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Autori: Peter Schäfer e Lorena Casasola | Ottobre 2026 | Articolo
I punti chiave in sintesi
- L’idrogeno presenta una bassa solubilità negli elastomeri, ma si diffonde rapidamente attraverso di essi: La permeazione, determinata sia dalla solubilità sia dalla diffusione, dipende dalla famiglia del polimero e dallo specifico compound, con differenze significative persino all’interno della stessa famiglia di polimeri. Le prove di tenuta indicano che la permeazione attraverso il materiale è la causa principale della perdita di gas.
- Gli elastomeri idonei mostrano una buona resistenza: Le prove di invecchiamento condotte in idrogeno puro al 100 per cento a diverse temperature evidenziano prevalentemente solo variazioni minime delle proprietà dei materiali esaminati durante i periodi di prova.
- Nuove prove ampliano la base di dati: Le prove di permeazione secondo la norma ISO 15105-1, eseguite in conformità al programma di prova dell’Associazione tecnica e scientifica tedesca per il gas e l’acqua (DVGW), forniscono dati aggiuntivi sui materiali FKM, HNBR, NBR ed EPDM con durezza compresa tra 70 e 75 Shore A. Oltre alle precedenti prove ad alte pressioni e temperature, le prove sono state ora condotte a 23 gradi Celsius e 1 bar in idrogeno puro al 100 per cento.
Nella scelta dei materiali di tenuta per l’idrogeno, i soli dati teorici sui materiali non sono sufficienti. Ciò che conta è il comportamento di uno specifico materiale in condizioni reali definite in presenza di idrogeno. I dati empirici ottenuti dalle prove costituiscono la base per la validazione delle tenute in elastomero destinate all’idrogeno.
Angst+Pfister amplia continuamente questa base di dati attraverso prove condotte nelle condizioni reali delle applicazioni a idrogeno. I risultati consentono di selezionare i materiali in modo più mirato in funzione delle rispettive condizioni operative e di progettare di conseguenza le soluzioni di tenuta.
La sfida: rapida diffusione dell’idrogeno e pressioni elevate
Date le dimensioni estremamente ridotte delle sue molecole, l’idrogeno molecolare attraversa rapidamente gli elastomeri. La sua solubilità nel materiale è bassa: il gas permane solo in minima parte nell’elastomero e si diffonde invece rapidamente attraverso di esso. L’entità della permeazione dell’idrogeno attraverso un materiale di tenuta dipende dal polimero, dalla formulazione specifica del materiale, dalla temperatura e dalla pressione.
I requisiti posti ai sistemi di tenuta sono quindi particolarmente elevati. L’idrogeno forma miscele infiammabili con l’aria a concentrazioni comprese tra circa il 4 e il 75 percento in volume. Con un’energia di accensione di circa 0,02 millijoule, anche una piccola scintilla può fornire energia sufficiente per l’innesco. Allo stesso tempo, le condizioni operative possono essere estreme: le applicazioni con idrogeno coprono temperature comprese tra circa –240 e +200 gradi Celsius e pressioni fino a 1000 bar.
Le pressioni elevate comportano un ulteriore rischio: durante la decompressione rapida del gas (RGD), il gas disciolto nell’elastomero può espandersi rapidamente durante la depressurizzazione, causando bolle, crepe o cavità nel materiale. Oltre a garantire una bassa permeazione, i sistemi di tenuta devono quindi essere progettati per le rispettive condizioni operative.
La soluzione: le prove sperimentali forniscono dati affidabili
Angst+Pfister sottopone gli elastomeri a prove in condizioni definite in presenza di idrogeno. Le prove di permeazione e di tenuta su materiali con durezza di 90 Shore A, ad esempio, sono state condotte a 100 gradi Celsius e 150 bar in idrogeno al 100 percento. Le prove di decompressione rapida del gas e le prove di invecchiamento della durata massima di 28 giorni forniscono ulteriori dati per la selezione dei materiali.
Per i materiali più morbidi con durezza da 70 a 75 Shore A, le prove di permeazione secondo la norma ISO 15105-1, in conformità con il programma di prova dell’Associazione tecnico-scientifica tedesca per il gas e l’acqua (DVGW), ampliano la base di dati per le applicazioni a pressioni moderate. Anche queste prove vengono condotte con idrogeno al 100 percento.
