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Identification of swelling/shrinking coefficients under CO₂ on an FKM O-ring – Comparison with HNBR and influence of reinforcements on the matrices

Identification des coefficients de gonflement/retrait sous CO2 sur un joint torique en FKM – Comparaison avec le HNBR et influence des renforts sur les matrices

¹ Institut Pprime, CNRS, ISAE-ENSMA, Université de Poitiers, F-86962 Futuroscope, France
² Centre Technique des Industries Mécaniques, F-44308 Nantes Cedex 3, France

^* e-mail: eric.laine@ensma.fr

Received: 5 January 2022
Accepted: 22 June 2022

Abstract

A better understanding of elastomers’ behavior during Rapid Gas Decompression (RGD) requires advanced knowledge of what is happening during gas sorption and desorption. This will offer to improve numerical simulation phenomena to consider a real environmental use of an O-ring, as for thermal applications. A previous experimental study developed testing protocols to investigate the performance of elastomeric O-rings. The non-contact measurement technique has been validated to identify the swelling and shrinking coefficients during sorption and desorption of carbon dioxide (CO₂) from a Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber (HNBR) O-ring. The present work describes the effect of CO₂ pressures on Fluorocarbon rubber (FKM) seals behavior coupled with temperature. To evaluate the effect of reinforcing the HNBR and FKM matrices with nanofillers, experimental tests were carried out and compared with those of the two elastomers without fillers. The four materials’ CO₂ sorption and desorption coefficients are identified, and their swelling upon decompression is measured. It appears that HNBR is the best candidate under the applied service conditions. On the other hand, the nanofillers introduced in the elastomers may cause some early damages under RGD conditions.

Résumé

Une meilleure compréhension du comportement des élastomères pendant la décompression rapide des gaz (RGD) nécessite une connaissance avancée de ce qui se passe pendant la sorption et la désorption des gaz. Ceci permettra d’améliorer la simulation numérique de ces phénomènes afin de considérer une utilisation environnementale réelle d’un joint torique, comme pour les applications thermiques. Une étude expérimentale précédente a développé des protocoles d’essai pour étudier la performance des joints toriques en élastomère. La technique de mesure sans contact a été validée pour identifier les coefficients de gonflement et de retrait pendant la sorption et la désorption au dioxyde de carbone (CO₂) d’un joint torique en caoutchouc nitrile butadiène hydrogéné (HNBR). Le présent travail décrit l’effet des pressions de CO₂ sur le comportement des joints en caoutchouc fluorocarboné (FKM) couplé à la température. Pour évaluer l’effet du renforcement des matrices HNBR et FKM avec des nanocharges, des tests expérimentaux ont été réalisés et comparés à ceux des deux élastomères sans charges. Les coefficients de sorption et de désorption sous CO₂ des quatre matériaux sont identifiés, et leur gonflement lors de la décompression est mesuré. Il apparaît que le HNBR est le meilleur candidat dans les conditions de service appliquées. D’autre part, les nanocharges introduites dans les élastomères peuvent entraîner des dommages précoces dans des conditions de RGD.