers, mais ils diffèrent considérablement en termes de plage de dureté, de résistance chimique et de comportement à l'usure.

Les roues en polyuréthane sont coulées ou moulées par injection à partir de formulations isocyanate-polyol et peuvent être produites dans une plage de dureté Shore A de 40A à 95A sans modifier la chimie de base. Les roues en caoutchouc sont vulcanisées à partir de composés de caoutchouc naturel (NR), de caoutchouc styrène-butadiène (SBR), de nitrile (NBR) ou de néoprène (CR), chacun offrant un profil de performances distinct. Les deux matériaux occupent souvent le même espace d’application mais sont rarement interchangeables sans compromis.

La décision dépend généralement du type de sol et de la charge. Les roues en polyuréthane surpassent le caoutchouc sur les sols en béton durs et lisses sous de lourdes charges , offrant une résistance au roulement nettement inférieure et une durée de vie plus longue. Les roues en caoutchouc sont préférées sur les surfaces rugueuses ou inégales, dans les environnements de stockage réfrigérés où le PU devient cassant et partout où le marquage au sol doit être complètement évité. Certains composés de caoutchouc ne laissent aucun résidu, même sous de lourdes charges qui entraîneraient un transfert de matériau par une roue en PU.

Dans les environnements humides, le polyuréthane à base d'éther est préféré au PU à base d'ester car les liaisons ester s'hydrolysent en cas de contact prolongé avec l'eau, entraînant un délaminage et des fissures. Les roues en caoutchouc naturel et SBR absorbent une quantité limitée d'eau et maintiennent l'adhérence, mais peuvent gonfler légèrement en cas d'immersion prolongée.

Joints en caoutchouc EPDM : Propriétés et applications

Le caoutchouc éthylène-propylène-diène monomère (EPDM) est le matériau de choix pour les joints et les joints dans les environnements extérieurs, à haute température et exposés aux produits chimiques, où le caoutchouc naturel, le nitrile ou le néoprène se dégraderaient prématurément. Son squelette polymère saturé (le composant diène ne représente que 3 à 8 % de la chaîne et est utilisé uniquement comme site de réticulation) confère à l'EPDM une résistance exceptionnelle à l'ozone, aux rayons UV et à l'oxydation qui provoquent une fissuration rapide des caoutchoucs insaturés.

Principales caractéristiques de performance des joints EPDM :

• Plage de température : −50°C à 150°C en continu, avec des excursions de courte durée jusqu'à 175°C en service vapeur. Cela fait de l'EPDM le matériau de joint standard pour les systèmes de refroidissement automobiles, les conduits CVC et les brides de chemises de vapeur.
• Résistance à l'eau et à la vapeur : L'EPDM absorbe un minimum d'eau et résiste au gonflement dans l'eau chaude et la vapeur à basse pression. Il s'agit du matériau dominant pour les raccords et raccords de conduites d'eau potable certifiés NSF/ANSI 61.
• Résistance chimique : Excellent contre les acides dilués, les alcalis, les cétones, les alcools et les fluides hydrauliques à base d'ester phosphaté. Mauvaise résistance aux huiles de pétrole, aux carburants et aux solvants aromatiques : des joints NBR ou fluoroélastomères doivent être spécifiés dans les applications en contact avec l'huile.
• Ensemble de compression : L'EPDM bien formulé et durci au peroxyde atteint des valeurs de déformation rémanente à la compression de 15 à 30 % après 70 heures à 150°C (ASTM D395 Méthode B), garantissant une rétention de la force d'étanchéité à long terme sans relaxation.
• Altération extérieure : Les joints EPDM conservent leurs propriétés mécaniques après 10 ans d'exposition à l'extérieur sans stabilisants UV, ce qui en fait la norme pour les systèmes de vitrage de murs-rideaux, les joints de membrane de toiture et les joints de portes de wagons de chemin de fer.

Les joints EPDM sont disponibles en profilés en feuille, en bande, moulés et extrudés. L'EPDM spongieux (expansé) est utilisé lorsque la conformabilité aux surfaces irrégulières compte plus qu'une résistance élevée à la compression, typique des joints de porte d'enceinte et des joints de panneaux où la charge des boulons est limitée. L'EPDM solide est spécifié pour les joints de face de bride et les raccords de tuyaux où la contrainte d'assise doit être maintenue pendant des cycles de service prolongés.

Joints toriques en silicone ou en caoutchouc : lorsque la chimie des matériaux détermine les performances d'étanchéité

Le choix du matériau des joints toriques est l’une des décisions les plus importantes en matière de conception d’étanchéité aux fluides. Un mauvais élastomère dans une application dynamique ou à haute température entraîne un gonflement, une défaillance de compression, une attaque chimique ou une extrusion, chacun conduisant à une fuite ou à une défaillance du système. Les joints toriques en silicone et en caoutchouc semblent similaires en termes de forme et de fonction, mais diffèrent fondamentalement par leur structure polymère, leurs propriétés mécaniques et leur compatibilité chimique.

