Le polyuréthane prouve qu'il est idéal pour les joints d'étanchéité de l'énergie éolienne

Par Contributeur WPED | 16 octobre 2020

Par Kurt Sassmannshausen, responsable du développement de produits, System Seals

Alors que le caoutchouc nitrile butadiène (NBR) est un élément de base des joints d'étanchéité des éoliennes depuis des décennies, les progrès dans les formules de polyuréthane, le traitement et la conception des joints mettent rapidement de côté la place du NBR dans l'industrie. Les qualités qui s'avèrent les plus bénéfiques comprennent la résistance à l'abrasion, la compatibilité avec les fluides, la résistance à l'ozone, la résistance mécanique et la capacité à conserver toutes ces propriétés à basse température.

Le polyuréthane est devenu un matériau idéal pour les joints des roulements principaux/générateurs, de tangage et de lacet. Néanmoins, le simple échange de matériaux sur des conceptions existantes ne suffit souvent pas. Les joints doivent être conçus en pensant au polyuréthane.

Une façon d’évaluer la résistance à l’abrasion du polyuréthane est le test standardisé sur tambour abrasif, tel que ASTM D5963. Ceci est souvent réservé à l’évaluation des caoutchoucs, mais il est également efficace pour les polyuréthanes, notamment pour comparer les taux d’usure. Vous trouverez ci-dessous les valeurs de l'indice de résistance à l'abrasion pour divers matériaux testés chez System Seals à Cleveland. Notez que tandis que le NBR et le HNBR indiquent un ARI d'environ 1,5, le polyuréthane indique un ARI de 4 à 8. Il s'agit d'une amélioration pouvant aller jusqu'à six fois.

Figure 1 : ARI des élastomères et polyuréthane

Le polyuréthane conserve sa valeur ARI au fil du temps et après exposition à une large gamme de fluides, notamment les fluides à base d'huile. Une façon de déterminer cela consiste à faire vieillir les échantillons d'abrasion ASTM D5963 dans des fluides pendant 90 jours à 100°C (80°C pour les fluides à base d'eau) et à répéter le test tous les 30 jours. Vous trouverez ci-dessous des résultats typiques, mais une confirmation pour chaque fluide est recommandée.

Figure 2 : Rétention ARI du NBR et du PU résistant à l'hydrolyse après vieillissement dans l'eau distillée à 80°C

Figure 3 : Rétention ARI du NBR et du PU résistant à l'hydrolyse après vieillissement dans de l'huile minérale distillée à 100°C

Alors que les fiches techniques indiquent la compatibilité des fluides dès le départ, des tests de vieillissement accélérés – ou des années d’exécution d’application – devraient déterminer les performances et la stabilité à long terme d’un matériau exposé à un fluide particulier. System Seals effectue des tests de compatibilité des fluides pendant 90 jours, contre 168 heures pour les tests standard de l'industrie, car System Seals a systématiquement constaté des changements significatifs dans les propriétés critiques des matériaux bien après 168 heures de contact avec le fluide.

Par rapport au NBR, les polyuréthanes formulés sur mesure démontrent une meilleure résistance aux fluides avec les graisses les plus courantes dans l’industrie éolienne. Vous trouverez ci-dessous un tableau de compatibilité pour ces graisses populaires.

Figure 4 : Scores de vieillissement dans la graisse ; plus bas c'est mieux

Le NBR est notoirement sensible à l’ozonolyse – lorsque les molécules d’ozone séparent les liaisons chimiques du NBR insaturé. La fissuration par l'ozone est courante lorsque le NBR subit des contraintes, même minimes. Une solution consiste à infuser le NBR avec des cires, qui créent une barrière anti-ozone qui protège le NBR. Malheureusement, les cires ne modifient pas la liaison chimique du NBR. Si le NBR est exposé à des conditions environnementales qui éliminent la cire, il redevient susceptible de se dégrader. Certains polyuréthanes spéciaux utilisés dans les joints d’étanchéité pour l’énergie éolienne sont naturellement résistants à l’ozone.

Le polyuréthane a un module de traction, une résistance et un allongement deux à trois fois supérieurs à ceux de la plupart des NBR. Pour cette raison, les joints en polyuréthane sont capables de résister à une plus grande déformation mécanique et de supporter des charges mécaniques plus élevées.

Un NBR typique a un module de traction de 10 à 15 MPa et une résistance à la traction de 20 MPa. La plupart des polyuréthanes ont un module de 45 à 60 MPa et une résistance à la traction de 50 à 60 MPa. Cela se traduit par un matériau plus rigide et moins souple que le NBR, ce qui signifie une meilleure rétention de forme sous pression et une capacité de charge de contrainte plus élevée.

Les températures élevées ne constituent généralement pas un problème dans les applications éoliennes. Cependant, selon l'emplacement et l'altitude, une température minimale de -40°C n'est pas rare. Une température de service minimale pour le NBR standard pourrait être de -20 °C, alors que de nombreux polyuréthanes destinés à l'énergie éolienne ne sont pas affectés jusqu'à -40 °C, comme déterminé par analyse mécanique dynamique.