Udostępnij teraz
Autorzy: Peter Schäfer i Lorena Casasola | Październik 2026 | Artykuł
Najważniejsze informacje w skrócie
- Wodór charakteryzuje się niską rozpuszczalnością w elastomerach, ale szybko przez nie dyfunduje: Przenikanie, które zależy zarówno od rozpuszczalności, jak i dyfuzji, jest uzależnione od rodziny polimerów oraz konkretnej mieszanki, przy czym znaczące różnice występują nawet w obrębie tej samej rodziny polimerów. Badania szczelności wskazują, że przenikanie przez materiał jest główną przyczyną utraty gazu.
- Odpowiednie elastomery wykazują dobrą odporność: Badania starzeniowe przeprowadzone w 100-procentowym wodorze przy różnych temperaturach wykazują przeważnie jedynie niewielkie zmiany właściwości badanych materiałów w analizowanych okresach.
- Nowe badania poszerzają bazę danych: Badania przenikania zgodne z normą ISO 15105-1 i programem badawczym Niemieckiego Stowarzyszenia Technicznego i Naukowego Branży Gazu i Wody (DVGW) dostarczają dodatkowych danych dotyczących materiałów FKM, HNBR, NBR i EPDM o twardości od 70 do 75 Shore A. Oprócz wcześniejszych badań prowadzonych przy wysokich ciśnieniach i temperaturach przeprowadzono obecnie badania przy 23 stopniach Celsjusza i ciśnieniu 1 bar w 100-procentowym wodorze.
Przy wyborze materiałów uszczelniających do zastosowań wodorowych same teoretyczne dane materiałowe nie są wystarczające. Kluczowe znaczenie ma zachowanie konkretnego materiału w określonych rzeczywistych warunkach w kontakcie z wodorem. Empiryczne dane z badań stanowią podstawę walidacji uszczelnień elastomerowych przeznaczonych do wodoru.
Angst+Pfister stale poszerza tę bazę danych poprzez badania prowadzone w rzeczywistych warunkach zastosowań wodorowych. Wyniki umożliwiają bardziej precyzyjny dobór materiałów do konkretnych warunków eksploatacji oraz odpowiednie projektowanie rozwiązań uszczelniających.
Wyzwanie: Szybka dyfuzja wodoru i wysokie ciśnienia
Ze względu na bardzo małe cząsteczki wodór molekularny szybko przemieszcza się przez elastomery. Jego rozpuszczalność w materiale jest niska: gaz niemal nie pozostaje w elastomerze, lecz szybko przez niego dyfunduje. Stopień, w jakim wodór przenika przez materiał uszczelniający, zależy od polimeru, konkretnej formuły materiałowej, temperatury oraz ciśnienia.
Wymagania stawiane systemom uszczelniającym są odpowiednio wysokie. Wodór tworzy łatwopalne mieszaniny z powietrzem w stężeniach od około 4 do 75 procent objętościowych. Przy energii zapłonu wynoszącej około 0,02 milidżula nawet niewielka iskra może dostarczyć wystarczającej energii do zapłonu. Jednocześnie warunki robocze mogą być ekstremalne: zastosowania wodorowe obejmują temperatury od około –240 do +200 stopni Celsjusza oraz ciśnienia sięgające do 1000 barów.
Wysokie ciśnienia stanowią kolejne zagrożenie: podczas gwałtownej dekompresji gazu (RGD) gaz rozpuszczony w elastomerze może gwałtownie rozprężyć się podczas obniżania ciśnienia, powodując pęcherze, pęknięcia lub kawerny w materiale. Oprócz niskiej permeacji systemy uszczelniające muszą zatem być zaprojektowane pod kątem konkretnych warunków roboczych.
Rozwiązanie: badania empiryczne dostarczają wiarygodnych danych
Angst+Pfister bada elastomery w określonych warunkach w środowisku wodoru. Przykładowo, badania przenikania i szczelności materiałów o twardości 90 Shore A przeprowadzono w temperaturze 100 stopni Celsjusza i przy ciśnieniu 150 bar w 100-procentowym wodorze. Badania gwałtownej dekompresji gazu oraz badania starzeniowe trwające do 28 dni dostarczają dodatkowych danych do doboru materiałów.