Joints toriques en silicone (VMQ — vinylméthylsilicone) utilise un squelette Si – O plutôt qu'un squelette carbone. La liaison Si-O est intrinsèquement plus stable thermiquement que les liaisons C-C, ce qui confère au silicone sa résistance caractéristique à la température de -60°C à 230°C en continu (et jusqu'à 260°C pour les qualités de fluorosilicone). Le silicone est également physiologiquement inerte, ce qui en fait la norme pour les joints de dispositifs alimentaires, pharmaceutiques et médicaux exigeant la conformité FDA 21 CFR 177.2600 ou USP Classe VI.

Cependant, le silicone présente deux faiblesses importantes dans les applications d’étanchéité dynamique : faible résistance à la traction (5 à 10 MPa contre 15 à 25 MPa pour le NBR) et une mauvaise résistance à la déchirure. Sous l'effet d'un mouvement alternatif ou rotatif, les joints toriques en silicone s'usent plus rapidement que les alternatives NBR, EPDM ou FKM. Dans les applications à joint facial statique ou à faible cycle, ces limitations sont rarement rencontrées.

Joints toriques en caoutchouc couvre une large famille : le NBR (nitrile) est le plus utilisé, avec une excellente résistance aux huiles pétrolières, aux carburants et aux fluides hydrauliques minéraux entre -40°C et 120°C ; L'EPDM excelle dans le service de l'eau, de la vapeur et de l'ozone ; le néoprène (CR) offre une résistance modérée à l'huile et aux intempéries ; et FKM (Viton) gère les environnements chimiques et thermiques les plus agressifs (jusqu'à 200°C en continu). Le bon choix dépend entièrement du fluide utilisé, de la pression, de la température et du fait que l'application soit statique ou dynamique.

• Utilisez du silicone dans les cas suivants : les températures extrêmes dominent, une conformité alimentaire/médicale est requise, le joint est statique ou la flexibilité à basse température est critique
• Utilisez du caoutchouc NBR lorsque : Un contact avec de l'huile de pétrole, du carburant ou du fluide hydraulique minéral est présent dans une application dynamique
• Utilisez l'EPDM lorsque : l'eau chaude, la vapeur, le liquide de refroidissement au glycol ou l'exposition à l'ozone extérieur constituent le défi de l'étanchéité.
• Utilisez FKM (Viton) lorsque : des milieux chimiques agressifs et à haute température sont présents simultanément

Le silicone ne doit jamais être utilisé en contact avec des fluides à base de pétrole, de la vapeur supérieure à 120°C (qui hydrolyse le squelette Si-O) ou des acides concentrés. Dans ces environnements, les composés de caoutchouc spécialement formulés pour les fluides de service surpasseront systématiquement le silicone malgré des plafonds thermiques plus bas.

Composants en caoutchouc moulé : considérations relatives à la conception, au processus et aux matériaux

Les composants en caoutchouc moulé, notamment les joints, les passe-fils, les isolateurs de vibrations, les butées, les soufflets anti-poussière, les diaphragmes et les profils personnalisés, sont produits selon trois méthodes de moulage principales, chacune adaptée à différentes géométries, volumes et types de matériaux.

• Moulage par compression : Une ébauche de caoutchouc prépesée (préforme) est placée dans une cavité de moule ouverte, le moule est fermé sous la force d'une presse hydraulique et la chaleur déclenche la vulcanisation. La plus lente des trois méthodes (temps de cycle de 3 à 15 minutes en fonction de l'épaisseur de la section et du composé), mais elle utilise l'outillage le moins coûteux et ne produit pratiquement aucune contrainte interne dans la pièce finie. Norme pour les composants de grande section, les isolateurs à parois épaisses et les matériaux difficiles à traiter par injection (tels que les composés spongieux EPDM).
• Moulage par transfert : Le caoutchouc est chargé dans un pot au-dessus des cavités du moule et forcé à travers les canaux de coulée dans des cavités fermées sous pression dynamique. Meilleure cohérence dimensionnelle que le moulage par compression et capable de mouler des inserts (métal ou plastique) en place. Le coût de l'outillage est intermédiaire. La méthode préférée pour les joints toriques de précision, les petits joints et les composants liés caoutchouc-métal dans des volumes de production moyens.
• Moulage par injection : Le composé de caoutchouc est plastifié dans un fût chauffé et injecté à grande vitesse dans un moule chauffé et entièrement fermé. Temps de cycle les plus courts (30 à 90 secondes pour les petites pièces), précision dimensionnelle la plus élevée et convient parfaitement à la production en grand volume de géométries complexes. Nécessite l’investissement en outillage le plus élevé mais le coût par pièce le plus bas à grande échelle. Utilisé pour les joints automobiles, les composants de dispositifs médicaux et les poignées de produits de consommation produits en millions d'unités chaque année.