Per le guarnizioni ad alta pressione, l’analisi agli elementi finiti (FEA) integra le prove sperimentali. Angst+Pfister la utilizza per simulare il comportamento dei sistemi di tenuta nelle rispettive condizioni operative. Ciò consente, ad esempio, di analizzare la distribuzione delle sollecitazioni e la forza di tenuta e di armonizzare la geometria della guarnizione, il materiale e gli elementi di supporto.
Risultati e prove di prestazione
Permeabilità degli elastomeri all’idrogeno
| Mescola | Durezza (Shore A) | Permeabilità* |
|---|---|---|
| FKM HITEC | 75 | 164 |
| HNBR | 70 | 360 |
| PERTEC® CIP FKM | 75 | 489 |
| HNBR | 70 | 582 |
| NBR | 70 | 638 |
| EPDM DW | 70 | 1'049 |
* Unità di permeabilità (cm³ × mm) / (m² × 24 h × bar)
Metodo di prova ISO 15105-1 in conformità con DVGW CERT ZP 5101:2021
Condizioni di prova 23 °C, 1 bar, 100% H₂
Provini lastre di 2 mm di spessore
Invecchiamento in idrogeno al 100% – Variazione delle principali proprietà dei materiali dopo 28 giorni
Prove di invecchiamento più recenti in idrogeno al 100 percento forniscono ulteriori risultati. Per cinque mescole esaminate nella fascia di durezza di 90 Shore A, sono state valutate le variazioni di durezza, volume, modulo, resistenza alla trazione e allungamento a rottura dopo un periodo massimo di 28 giorni. A 136 e 151 gradi Celsius non sono stati osservati effetti significativi. A 151 gradi Celsius, una mescola HNBR ha mostrato variazioni leggermente maggiori delle proprietà meccaniche, come previsto, poiché questa temperatura corrisponde al limite superiore della temperatura di esercizio per questa famiglia polimerica.
Per lo più nessuna variazione significativa; variazioni più marcate in singoli valori delle prove di trazione per HNBR 90 Shore A-2.
Materiali per sistemi di tenuta per l’idrogeno
Per la selezione dei materiali, Angst+Pfister si affida a materiali validati oppure li sottopone a prove per l’applicazione specifica. L’idrogeno è il criterio centrale. Anche le condizioni operative, come la temperatura, la pressione e la progettazione della guarnizione, sono determinanti. Negli elettrolizzatori, ad esempio, le guarnizioni entrano in contatto anche con ossigeno o altri fluidi.
Per l’idrogeno gassoso sono disponibili elastomeri testati appartenenti, tra le altre, alle famiglie polimeriche FKM, HNBR ed EPDM. Lo stato di aggregazione fa una differenza significativa: con l’idrogeno liquido, le temperature raggiungono circa -250 gradi Celsius. Per queste applicazioni vengono utilizzate mescole di PTFE, che richiedono concetti di tenuta specifici per tenere conto delle loro particolari proprietà meccaniche e dell’ampio intervallo di temperatura.
| Materiale | Intervallo di temperatura | Intervallo di pressione |
|---|---|---|
| FKM | Da -25 a +200 °C Mescole speciali fino a -60 °C |
30 MPa con anello antiestrusione fino a 95 MPa |
| HNBR | Da -50 a +165 °C | 30 MPa con anello antiestrusione fino a 95 MPa |
| EPDM | Da -50 a +150 °C Mescole speciali fino a -60 °C |
30 MPa con anello antiestrusione fino a 95 MPa |
| NBR | Da -50 a +110 °C | 30 MPa con anello antiestrusione fino a 95 MPa |
| TPU | Da -55 a +100 °C Mescole speciali fino a +125 °C |
50 MPa con anello antiestrusione fino a 70 MPa |
| PTFE modificato ad es. Kelfoy 121 |
Da -200 a +260 °C | 50 MPa con anello antiestrusione fino a 100 MPa |
| PEEK | Da -65 a +240 °C | 100 MPa |
Esempi applicativi: dallo stoccaggio ad alta pressione ai sistemi di collegamento
Esempi applicativi reali di Angst+Pfister dimostrano come le competenze sui materiali e in ambito ingegneristico si traducano in soluzioni concrete.
Valvole e valvole di scarico della pressione per sistemi di stoccaggio dell’idrogeno
Angst+Pfister vanta una vasta esperienza nelle soluzioni di tenuta per valvole ad alta pressione nei sistemi di stoccaggio dell’idrogeno. Tra queste figurano valvole combinate e valvole di scarico della pressione ad attivazione termica per sistemi di stoccaggio a 700 bar. A seconda della funzione e delle sollecitazioni, vengono adottati diversi concetti di tenuta: per le applicazioni statiche, ad esempio, elastomeri come HNBR, FKM, EPDM o NBR; per le applicazioni dinamiche, tra le altre soluzioni, guarnizioni in PTFE rinforzate e precaricate a molla. Le applicazioni documentate coprono pressioni da 700 a 900 bar e temperature da –40 a +120 gradi Celsius.