W przypadku bardziej miękkich materiałów o twardości od 70 do 75 Shore A badania przenikania według ISO 15105-1, zgodne z programem badań Niemieckiego Stowarzyszenia Techniczno-Naukowego Gazu i Wody (DVGW), poszerzają bazę danych dla zastosowań przy umiarkowanych ciśnieniach. Badania te również przeprowadza się w 100-procentowym wodorze.
W przypadku uszczelnień wysokociśnieniowych analizę metodą elementów skończonych (FEA) stosuje się jako uzupełnienie badań empirycznych. Angst+Pfister wykorzystuje ją do symulacji zachowania systemów uszczelniających w danych warunkach pracy. Umożliwia to na przykład analizę rozkładu naprężeń i siły uszczelniającej oraz wzajemne dopasowanie geometrii uszczelnienia, materiału i elementów podporowych.
Wyniki / potwierdzenie wydajności
Rozwiązanie: badania empiryczne dostarczają wiarygodnych danych
Angst+Pfister bada elastomery w określonych warunkach w środowisku wodoru. Przykładowo, badania przenikania i szczelności materiałów o twardości 90 Shore A przeprowadzono w temperaturze 100 stopni Celsjusza i przy ciśnieniu 150 bar w 100-procentowym wodorze. Badania gwałtownej dekompresji gazu oraz badania starzeniowe trwające do 28 dni dostarczają dodatkowych danych do doboru materiałów.
W przypadku bardziej miękkich materiałów o twardości od 70 do 75 Shore A badania przenikania według ISO 15105-1, zgodne z programem badań Niemieckiego Stowarzyszenia Techniczno-Naukowego Gazu i Wody (DVGW), poszerzają bazę danych dla zastosowań przy umiarkowanych ciśnieniach. Badania te również przeprowadza się w 100-procentowym wodorze.
W przypadku uszczelnień wysokociśnieniowych analizę metodą elementów skończonych (FEA) stosuje się jako uzupełnienie badań empirycznych. Angst+Pfister wykorzystuje ją do symulacji zachowania systemów uszczelniających w danych warunkach pracy. Umożliwia to na przykład analizę rozkładu naprężeń i siły uszczelniającej oraz wzajemne dopasowanie geometrii uszczelnienia, materiału i elementów podporowych.
Starzenie w 100% wodorze – Zmiana kluczowych właściwości materiałów po 28 dniach
Nowsze badania starzeniowe w 100-procentowym wodorze dostarczają dodatkowych wyników. Dla pięciu badanych mieszanek o twardości około 90 Shore A oceniono zmiany twardości, objętości, modułu, wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia przy zerwaniu po okresie do 28 dni. W temperaturach 136 i 151 stopni Celsjusza nie zaobserwowano istotnych zmian. W temperaturze 151 stopni Celsjusza jedna mieszanka HNBR wykazała nieco większe zmiany właściwości mechanicznych, zgodnie z oczekiwaniami, ponieważ temperatura ta stanowi górną granicę temperatury pracy dla tej rodziny polimerów.
Przeważnie brak istotnych zmian; większe zmiany poszczególnych parametrów w próbie rozciągania dla HNBR 90 Shore A-2.
Materiały do wodorowych systemów uszczelniających
Przy doborze materiałów firma Angst+Pfister opiera się na zweryfikowanych materiałach lub testuje je pod kątem konkretnego zastosowania. Wodór jest głównym kryterium. Decydujące znaczenie mają również warunki pracy, takie jak temperatura, ciśnienie i konstrukcja uszczelnienia. W elektrolizerach na przykład uszczelnienia mają również kontakt z tlenem lub innymi mediami.
