Estudo do envelhecimento e predição do tempo de vida útil de gaxetas de borrachas NBR e EPDM, aplicadas em trocador de calor de placas

Abstract

Borrachas de acrilonitrila-butadieno (NBR) e de etileno-propileno-dieno (EPDM) são utilizadas como vedações em trocadores de calor de placas devido à sua elasticidade e resiliência. No entanto, o contato com fluidos, oxigênio, ozônio e calor, leva à deterioração das propriedades e perda da capacidade de vedação. Este estudo investiga os efeitos do envelhecimento nas propriedades físicas e químicas de juntas de NBR e EPDM comercialmente disponíveis, mantendo sua geometria original. Ciclos termo-oxidativos com corpos de prova de 10 mm, 30 mm, 120 mm e 240 mm de comprimento foram conduzidos ao envelhecimento de em temperaturas de 80 °C a 170 °C por até 180 dias. As amostras foram analisadas empregando-se compression set (CS), dureza, módulo de indentação, tensão de relaxação na compressão, densidade de ligações cruzadas, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier com reflectância total (ATR - FTIR), termogravimetria e calorimetria diferencial de varredura. Por fim, foi realizada a previsão do tempo de vida útil e simulação do transporte de massa. Os resultados mostraram que corpos de prova mais longos apresentaram maior resistência ao envelhecimento termo-oxidativo, associado ao maior caminho difusivo. Na comparação entre os elastômeros, NBR é mais suscetível ao envelhecimento com maior taxa de reação, apresentando maiores variações na dureza, densidade de ligação cruzada, temperatura de transição vítrea, tempo de recuperação da tensão normalizada, velocidade de evolução da dureza e perda de aditivos. A menor energia de ativação (44,75 kJ/mol, aproximadamente 46% menor que para EPDM) e maior taxa de reação do NBR também o torna mais propenso a difusão limitada na oxidação (DLO) a partir da temperatura de 120 °C, enquanto para o EPDM a DLO se inicia é em 170 °C. Diante da variação no grau de envelhecimento dos corpos de prova, devido a seus diferentes comprimentos, foi preciso obter um modelo de vida útil que minimizasse a influência desse fator. A borracha de EPDM exibiu tempo de vida mais longos em temperaturas abaixo de 120 °C quando comparada com a NBR. Por outro lado, para temperaturas superiores a 120 °C, o efeito DLO favoreceu a obtenção de tempos de vida mais longos para NBR. A simulação do transporte de massa corroborou esses resultados, destacando a tendência do NBR à formação de DLO e a influência do comprimento da amostra na taxa de reação.

Abstract: Acrylonitrile-butadiene (NBR) and ethylene-propylene-diene (EPDM) rubbers are used as seals in plate heat exchangers due to their elasticity and resilience. However, contact with fluids, oxygen, ozone, and heat leads to the deterioration of properties and loss of sealing capacity. This study investigates the effects of aging on the physical, chemical, and mechanical properties of commercially available NBR and EPDM gaskets, while maintaining their original geometry. Thermo-oxidative cycles with specimens of 10 mm, 30 mm, 120 mm, and 240 mm in length were conducted at aging temperatures from 80 °C to 170 °C for up to 180 days. The samples were analyzed using compression set (CS), hardness, indentation modulus, compression stress relaxation, crosslink density, attenuated total reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), thermogravimetry, and calorimetry. Finally, predictions of service life and mass transport simulation were performed. The results showed that longer specimens exhibited better resistance to thermo-oxidative aging, associated with a longer diffusion path. In comparison between elastomers, NBR is more susceptible to aging, with a higher reaction rate, hardness evolution kinetics, crosslink density, variation in Tg, normalized stress recovery time, and loss of additives. The lower activation energy (44.75 kJ/mol, approximately 46% lower than for EPDM) and higher reaction rate of NBR also make it more prone to diffusion-limited oxidation (DLO) from 120 °C, while for EPDM, DLO only occurs at 170 °C. Due to the different degrees of aging in specimens of varying lengths, it was necessary to develop a model to determine the service life in which the influence of length is insignificant. EPDM exhibited longer service life at temperatures below 120 °C. For temperatures above 120 °C, the DLO effect favored longer service life for NBR. The mass transport simulation corroborated these results, highlighting NBR's tendency towards DLO formation and the influence of specimen length on the reaction rate.