Les directives de conception critiques pour les pièces moulées en caoutchouc comprennent :

• Angles de dépouille : Une dépouille minimale de 3 à 5° sur toutes les parois verticales est requise pour un démoulage propre sans déchirure ni déformation, en particulier pour les pièces comportant des profils complexes ou des inserts métalliques collés.
• Lignes flash : Le plan de joint du moule crée une fine bavure qui doit être éliminée par ébavurage (culbutage cryogénique, détourage manuel ou laser). La conception des pièces doit, lorsque cela est possible, situer les lignes de joint dans des zones d'étanchéité non critiques.
• Tolérance : Les tolérances du caoutchouc moulé suivent les normes ASTM D3568 ou DIN 7715. Les tolérances typiques réalisables sont de ±0,2 mm pour les petites caractéristiques et de ±0,5 à 1,0 % de dimension pour les sections transversales plus grandes, reflétant la variabilité dimensionnelle inhérente au retrait de vulcanisation (généralement de 1,5 à 3 % pour la plupart des composés).
• Liaison caoutchouc-métal : Les inserts métalliques sont préparés par grenaillage et apprêtés avec Chemlok ou un agent de liaison équivalent avant le moulage. Les tests de résistance d'adhérence selon ASTM D429 doivent être spécifiés pour les applications critiques pour la sécurité où une défaillance de l'adhésif entraînerait la perte d'une pièce.

Foire aux questions

• Les roues en polyuréthane marquent-elles ou endommagent-elles les sols des entrepôts ?

  Les formulations de polyuréthane plus dures (au-dessus de 90 Shore A) peuvent laisser des traces sur les sols en béton recouverts d'époxy ou polis, en particulier lors des pivotements sous charge. Les qualités de PU plus souples (70 à 85A) ne marquent généralement pas les sols dans des conditions normales de roulement. Des formulations non marquantes sont disponibles auprès de la plupart des fabricants, composées sans noir de carbone ni autres pigments qui se transfèrent sur les surfaces du sol. Si le marquage au sol est une exigence absolue, les roues en caoutchouc naturel ou en caoutchouc thermoplastique (TPR) classées non marquantes constituent la spécification la plus sûre.

• Les joints EPDM peuvent-ils être utilisés avec des réfrigérants ?

  L'EPDM est compatible avec plusieurs réfrigérants, dont le R-134a et l'ammoniac (R-717), mais fonctionne mal avec le R-22, le R-410A et la plupart des mélanges HFC dans les applications à haute pression où le réfrigérant peut pénétrer dans le joint et provoquer une décompression explosive lors de la dépressurisation. Le HNBR (nitrile hydrogéné) ou le FKM sont plus appropriés pour les applications d'étanchéité des réfrigérants HFC. Vérifiez toujours la compatibilité par rapport aux données de compatibilité des élastomères du fabricant de réfrigérant à la pression et à la température de fonctionnement.

• Pourquoi mon joint torique en silicone gonfle-t-il dans l'huile hydraulique ?

  Le silicone résiste mal aux fluides hydrauliques à base de pétrole. Les molécules d'huile non polaires se diffusent dans le réseau de silicone polaire, provoquant un gonflement volumétrique de 20 à 50 % ou plus selon le type d'huile et la température. Ce gonflement augmente la section transversale du joint torique, peut provoquer une extrusion de rainure et, après des cycles humides-secs répétés, entraîne un changement dimensionnel permanent et une perte de force d'étanchéité. Remplacez les joints toriques en silicone dans le service d'huile hydraulique par du NBR (pour l'huile minérale) ou du FKM (pour les fluides hydrauliques synthétiques et le service à haute température).

• Quel composé de caoutchouc convient le mieux aux supports d'isolateurs de vibrations extérieurs ?

  Le caoutchouc naturel (NR) possède la résilience et la résistance à la fatigue les plus élevées de tous les élastomères et reste le meilleur choix pour les isolateurs de vibrations en termes de performances dynamiques. Cependant, le NR se dégrade lors de l'exposition à l'ozone et aux UV sans additifs antiozonants. Pour les applications extérieures, le NR mélangé à l'EPDM ou au chloroprène (CR), ou à l'EPDM seul, offre la résistance aux intempéries nécessaire tout en conservant des propriétés dynamiques adéquates. Si une contamination par l'huile est possible dans l'environnement extérieur, le néoprène (CR) est un meilleur choix que le NR pur ou l'EPDM.

• Quel est le délai de livraison typique pour les composants en caoutchouc moulés sur mesure ?

  Le délai de livraison des composants en caoutchouc moulés sur mesure se divise en deux phases : l’outillage et la production. L'outillage de moules par compression pour une pièce simple prend généralement 3 à 5 semaines ; les moules de transfert ou d'injection avec des tolérances plus strictes ou des cavités multiples nécessitent 6 à 10 semaines. Le délai de production après l'approbation de l'outil est généralement de 2 à 4 semaines pour les composés standard. Le délai de livraison total du premier article de 8 à 14 semaines est typique pour les nouvelles pièces moulées sur mesure. Les services d'outillage accélérés peuvent réduire ce délai à 4 à 6 semaines à un coût d'outillage plus élevé, et de nombreux fabricants maintiennent des moules à géométrie standard (joints toriques, joints plats, œillets) pour une livraison beaucoup plus rapide.