Accelerated thermo-oxidative ageing of elastomer materials

Abstract

Alfa Laval’s head office in Lund, Sweden, is the centre for research, development, and production of one of their key technologies: heat exchangers. The most common of these are the gasketed plate heat exchangers (GPHE). In these the liquid channels between heat transfer plates are sealed using rubber gaskets. The sealing ability of these gaskets are thus highly important for the performance of the product. However, rubber materials will age with time and eventually lose this sealing ability and cause a leakage. This is due to conditions such as high heat, chemicals, abrasion, and mechanical stresses, which will degrade the rubber by changing the internal structure, i.e. the polymer network of the material. Thus, the ability to predict this process and provide lifetime predictions of the gaskets is highly important. However, this process occurs on a timescale of years or decades, so laboratory testing is often accelerated. By increasing the degrading factors, such as increasing the temperature, the ageing will be accelerated, and results can be extrapolated to service conditions. At high temperatures the rubber will degrade through what is called thermo-oxidative degradation from chemical reactions caused by the heat and oxygen in the environment. For sealing applications this degradation is commonly measured by continuous stress relaxation (CSR) experiments in compression. However, at too high temperatures diffusion of oxygen will be slower than the reaction rate and diffusivity may decrease, resulting in a slower degradation of the sample interior. This will cause a non-linear temperature dependence of the ageing measurements and prevent extrapolations.
Aiming to hinder this diffusion limited oxidation (DLO), stress relaxation experiments were conducted in a reduced oxygen atmosphere and compared to experiments done in air. The DLO effect was still present, but results have increased the understanding of important experiment parameters and highlighted the possibility of a two-step nature of the oxidation reactions.

Popular Abstract (Swedish)

Alfa Laval är ett ledande industriföretag inom flera viktiga teknologier såsom: separation, pumpar, och värmeöverföring. Detta genom att tillverka produkter till t.ex. vattenrening, pastörisering, och produktion och överföring av energi, som i sin tur bidrar till ökat välstånd i världen. En av Alfa Lavals mest centrala produkttyper är värmeväxlare för värmeöverföring mellan vätskor och gaser. Ett element är i grund och botten en typ av värmeväxlare som överför värme från vatten till inomhusluften. Alfa Lavals värmeväxlare fungerar utefter samma princip men på en industriell skala där man optimerar värmeöverföringen genom att leda de olika vätskorna mellan räfflade stålplåtar som packas tätt i ett paket för att få så stor värmeöverföringsarea som möjligt. I den vanligaste typen av värmeväxlare, plattvärmeväxlare, tätas ofta dessa plåtar med gummipackningar för att skapa kanalerna för vätskorna att färdas igenom. Alltså är det viktigt att packningarna är tåliga så att inte vätskorna läcker ut.
Gummi är ett vardagligt begrepp för att beskriva typer av plastmaterial som är uppbyggt av plast-kemikalier som kallas elastomerer. Dessa kemikalier ger olika egenskaper och därmed flera olika typer av gummi som används inom olika användningsområden och industrier. Gummimaterial bryts dock ner över tid. Tänk torkade gummisnoddar som spricker och smulas sönder istället för att tänjas ut. Det är därför viktigt för företag som Alfa Laval att välja rätt gummimaterial, men också att veta hur länge de håller, för en applikation. Alltså, om de på förhand kan veta att ett visst gummi kommer klara en viss applikation under en viss tid så kan de förebygga läckage genom att planera in underhåll innan tätningsförmågan går förlorad. Problemet är att dagens gummimaterial är mycket tåliga och klarar av typiska användningsområden i åratal, ibland decennier. Det är därför eftersträvansvärt att kunna testa på förhand hur ett gummi bryts ned under grövre förhållanden för att snabbare kunna förutsäga livstiden i olika applikationer.
Detta arbete fokuserar på två vanliga gummimaterial: etylen-propylen-gummi (EPDM) och nitrilgummi (NBR) och nedbrytning via hög temperatur. Höga temperaturer gör att gummimaterialen bryts ned genom vad som kallas termisk-oxidativ-nedbrytning, vilket innebär att elastomererna i materialen reagerar och bildar nya kemiska bindningar antingen med sig själva eller med syre. För att syret ska kunna reagera med gummit så måste det ta sig in i materialet. Detta sker via diffusion. Ett problem som kan uppstå när man försöker mäta termisk-oxidativ-nedbrytning är att syret i omgivningen reagerar så pass snabbt med gummit så att syreatomerna förbrukas innan de hinner diffundera hela vägen in i materialet. Detta problem kallas diffusionshindrad oxidation (DLO) och kan leda till att gummimaterialet bryts ned långsammare vid högre temperatur på grund av lägre grad av reaktion med syre.
I detta arbete studerades därför effekten av termisk-oxidativ-nedbrytinng i lufttäta behållare för att undvika effekten av DLO. Dessvärre åstadkoms inte en helt syrefri miljö vilket ledde till en viss grad av DLO. Dock, ledde resultaten från en sänkt syrekoncentration till en djupare förståelse för viktiga testparametrar och tydliggjorde aspekter av tidigare oförklarade fenomen.

• author: Nobrant, Lucas
• supervisor: Baozhong Zhang; Emina Kujundzic; Rasmus Arvidsson
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM15 20221
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Polymer technology, Rubber, Ageing, Heterogeneous ageing, Compressive stress relaxation, Lifetime Prediction, Diffusion limited oxidation, Nitrile rubber, EPDM rubber
• language: English
• id: 9168840
• date added to LUP: 2024-06-27 14:10:36
• date last changed: 2024-06-27 14:10:36