Le valvole combinate e le valvole di sicurezza attivate termicamente vengono utilizzate nei sistemi di stoccaggio dell’idrogeno a 700 bar.
Il concetto di tenuta dipende dalla funzione e dal carico. Nelle posizioni statiche possono essere utilizzati elastomeri selezionati, mentre nelle posizioni dinamiche possono essere impiegate tenute in PTFE rinforzate o energizzate a molla.
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Sistemi di tubazioni e collegamento
Sistemi di tubazioni e collegamento: Angst+Pfister offre diverse soluzioni per raccordi, flange e innesti rapidi. La gamma si estende dalla pressione atmosferica fino a 900 bar e fino alla temperatura criogenica di –250 gradi Celsius. Per i raccordi e gli innesti rapidi vengono utilizzati, tra gli altri, elastomeri e TPU, mentre per le guarnizioni piane a contatto con idrogeno criogenico viene impiegato PTFE modificato. Gli anelli antiestrusione possono essere realizzati in PTFE o PEEK.
- Raccordi filettati per tubazioni
- Flange
- Innesti rapidi
atm · 350 · 700 · 900 bar
Da -250 °C (LH₂) a +120 °C
Raccordi filettati per tubazioni e innesti rapidi:
HNBR, FKM, EPDM, NBR, TPU
Guarnizioni piane per applicazioni criogeniche (LH₂):
PTFE modificato
Anelli antiestrusione:
PTFE o PEEK
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Tenuta MUPU®* per lo stoccaggio di idrogeno ad alta pressione
Per le applicazioni di stoccaggio particolarmente impegnative, Angst+Pfister ha sviluppato la soluzione di tenuta Mupu®, composta dalla speciale mescola di PTFE Kefloy® 121, da un elemento elastico in PEEK e da un anello di supporto angolare antiestrusione. Il design non utilizza elementi di tenuta metallici o elastomerici: ciò elimina l’infragilimento da idrogeno degli elementi di tenuta metallici e la decompressione rapida del gas negli elastomeri. Nei test con acqua, la soluzione ha completato 100’000 cicli di pressione da 30 a 1000 bar e ritorno a 30 bar. Sono seguiti, nel test con idrogeno, 60’000 cicli da oltre 950 a 500 bar e ritorno a oltre 950 bar.
*Mupu® è un marchio di OL Seals A/S – membro del Gruppo Angst+Pfister
Soluzione di tenuta per applicazioni esigenti di stoccaggio dell’idrogeno.
Pressione: 1.000 bar
Temperatura: da -15 °C a +50 °C
- Kefloy® 121 = PTFE modificato di O.L.-Seals A/S (membro del gruppo Angst+Pfister)
- Elemento a molla in PEEK
- Anello di supporto angolare antiestrusione
- Nessun elemento di tenuta metallico
- Nessun elemento di tenuta elastomerico
- Nessun componente di tenuta elastomerico
Acqua:
100.000 cicli
30 → 1.000 → 30 bar
Idrogeno:
60.000 cicli
>950 → 500 → >950 bar
Conclusioni
Non è solo il materiale a essere determinante, ma la sua interazione con la progettazione della guarnizione e le condizioni operative. La selezione dei materiali per le applicazioni con idrogeno dovrebbe basarsi su dati di prova affidabili. Le indagini di Angst+Pfister forniscono a questo scopo una base di dati in continua crescita, ottenuti in condizioni definite in presenza di idrogeno.
Prove di invecchiamento più recenti in idrogeno al 100 percento mostrano lievi variazioni delle proprietà dei materiali esaminati. Le nuove prove di permeazione DVGW con elastomeri più morbidi, con durezza da 70 a 75 Shore A, ampliano la base di dati e confermano che la permeazione è influenzata non solo dal tipo di polimero, ma anche dalla specifica formulazione del materiale.
Per Angst+Pfister, ciò costituisce la base per selezionare materiali esistenti idonei e sviluppare soluzioni di tenuta specifiche per ogni applicazione in collaborazione con i clienti.
Domande frequenti (FAQ)
In che modo la permeazione dell'idrogeno nelle guarnizioni in elastomero differisce fondamentalmente dalle altre perdite di gas?
