Oli biodegradabili e guarnizioni: come evitare rigonfiamenti

Il settore idraulico ha registrato una transizione progressiva nei fluidi di lavoro. L’adozione di oli idraulici biodegradabili è in aumento in applicazioni che vanno dai macchinari agricoli alle presse industriali, spinta da normative ambientali e da capitolati sempre più stringenti delle filiere di fornitura.

Questa transizione porta con sé un problema che molti progettisti e responsabili della manutenzione scoprono al primo guasto: gli oli biodegradabili non si comportano come i fluidi minerali nei confronti degli elastomeri. Le guarnizioni progettate per funzionare con oli minerali possono rigonfiare, perdere durezza, uscire dalle sedi e cedere in tempi molto più brevi del previsto. Il risultato è il fermo macchina, con costi diretti e indiretti difficilmente recuperabili su impianti remoti o in produzione continua.

Perché gli oli biodegradabili aggrediscono gli elastomeri

Gli oli minerali sono miscele di idrocarburi apolari. La loro interazione con gli elastomeri convenzionali è contenuta perché fluido e polimero hanno polarità simili. Gli oli biodegradabili sono nella maggior parte dei casi fluidi a base estere, come trigliceridi vegetali o esteri sintetici, con un grado di polarità più elevato.

Il rigonfiamento avviene quando le molecole del fluido penetrano nella matrice polimerica e si inseriscono tra le catene, aumentando il volume del materiale. La velocità e l’entità del fenomeno dipendono dalla compatibilità chimica tra fluido ed elastomero: un fluido polare tende a diffondersi in un polimero di polarità analoga. La gomma nitrilica (NBR), sviluppata per resistere agli oli minerali, presenta gruppi nitrile polari lungo la catena polimerica. Sono questi gruppi a renderla vulnerabile agli esteri biodegradabili, con rigonfiamenti volumetrici che in condizioni di esposizione prolungata possono superare il 20%.

Le famiglie di fluidi biodegradabili e il loro profilo di aggressività

La norma ISO 15380 classifica i fluidi idraulici biodegradabili in quattro famiglie con comportamenti molto diversi nei confronti degli elastomeri.

• I fluidi HETG, derivati da trigliceridi vegetali come l’olio di colza, hanno polarità elevata e contenuto esterico che li rende aggressivi verso l’NBR. La loro stabilità termica è limitata e tendono all’ossidazione, un processo che produce composti secondari capaci di degradare ulteriormente il compound della guarnizione.
• I fluidi HEES, esteri sintetici, sono più stabili termicamente degli HETG. In alcune formulazioni risultano meno aggressivi sull’NBR, ma mantengono un profilo esterico sufficiente a causare rigonfiamento significativo. Sono la famiglia più diffusa nelle applicazioni industriali ad alte prestazioni.
• I fluidi HEPG, a base di poliglicoli, hanno una chimica radicalmente diversa. Non sono compatibili con molti elastomeri convenzionali, inclusi alcuni gradi di FKM, e il loro comportamento in presenza di umidità li rende particolarmente aggressivi. La selezione degli elastomeri per impianti con HEPG richiede una verifica specifica sul fluido esatto in uso.
• I fluidi HEPR, polialfaolefine e prodotti affini, si comportano in modo simile agli oli minerali e presentano i problemi di compatibilità meno severi. Vengono spesso utilizzati in applicazioni che richiedono buona resistenza alle basse temperature.

Cosa succede quando una guarnizione rigonfia

Un rigonfiamento del 5-8% in volume può essere accettabile in alcune applicazioni statiche. L’elastomero rimane funzionale e le dimensioni aumentano entro i margini tollerabili dalla sede. Superata questa soglia, le conseguenze diventano operative.

Tra il 10 e il 15% di rigonfiamento volumetrico, le interferenze con le parti in moto diventano concrete:

• I pistoni faticano a scorrere e gli attriti aumentati scaricano calore nel fluido, accelerando l’invecchiamento del compound.
• Le valvole si inceppano e perdono la ripetibilità di apertura.
• La durezza Shore cala: un elastomero Shore A 70 può scendere sotto Shore A 55, con perdita di resistenza all’estrusione nelle cave degli steli e nelle sedi flangiate.

In condizioni di alta pressione, il materiale ammorbidito tende a fluire nello spazio libero tra pistone e cilindro con deformazione permanente.