W przypadku gazowego wodoru dostępne są m.in. przebadane elastomerowe rodziny polimerów FKM, HNBR i EPDM. Stan skupienia ma istotne znaczenie: w przypadku ciekłego wodoru temperatury sięgają około -250 stopni Celsjusza. Do tych zastosowań wykorzystuje się kompozyty PTFE, które wymagają specjalnych koncepcji uszczelnień, aby uwzględnić ich specyficzne właściwości mechaniczne oraz szeroki zakres temperatur.
| Materiał | Zakres temperatur | Zakres ciśnień |
|---|---|---|
| FKM | od -25 do +200 °C Specjalne mieszanki do -60 °C |
30 MPa z pierścieniem oporowym do 95 MPa |
| HNBR | od -50 do +165 °C | 30 MPa z pierścieniem oporowym do 95 MPa |
| EPDM | od -50 do +150 °C Specjalne mieszanki do -60 °C |
30 MPa z pierścieniem oporowym do 95 MPa |
| NBR | od -50 do +110 °C | 30 MPa z pierścieniem oporowym do 95 MPa |
| TPU | od -55 do +100 °C Specjalne mieszanki do +125 °C |
50 MPa z pierścieniem oporowym do 70 MPa |
| Modyfikowany PTFE np. Kelfoy 121 |
od -200 do +260 °C | 50 MPa z pierścieniem oporowym do 100 MPa |
| PEEK | od -65 do +240 °C | 100 MPa |
Zastosowania: Od magazynowania pod wysokim ciśnieniem po systemy przyłączeniowe
Rzeczywiste przykłady zastosowań od Angst+Pfister pokazują, jak wiedza z zakresu materiałoznawstwa i inżynierii przekłada się na konkretne rozwiązania.
Zawory i zawory bezpieczeństwa do systemów magazynowania wodoru
Firma Angst+Pfister posiada duże doświadczenie w zakresie rozwiązań uszczelniających do zaworów wysokociśnieniowych w wodorowych systemach magazynowania. Należą do nich zawory kombinowane oraz termicznie aktywowane zawory bezpieczeństwa do systemów magazynowania na 700 bar. W zależności od funkcji i obciążenia stosuje się różne koncepcje uszczelnień: do zastosowań statycznych np. elastomery takie jak HNBR, FKM, EPDM lub NBR; do zastosowań dynamicznych m.in. wzmocnione i aktywowane sprężyną uszczelnienia z PTFE. Udokumentowane zastosowania obejmują ciśnienia od 700 do 900 bar oraz temperatury od –40 do +120 stopni Celsjusza.
Zawory kombinowane i uruchamiane termicznie zawory bezpieczeństwa są stosowane w systemach magazynowania wodoru pod ciśnieniem 700 bar.
Koncepcja uszczelnienia zależy od funkcji i obciążenia. W pozycjach statycznych można stosować odpowiednio dobrane elastomery, natomiast w pozycjach dynamicznych mogą być wykorzystywane wzmocnione lub aktywowane sprężyną uszczelnienia PTFE.
.png)
.png)
.png)
Systemy rurowe i połączeniowe
Systemy rurowe i połączeniowe: Angst+Pfister oferuje różnorodne rozwiązania do złącz rurowych, kołnierzy i szybkozłączy. Zakres obejmuje ciśnienia od atmosferycznego do 900 bar oraz temperatury kriogeniczne sięgające –250 stopni Celsjusza. W złączach rurowych i szybkozłączach stosuje się między innymi elastomery i TPU, natomiast w uszczelkach płaskich mających kontakt z kriogenicznym wodorem wykorzystuje się modyfikowany PTFE. Pierścienie podporowe mogą być wykonane z PTFE lub PEEK.
