Trwałe odkształcenie ściskające elastomerów

Trwałe odkształcenie elastomerów pod wpływem ściskania jest kluczową właściwością uszczelek, uszczelnień i elementów gumowych. Jest to jedna z najważniejszych cech użytkowych elastomerów (materiałów gumopodobnych), pianek i miękkich polimerów. Mierzy trwałe odkształcenie pozostające po uwolnieniu materiału z długotrwałego ściskania. Mówiąc prościej, wskazuje, jak dobrze lub źle materiał powraca do pierwotnego kształtu po ściśnięciu.

Właściwość ta jest szczególnie istotna w zastosowaniach takich jak pierścienie uszczelniające, uszczelki, elementy uszczelniające, pianki amortyzujące i wszelkie komponenty wymagające zachowania wytrzymałości uszczelnienia lub elastyczności przez długi czas przy ciągłym ściskaniu.

Gdy elastomer jest ściskany (na przykład pierścień uszczelniający ściśnięty między dwiema powierzchniami), łańcuchy polimerowe i wiązania poprzeczne ulegają przegrupowaniu. Z czasem (zwłaszcza pod wpływem ciepła, długotrwałej ekspozycji lub działania substancji chemicznych) niektóre z tych zmian stają się trwałe. Po ustąpieniu siły ściskającej materiał nie powraca całkowicie do stanu pierwotnego.

W przypadku odkształcenia trwałego ściskania,

• Zerowa kompresja i trwałe odkształcenie oznaczają doskonały powrót do pierwotnej grubości. Materiał całkowicie powraca do pierwotnej grubości (idealne, ale rzadkie w praktyce, przy długotrwałym użytkowaniu).
• Przy 100% kompresji nie następuje powrót do pierwotnej, trwałej deformacji. Materiał pozostaje w swojej pierwotnej grubości (co jest całkowicie nieskuteczne w przypadku uszczelnienia).

Dobre materiały uszczelniające wykazują 10–30% trwałej deformacji w standardowych warunkach testowych; wyższe wartości oznaczają słabą wydajność długoterminową.

Najczęściej spotykany wzór znajduje się w metodzie B normy „ASTM D395 Właściwości gumy – Standardowe metody badań trwałego odkształcenia ściskanego”. Niższy procent oznacza lepszy powrót sprężysty.

Odkształcenie trwałe ściskające jest wynikiem połączenia procesów fizycznych i chemicznych:

• Relaksacja fizyczna: Przegrupowanie łańcuchów polimerowych i węzłów pod wpływem napięcia.
• Zmiany chemiczne: W wysokich temperaturach w stanie rozciągniętym mogą tworzyć się dodatkowe wiązania poprzeczne (odkształcenie blokujące) lub istniejące wiązania poprzeczne mogą pękać (pęknięcia łańcucha).
• Relaksacja naprężeń i pełzanie: Powiązane, ale różne: relaksacja naprężeń to spadek siły przy stałym odkształceniu, pełzanie to wzrost odkształcenia przy stałej sile. Trwałe odkształcenie ściskające odzwierciedla całkowity efekt trwały po odciążeniu.

Czynniki pogarszające trwałe odkształcenia kompresyjne obejmują:

• Wysokie temperatury (przyspieszają zmiany chemiczne)
• Długi czas kompresji
• Nadmierna kompresja (powyżej zalecanej kompresji, np. co najmniej 30 procent w przypadku wielu pierścieni uszczelniających)
• Niewłaściwy dobór materiału lub niewystarczające utwardzanie
• Narażenie na działanie cieczy, ozonu lub tlenu.

Podstawową normą do określania odkształceń trwałych przy ściskaniu elastomerów jest norma ASTM D395. Norma ta opisuje dwie metody:

• Metoda A Stała siła
• Metoda B Stałe odchylenie (bardziej powszechne w przypadku elastomerów)

Próbki są zazwyczaj ściskane do ciśnienia wynoszącego 25 procent przez okres 22–70 godzin w określonej temperaturze (np. 70 stopni, 100 stopni lub 150 stopni), a następnie uwalniane i mierzone po okresie regeneracji.

Inne normy obejmują „ISO 815-1 Guma wulkanizowana lub termoplastyczna - Oznaczanie trwałej deformacji ściskającej” i podobne metody dla pianek.