L’esposizione prolungata agli esteri biodegradabili può anche estrarre plastificanti e additivi dalla mescola, lasciando il materiale fragile e soggetto a fratture superficiali. Le particelle rilasciate nel circuito idraulico possono ostruire valvole e danneggiare le superfici delle pompe.

Compatibilità dei materiali con i fluidi biodegradabili

FKM è il materiale di riferimento per le applicazioni con HEES e HETG. Il basso contenuto di idrogeno e la densità elettronica della catena fluorurata lo rendono chimicamente inerte nei confronti degli esteri: il rigonfiamento in HEES è tipicamente inferiore al 3-5%. Il limite è la bassa temperatura. I gradi standard mantengono le proprietà elastiche fino a circa -20 °C; per impianti con escursioni termiche più ampie, i gradi FKM GLT sono formulati per mantenere la flessibilità fino a -40 °C.

L’FKM standard presenta però una vulnerabilità specifica con alcuni fluidi HEPG, dove il rigonfiamento può essere superiore a quello dell’NBR. Questa eccezione rende necessaria la verifica con il fluido specifico prima di estendere la scelta dell’FKM a tutti i fluidi biodegradabili.

HNBR, versione idrogenata dell’NBR, ha una resistenza chimica migliorata grazie alla riduzione dei doppi legami nella catena polimerica. Con fluidi HEES a bassa aggressività e temperature moderate, offre prestazioni accettabili a un costo inferiore all’FKM. Per applicazioni con HETG o con fluidi ossidati, la resistenza risulta insufficiente.

EPDM è incompatibile con oli minerali e con la maggior parte degli esteri, ma offre buona resistenza ad alcuni fluidi HEPG e a liquidi a base acquosa. La sua selezione in impianti che potrebbero contenere residui di olio minerale, come accade nelle transizioni da fluido convenzionale a biodegradabile, è un rischio concreto.

PTFE e i fluoropolimeri offrono compatibilità con tutti i fluidi biodegradabili, inclusi i HEPG più aggressivi. Per backup ring, anelli di supporto e applicazioni dove la deformazione elastica non è richiesta, rappresentano la soluzione priva di incognite.

Pressioni crescenti e tolleranze: il fattore moltiplicatore

I sistemi oleodinamici moderni lavorano a pressioni crescenti, in alcune applicazioni oltre i 420-450 bar, e questo amplifica le conseguenze del rigonfiamento. Un elastomero che resiste bene a 250 bar con un fluido minerale può estendersi alle stesse pressioni con un HEES se il materiale ha perso durezza per assorbimento del fluido.

La geometria della cava e le tolleranze di accoppiamento diventano in queste condizioni variabili critiche quanto il materiale stesso. Lo spazio libero tra pistone e cilindro deve rientrare nei limiti definiti dalla norma ISO 5597 per evitare l’estrusione dell’elastomero. Quando una guarnizione in NBR viene sostituita con FKM per compatibilità chimica, la differenza di durezza Shore tra i due materiali può richiedere una revisione del progetto della cava, o l’adozione di backup ring in PTFE che riducono lo spazio disponibile per l’estrusione indipendentemente dalla durezza dell’elastomero.

La riduzione degli attriti interni, necessaria per l’efficienza energetica del sistema idraulico, introduce una complessità aggiuntiva. Le guarnizioni a basso attrito lavorano spesso con labbri sottili o con rivestimenti PTFE calibrati sulla geometria nominale del compound base. Un rigonfiamento anche contenuto di quest’ultimo altera le quote di contatto del labbro, con effetti sul profilo di attrito e sulla distribuzione del carico di tenuta.

Le soluzioni ITG per sistemi idraulici con fluidi biodegradabili

ITG produce guarnizioni per oleodinamica e pneumatica con un processo che include la formulazione del compound. Questo consente di intervenire sulla composizione della mescola in funzione del fluido biodegradabile specifico e delle condizioni operative: tipo di fluido ISO 15380, pressione massima, range di temperatura, frequenza dei cicli di pressurizzazione.

Per gli impianti che effettuano la transizione da olio minerale a biodegradabile, ITG supporta il processo in modo strutturato:

• Analisi delle guarnizioni in uso per identificare i materiali a rischio.
• Proposta di sostituzioni con compound compatibili con il nuovo fluido, mantenendo le dimensioni nominali.

Le tabelle di compatibilità generali orientano la selezione, ma la verifica finale deve essere condotta sul fluido specifico in uso. La stessa famiglia HEES può avere formulazioni con aggressività molto diverse a seconda del produttore e degli additivi presenti.

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