Waterstofpermeatie in elastomere afdichtingen wordt primair bepaald door snelle diffusie. Vanwege zijn kleine moleculaire grootte beweegt waterstof zich gemakkelijk door het vrije volume tussen de polymeerketens in de rubbermatrix. In plaats van zich op te hopen in het elastomeer, diffundeert waterstof (H₂) door het afdichtingslichaam met aanzienlijk hogere snelheden dan grotere moleculen zoals stikstof of methaan. Om permeatie tot een minimum te beperken, zijn compounds met een hoge vernettingsdichtheid, speciale vulstoffen en strakke moleculaire structuren vereist om gastransport onder dynamische en statische drukken te remmen.
Le guarnizioni da 70 ShA possono essere utilizzate in sicurezza nelle applicazioni a idrogeno o sono obbligatori i composti da 90 ShA?
Sebbene i composti da 90 ShA (Shore A) siano tradizionalmente specificati per applicazioni estreme ad alta pressione (700–1000 bar) per garantire un'elevata resistenza all'estrusione, i più recenti test di permeazione empirici DVGW confermano che gli elastomeri da 70 ShA appositamente formulati offrono un elevato livello di sicurezza operativa nei sistemi a idrogeno a bassa e moderata pressione. Le guarnizioni più morbide da 70 ShA offrono un'eccellente conformabilità, minori forze di contatto richieste nello spazio di installazione e una tenuta migliorata su superfici di tenuta irregolari. A seguito della validazione tramite test di permeazione DVGW standardizzati, questi composti più morbidi mostrano tassi di permeazione stabili e un eccellente recupero elastico senza compromettere l'integrità del sistema.
Perché sono necessari test di invecchiamento in idrogeno al 100% quando sono già disponibili dati teorici sui materiali?
I dati teorici sui materiali e i test standard di invecchiamento termico in aria o azoto non tengono conto dell'interazione chimica e fisica unica tra l'idrogeno puro e le matrici elastomeriche sotto pressione e temperatura. I test di invecchiamento a lungo termine in autoclave in un'atmosfera al 100% di H₂ analizzano come il contatto prolungato con l'idrogeno influenzi le proprietà dei materiali come durezza, volume, modulo, resistenza a trazione e allungamento a rottura. I test di esposizione empirici mostrano come le proprietà dei materiali cambino per periodi prolungati in condizioni di idrogeno definite, fornendo così agli ingegneri dati validati anziché ipotesi puramente teoriche.
In che modo le guarnizioni in PTFE come Mupu®Seal affrontano i rischi di perdite di idrogeno ad alta pressione e di rapida decompressione dei gas?
Mupu®Seal è stato sviluppato per applicazioni esigenti ad alta pressione e combina lo speciale composto in PTFE Kefloy® 121, un elemento a molla in PEEK e un anello di supporto d'angolo contro l'estrusione. Il design non utilizza elementi di tenuta metallici o elastomerici. Ciò elimina la fragilizzazione da idrogeno degli elementi di tenuta metallici e la rapida decompressione dei gas degli elastomeri. Con l'acqua, la soluzione ha completato 100.000 cicli di pressione da 30 a 1000 e ritorno a 30 bar. Nel test con idrogeno, a ciò sono seguiti 60.000 cicli da oltre 950 a 500 e ritorno a oltre 950 bar.
Come può essere trasferita la validazione dei materiali per le guarnizioni a idrogeno alle applicazioni di CO₂ e CCUS?
L’hydrogène (H₂) et le dioxyde de carbone (CO₂) présentent des défis différents pour les systèmes d’étanchéité. L’hydrogène se caractérise par des taux élevés de diffusion et de perméation, tandis que le CO₂ se dissout dans le polymère, contrairement au H₂, provoquant son gonflement et rendant particulièrement importante la résistance à la décompression rapide des gaz (RGD). L’expérience acquise en matière de matériaux, de méthodes d’essai et de conception des joints dans les applications utilisant de l’hydrogène peut donc servir à développer des solutions pour le CO₂ et le CCUS. Toutefois, l’adéquation d’un matériau doit également être vérifiée pour le fluide concerné et les conditions de fonctionnement spécifiques.
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Gli autori
Peter Schäfer è Senior Engineering Leader e Lorena Casasola ingegnera dei materiali presso Angst+Pfister. La loro attività si concentra sullo sviluppo e sulla validazione di soluzioni di tenuta e materiali per applicazioni complesse, in particolare nel settore dell’idrogeno.
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