Wydajność materiałów jest bardzo zróżnicowana:

• Doskonałe (niskie stężenie): fluoroelastomery, niektóre silikony, wysokowydajne elastomery perfluorowane.
• Dobre materiały: EPDM, nitryl (NBR), HNBR, niektóre wysokiej jakości silikony.
• Związki średnio-wysokie: Kauczuk naturalny, podstawowe silikony, niektóre elastomery termoplastyczne.
• Słabsze: Materiały o niskiej gęstości usieciowania lub niewystarczająco zwulkanizowane związki.

Na przykład w przypadku uszczelniania w wysokiej temperaturze fluoroelastomery wykazują zwykle odporność na utwardzanie mniejszą niż 20% po 70 godzinach w temperaturze 150 stopni, podczas gdy kauczuk naturalny może przekraczać 50–80%.

Z kolei zestawy o wysokim stopniu sprężania spłaszczają pierścienie uszczelniające lub uszczelki, zmniejszając siłę styku, co prowadzi do nieszczelności podczas ruchu lub wibracji części. Uszczelki piankowe tracą grubość i tworzą się w nich puste przestrzenie. W przypadku uszczelek statycznych o długim okresie użytkowania należy wybierać materiały o niskim stopniu sprężania, unikać nadmiernego sprężania i brać pod uwagę spadek temperatury.

Trwałe odkształcenie pod wpływem ściskania jest jedną z najważniejszych właściwości elastomerów (takich jak gumy, silikony i fluoroelastomery) pod kątem ich rzeczywistego zastosowania. Bezpośrednio decyduje ona o tym, czy dany element, taki jak pierścień uszczelniający, uszczelka, element uszczelniający lub podkładka, będzie działał niezawodnie pod ciągłym ściskaniem przez miesiące lub lata, czy też ulegnie przedwczesnemu uszkodzeniu.

Oto główne powody, dla których ta funkcja jest tak ważna:

• Kontroluje długoterminową skuteczność uszczelnienia: Uszczelnienia elastomerowe wykorzystują sprężystość, aby utrzymać stały nacisk (siłę uszczelnienia) na stykające się powierzchnie. Przy niskim odkształceniu trwałym pod wpływem ściskania materiał powraca do pierwotnego kształtu, a skuteczne uszczelnienie chroniące przed cieczami, gazami, pyłem lub ciśnieniem utrzymuje się przez długi czas.
• Przewiduje rzeczywistą trwałość pod wpływem ciepła i czasu: Większość testów odkształceń trwałych na ściskanie przeprowadza się w wysokich temperaturach przez wiele godzin. Wysokie temperatury przyspieszają następujące procesy:
• Dodatkowe usztywnienie poprzeczne w stanie rozciągniętym (ściśniętym) (blokuje odkształcenie)
• Zerwanie łańcucha lub rozluźnienie naprężenia (trwała utrata elastyczności)
• Bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo, niezawodność i koszty: Wysokie odkształcenie trwałe w wyniku ściskania prowadzi do następujących rodzajów awarii:
• Wycieki cieczy/gazu (układy hydrauliczne, przewody paliwowe, przetwórstwo chemiczne, produkty biofarmaceutyczne, żywność i napoje)
• Wnikanie zanieczyszczeń (obudowy urządzeń elektronicznych, motoryzacja, urządzenia medyczne)
• Strata ciśnienia (układy pneumatyczne, zawory)
• Zmniejszone tłumienie lub amortyzacja drgań (uszczelki piankowe, elementy złączne)

Podsumowując, trwałe odkształcenie pod wpływem ściskania jest istotne, ponieważ wskazuje, czy elastomer straci swoją elastyczność po długotrwałym ściskaniu. W zastosowaniach uszczelniających ta utrata elastyczności często oznacza utratę szczelności. Trwałe odkształcenie pod wpływem ściskania to utrata pamięci sprężystości elastomerów pod ciągłym obciążeniem. Aby zapewnić niezawodne i długotrwałe działanie uszczelek i elementów elastycznych, kluczowy jest wybór materiału o niskim trwałym odkształceniu pod wpływem ściskania.

Nasza organizacja, z kompetentnym i doświadczonym zespołem, od wielu lat rozumie potrzeby klientów, zapewniając im zaawansowane usługi badawcze oraz wspierając ich we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie oferujemy również przedsiębiorstwom usługi badania odkształceń trwałych elastomerów metodą ściskania.