- Gwintowane połączenia rurociągowe
- Kołnierze
- Szybkozłącza
atm · 350 · 700 · 900 bar
-250 °C (LH₂) do +120 °C
Gwintowane połączenia rurociągowe i szybkozłącza:
HNBR, FKM, EPDM, NBR, TPU
Uszczelki płaskie do zastosowań kriogenicznych (LH₂):
Modyfikowany PTFE
Pierścienie oporowe:
PTFE lub PEEK
.png)
.png)
.png)
Uszczelnienie MUPU®* do magazynowania wodoru pod wysokim ciśnieniem
Do szczególnie wymagających zastosowań związanych z magazynowaniem firma Angst+Pfister opracowała rozwiązanie uszczelniające Mupu®, składające się ze specjalnej mieszanki PTFE Kefloy® 121, elementu sprężystego z PEEK oraz narożnego pierścienia podporowego chroniącego przed ekstruzją. Konstrukcja nie wykorzystuje metalowych ani elastomerowych elementów uszczelniających: eliminuje to kruchość wodorową metalowych elementów uszczelniających oraz gwałtowną dekompresję gazu w elastomerach. Podczas testów z użyciem wody rozwiązanie wytrzymało 100’000 cykli ciśnieniowych od 30 do 1000 bar i z powrotem do 30 bar. Następnie w teście z użyciem wodoru przeprowadzono 60’000 cykli od ponad 950 do 500 bar i z powrotem do ponad 950 bar.
*Mupu® jest marką firmy OL Seals A/S – należącej do Grupy Angst+Pfister
Rozwiązanie uszczelniające do wymagających zastosowań w magazynowaniu wodoru.
Ciśnienie: 1000 bar
Temperatura: od -15 °C do +50 °C
- Kefloy® 121 = modyfikowany PTFE firmy O.L.-Seals A/S (członek Grupy Angst+Pfister)
- Element sprężysty z PEEK
- Narożny pierścień oporowy zabezpieczający przed wytłaczaniem
- Brak metalowych elementów uszczelniających
- Brak elastomerowych elementów uszczelniających
- Brak elastomerowych komponentów uszczelniających
Woda:
100 000 cykli
30 → 1000 → 30 bar
Wodór:
60 000 cykli
>950 → 500 → >950 bar
Wniosek
Kluczowy nie jest sam materiał, lecz jego interakcja z konstrukcją uszczelnienia oraz warunkami roboczymi. Dobór materiałów do zastosowań wodorowych powinien opierać się na wiarygodnych danych z badań. Badania prowadzone przez firmę Angst+Pfister stanowią rosnącą bazę danych w tym zakresie w określonych warunkach pracy z wodorem.
Nowsze testy starzeniowe w 100-procentowym wodorze wykazują niewielkie zmiany właściwości materiałowych badanych tworzyw. Nowe testy permeacji DVGW z udziałem miększych elastomerów o twardości od 70 do 75 Shore A poszerzają bazę danych i potwierdzają, że na permeację wpływa nie tylko rodzaj polimeru, ale także konkretna formuła materiałowa.
Dla firmy Angst+Pfister stanowi to podstawę do wyboru odpowiednich, dostępnych materiałów oraz opracowywania dedykowanych rozwiązań uszczelniających we współpracy z klientami.
FAQ
Hoe verschilt waterstofpermeatie in elastomere afdichtingen fundamenteel van andere gaslekkage?
Permeacja wodoru w uszczelnieniach elastomerowych jest determinowana przede wszystkim przez szybką dyfuzję. Ze względu na mały rozmiar cząsteczkowy wodór z łatwością przemieszcza się przez wolną objętość między łańcuchami polimerowymi w osnowie gumowej. Zamiast gromadzić się wewnątrz elastomeru, wodór (H₂) dyfunduje przez korpus uszczelnienia w tempie znacznie wyższym niż większe cząsteczki, takie jak azot czy metan. Aby zminimalizować permeację, wymagane są mieszanki o wysokiej gęstości ussieciowania, specjalnych napełniaczach i zwartych strukturach molekularnych, które hamują transport gazu pod ciśnieniem dynamicznym i statycznym.
Czy elastomery 70 ShA mogą być bezpiecznie stosowane w instalacjach wodorowych, czy też mieszanki 90 ShA są obowiązkowe?
