Ingénierie avec le caoutchouc – Génération de chaleur

Introduction

Un client nous a récemment demandé de l'aider à comprendre pourquoi un produit en caoutchouc concurrent tombait en panne prématurément. Le caoutchouc contenu dans le produit se fissurait et se transformait presque en poussière bien avant qu'il ne le soit. La réponse se résumait à la conception du produit et au choix du matériau. Il s'échauffait beaucoup lors de son application, ce qui entraînait un vieillissement prématuré.

La chaleur dans les produits en caoutchouc peut être un défi. Déterminez si cela va être un problème et concevez en conséquence. Nous sommes là pour vous aider.

Pourquoi le caoutchouc génère-t-il de la chaleur lorsqu’il est déformé ?

Lorsque le caoutchouc se déforme, il génère de la chaleur. Il s'agit d'un effet secondaire des propriétés viscoélastiques populaires du caoutchouc. Comme dans le cas d'un pneu de voiture en caoutchouc, après 10 minutes de conduite, le pneu sera plus chaud, il continuera à chauffer jusqu'à ce qu'il perde de la chaleur au même rythme qu'il en crée.

Pourquoi cela se produit-il ? Le caoutchouc possède des propriétés élastiques qui permettent au matériau de s'étirer ou de s'écraser avant de revenir à sa forme initiale (normalement). Cependant, il possède également des propriétés visqueuses qui agissent comme un amortisseur et dissipent une partie de l'énergie générée par l'étirement, ou l'écrasement, au cours du processus. Cette énergie dissipée est principalement transformée en chaleur.

Pourquoi la génération de chaleur dans les élastomères est-elle importante ?

Pour certaines applications, la génération de chaleur est négligeable et n'a pas d'importance, mais pour d'autres, elle a vraiment de l'importance. Dans un joint statique, par exemple, la génération est négligeable en raison du mouvement négligeable du caoutchouc, tandis que dans un pneu de voiture ou un connecteur de table vibrante, il peut y avoir beaucoup de chaleur générée en raison de nombreux mouvements. Cette génération de chaleur doit être gérée.

Lorsque le caoutchouc chauffe, il devient plus mou. Cela peut modifier la fréquence d'une table vibrante ou permettre à un pneu d'avoir plus d'adhérence sur la route. Si un composé de caoutchouc fonctionne dans un environnement proche de sa température continue maximale, une fois la génération de chaleur ajoutée au mélange, la température à l'intérieur du produit peut dépasser la température continue maximale du matériau. Si cette température élevée est maintenue dans une partie du matériau, la dégradation du caoutchouc peut être initiée.

Les produits en caoutchouc qui génèrent de la chaleur peuvent également subir un vieillissement accéléré. Le caoutchouc vieillit avec le temps et la durée de vieillissement est raccourcie par l'augmentation des températures. Le caoutchouc est un isolant, de sorte que le milieu du produit peut être beaucoup plus chaud que la surface si l'épaisseur de la paroi est importante.

Quels sont les facteurs qui influent sur la quantité de chaleur générée dans le caoutchouc ?

Il existe deux facteurs clés liés à l'application qui ont un impact sur la production de chaleur : l'amplitude de la déflexion et la fréquence.

Déviation

Imaginez un pneu de voiture : s'il est entièrement gonflé, il ne se déformera pas beaucoup pendant la conduite, mais il génèrera quand même de la chaleur. S'il n'est que partiellement gonflé, il se déformera beaucoup plus et générera beaucoup plus de chaleur. La quantité de chaleur générée par le caoutchouc est donc liée à la quantité de déformation, ou de déflexion.

Dans le cas d'un support antivibratoire en caoutchouc, la même chose peut être dite concernant l'amplitude du support antivibratoire. Plus l'amplitude subie par le support est grande, plus la quantité de chaleur générée par le caoutchouc est importante. Là encore, la quantité de chaleur générée par le caoutchouc est liée à la déformation ou à la déflexion subie.

Fréquence

Si une voiture roule plus vite, les pneus génèrent plus de chaleur. Chaque tour du pneu déforme le caoutchouc, et celui-ci absorbe une certaine quantité d'énergie. Si les pneus tournent plus vite, il y a plus d'énergie à absorber car la déformation augmente.

En Formule 1, un pneu de voiture est soumis à une charge maximale lorsque la voiture roule le plus vite, le pneu se déforme donc davantage à grande vitesse (sans tenir compte des technologies comme le DRS). Le pneu se déforme également à sa vitesse ou fréquence la plus élevée. Par conséquent, la majeure partie de la chaleur est générée dans un pneu à grande vitesse.

Conductivité thermique

Tous les élastomères sont de mauvais conducteurs de chaleur, leur conductivité thermique (K) étant faible, entre 0,2 et 0,3 W/m°C. Par conséquent, la chaleur générée loin d'un « dissipateur » thermique peut rester emprisonnée et prendre beaucoup de temps à se dissiper.

L'ajout d'un bon conducteur au composé polymère améliore la conductivité thermique, mais n'apporte pas d'amélioration significative. L'additif se retrouve englobé dans le polymère et empêche donc la construction de bons chemins conducteurs.

Équations pour la production de chaleur

Il existe des équations qui peuvent être utilisées pour estimer la production de chaleur. Elles seront abordées dans un prochain article.

En attendant, les variables clés sur la production de chaleur sont :

1. Épaisseur de la paroi en caoutchouc
2. Température ambiante
3. Conductivité thermique du matériau
4. Absorption d'énergie du matériau (propriété visqueuse)
5. Fréquence d'oscillation
6. Amplitude d'oscillation

Comment mesurer la production de chaleur ?

La meilleure façon de mesurer la génération de chaleur est d'utiliser l'approche la plus simple : dans un produit réel et dans une application réelle. En prenant des mesures de température à la surface du produit avant le début du test et pendant celui-ci, le niveau d'augmentation de la température de surface peut être mesuré.

En créant un petit trou dans la partie la plus épaisse du corps en caoutchouc du produit avant le test, une sonde peut également être insérée régulièrement au centre du produit pour prendre d'autres mesures. Bien que celles-ci ne soient qu'indicatives, elles seront importantes. Il est utile de pouvoir fermer ce trou (par exemple avec du ruban adhésif souple ou un « bouchon » en caoutchouc) pour améliorer cette lecture. Il est important de noter que le petit trou doit être soigneusement positionné de manière à avoir le moins d'impact possible sur les performances.

Des approches de mesure plus sophistiquées sont disponibles, mais l’approche ci-dessus fonctionne suffisamment bien pour la plupart des applications.

Gestion de la production de chaleur

Les tables à secousses, ou machines à secousses, nécessitent une prise en compte attentive de la production de chaleur lors de la sélection ou de la conception des supports.

Les options permettant de réduire cette chaleur sont liées aux variables clés indiquées ci-dessus et comprennent :

• Concevoir le produit pour avoir une paroi plus fine.
• Ajout de trous au produit pour permettre à la chaleur de s'échapper.
• Ajout d'un substrat métallique ou d'une matrice pour évacuer la chaleur.
• Des additifs métalliques ou en graphite peuvent être ajoutés au caoutchouc.
• Utiliser un caoutchouc plus rigide (en supposant qu'il s'agisse d'une application qui lui permettra de réduire l'amplitude de l'oscillation).
• Utiliser un caoutchouc plus souple (en supposant que l'amplitude soit fixe).
• Utiliser un matériau avec un module de perte plus faible (en supposant que l’amplitude soit fixe).

Si vous avez des questions sur une application où la génération de chaleur pourrait être un problème, écrivez-nous, je suis sûr que nous pourrons vous aider.