Il poliuretano si rivela ideale per le guarnizioni dell'energia eolica

Di WPED Collaboratore | 16 ottobre 2020

Di Kurt Sassmannshausen, responsabile dello sviluppo prodotto, System Seals

Sebbene la gomma nitrile butadiene (NBR) sia da decenni un elemento fondamentale delle guarnizioni delle turbine eoliche, i progressi nelle formule poliuretaniche, nella lavorazione e nella progettazione delle guarnizioni stanno rapidamente mettendo da parte il posto dell'NBR nel settore. Le qualità che si sono rivelate più vantaggiose includono resistenza all'abrasione, compatibilità con i fluidi, resistenza all'ozono, resistenza meccanica e capacità di mantenere tutte queste proprietà a basse temperature.

Il poliuretano è emerso come materiale ideale per le guarnizioni dei cuscinetti principale/generatore, di beccheggio e di imbardata. Tuttavia, il semplice scambio di materiali su progetti esistenti spesso non è sufficiente. Le guarnizioni devono essere progettate pensando al poliuretano.

Un modo per valutare la resistenza all'abrasione del poliuretano è il test standardizzato dell'abrasore a tamburo, come ASTM D5963. Questo è spesso riservato alla valutazione delle gomme, ma è efficace anche per i poliuretani, soprattutto quando si confrontano i tassi di usura. Di seguito sono riportati i valori dell'indice di resistenza all'abrasione per vari materiali testati presso System Seals a Cleveland. Si noti che mentre NBR e HNBR indicano ARI di ~1,5, il poliuretano indica un ARI compreso tra 4 e 8. Si tratta di un miglioramento fino a sei volte.

Figura 1: ARI di elastomeri e poliuretano

Il poliuretano mantiene il suo valore ARI nel tempo e dopo l'esposizione a un'ampia gamma di fluidi, in particolare fluidi a base di olio. Un modo per determinarlo è invecchiare i campioni di abrasione ASTM D5963 nei fluidi per 90 giorni a 100°C (80°C per fluidi a base di acqua) e ripetere il test ogni 30 giorni. Di seguito sono riportati i risultati tipici, ma si consiglia di confermare per ciascun fluido.

Figura 2: Ritenzione ARI di NBR e PU resistente all'idrolisi dopo invecchiamento in acqua distillata a 80°C

Figura 3: Ritenzione ARI di NBR e PU resistente all'idrolisi dopo invecchiamento in olio minerale distillato a 100°C

Mentre le schede tecniche indicano la compatibilità dei fluidi immediatamente disponibile, i test di invecchiamento accelerato – o anni di funzionamento dell'applicazione – dovrebbero determinare le prestazioni e la stabilità a lungo termine di un materiale esposto a un particolare fluido. System Seals esegue test di compatibilità dei fluidi per 90 giorni, rispetto ai test standard del settore di 168 ore, poiché System Seals ha costantemente riscontrato cambiamenti significativi nelle proprietà critiche dei materiali ben dopo 168 ore di contatto con i fluidi.

Rispetto all'NBR, i poliuretani formulati su misura dimostrano una migliore resistenza ai fluidi con i grassi più comuni nel settore eolico. Di seguito è riportata una tabella di compatibilità per questi grassi popolari.

Figura 4: Punteggi di invecchiamento del grasso; è meglio più basso

L'NBR è notoriamente suscettibile all'ozonolisi, ovvero quando le molecole di ozono separano i legami chimici nell'NBR insaturo. Il cracking dell'ozono è comune quando l'NBR subisce deformazioni anche minime. Una soluzione è quella di infondere l'NBR con cere, che creano una barriera anti-ozono che protegge l'NBR. Sfortunatamente le cere non modificano il legame chimico dell’NBR. Se l'NBR viene esposto a condizioni ambientali che rimuovono la cera, diventa nuovamente suscettibile al degrado. Alcuni poliuretani speciali utilizzati nelle guarnizioni per l'energia eolica sono naturalmente resistenti all'ozono.

Il poliuretano ha modulo di trazione, resistenza e allungamento da due a tre volte superiori rispetto alla maggior parte degli NBR. Per questo motivo, le guarnizioni in poliuretano sono in grado di resistere a una maggiore deformazione meccanica e di sostenere carichi meccanici più elevati.

Un tipico NBR ha un modulo di trazione di 10-15 MPa e una resistenza alla trazione di 20 MPa. La maggior parte dei poliuretani ha un modulo di 45-60 MPa e una resistenza alla trazione di 50-60 MPa. Ciò si traduce in un materiale più rigido e meno cedevole rispetto all'NBR, il che significa una maggiore ritenzione della forma sotto pressione e una maggiore capacità di carico di stress.

Le alte temperature in genere non sono un problema nelle applicazioni eoliche. Tuttavia, a seconda della posizione e dell'altitudine, la temperatura minima di -40°C non è rara. Una temperatura minima di servizio per l'NBR standard potrebbe essere -20° C, mentre molti poliuretani per l'energia eolica non sono influenzati fino a -40° C, come determinato dall'analisi meccanica dinamica.