Chociaż mieszanki 90 ShA (Shore A) są tradycyjnie zalecane do ekstremalnych zastosowań wysokociśnieniowych (700–1000 barów) w celu zapewnienia dużej odporności na ekstruzję, najnowsze empiryczne testy permeacji DVGW potwierdzają, że specjalnie opracowane elastomery 70 ShA zapewniają wysoki poziom bezpieczeństwa operacyjnego w systemach wodorowych o niskim i umiarkowanym ciśnieniu. Miększe uszczelnienia 70 ShA zapewniają doskonałą zdolność dopasowania, mniejsze wymagane siły nacisku w przestrzeni montażowej oraz lepszą szczelność na nieregularnych powierzchniach uszczelniających. Po walidacji za pomocą standaryzowanych testów permeacji DVGW, te miększe mieszanki wykazują stabilne współczynniki permeacji i doskonały powrót elastyczny bez naruszania integralności systemu.
Dlaczego testy starzeniowe w 100% wodorze są konieczne, skoro dostępne są już teoretyczne dane materiałowe?
Teoretyczne dane materiałowe oraz standardowe testy starzenia cieplnego w powietrzu lub azocie nie uwzględniają unikalnej interakcji chemicznej i fizycznej między czystym wodorem a osnowami elastomerowymi pod wpływem ciśnienia i temperatury. Długoterminowe testy starzeniowe w autoklawie w atmosferze 100% H₂ pozwalają zbadać, jak długotrwały kontakt z wodorem wpływa na właściwości materiałowe, takie jak twardość, objętość, moduł, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu. Empiryczne testy ekspozycyjne pokazują, jak właściwości materiałów zmieniają się przez dłuższy czas w zdefiniowanych warunkach wodorowych, dostarczając w ten sposób inżynierom zweryfikowanych danych zamiast czysto teoretycznych założeń.
W jaki sposób uszczelnienia z PTFE, takie jak Mupu®Seal, radzą sobie z ryzykiem wycieku wodoru pod wysokim ciśnieniem i gwałtownej dekompresji gazu?
Mupu®Seal is ontwikkeld voor veeleisende hogedruktoepassingen en combineert de speciale PTFE-compound Kefloy® 121, een PEEK-veerelement en een hoeksteunring tegen extrusie. Het ontwerp maakt geen gebruik van metalen of elastomere afdichtingselementen. Dit elimineert waterstofbrosheid van metalen afdichtingselementen en snelle gasdecompressie van elastomeren. Met water voltooide de oplossing 100.000 drukcycli van 30 tot 1000 en terug naar 30 bar. In de waterstoftest werd dit gevolgd door 60.000 cycli van meer dan 950 tot 500 en terug naar meer dan 950 bar.
W jaki sposób walidację materiałów dla uszczelnień wodorowych można przenieść na aplikacje związane z CO₂ i CCUS?
Wodór (H₂) i dwutlenek węgla (CO₂) stawiają przed systemami uszczelniającymi odmienne wyzwania. Wodór charakteryzuje się wysokim współczynnikiem dyfuzji i przenikania, natomiast CO₂, w przeciwieństwie do H₂, rozpuszcza się w polimerze, powodując jego pęcznienie i sprawiając, że odporność na gwałtowną dekompresję gazu (RGD) staje się szczególnie istotna. Doświadczenie w zakresie materiałów, metod badawczych i projektowania uszczelnień zdobyte w zastosowaniach wodorowych może być zatem wykorzystywane do opracowywania rozwiązań dla CO₂ i CCUS. Przydatność materiału należy jednak również sprawdzić pod kątem danego medium i konkretnych warunków eksploatacji.
<h4 class="h4"><span style="color:#d80901;"><span style="font-size:36px;"><span style="font-family:Futura-pt;">Powiązane artykuły i materiały do pobrania</span></span></span></h4>
.2026-10-05-12-31-34.png)
.2026-10-05-12-31-34.png)
O autorach
Peter Schäfer jest Senior Engineering Leader, a Lorena Casasola inżynierką materiałową w firmie Angst+Pfister. Koncentrują się na opracowywaniu i walidacji rozwiązań uszczelniających oraz materiałów do wymagających zastosowań, szczególnie w obszarze wodoru.
Sprawiamy, że to działa!
Po prostu skontaktuj się z nami, a my szybko Tobie odpowiemy!
Bądź na bieżąco!
Zapisz się do naszego newslettera już dziś i otrzymuj najnowsze informacje o produktach i trendach w branży!