Постоянная деформация при сжатии в эластомерах

Остаточная деформация при сжатии в эластомерах является важнейшим свойством прокладок, уплотнений и резиновых компонентов. Это одна из важнейших эксплуатационных характеристик эластомеров (резиноподобных материалов), пенопластов и мягких полимеров. Она измеряет остаточную деформацию, сохраняющуюся после снятия напряжения в материале после длительного сжатия. Проще говоря, она показывает, насколько хорошо или плохо материал возвращается к своей первоначальной форме после сжатия.

Это свойство особенно важно в таких областях применения, как уплотнительные кольца, прокладки, уплотнительные элементы, амортизирующие пенопласты и любые компоненты, которым необходимо сохранять свою герметизирующую прочность или гибкость с течением времени при непрерывном сжатии.

При сжатии эластомера (например, уплотнительного кольца, сжатого между двумя поверхностями) полимерные цепи и поперечные связи перестраиваются. Со временем (особенно при нагревании, длительном воздействии тепла или химических веществ) некоторые из этих изменений становятся необратимыми. После снятия сжимающей силы материал не полностью возвращается в исходное состояние.

При сжатии происходит остаточная деформация.

• Отсутствие остаточной деформации при сжатии свидетельствует об отличном восстановлении. Материал полностью возвращается к своей первоначальной толщине (идеальный результат, но редко встречается в реальных условиях длительной эксплуатации).
• При 100% сжатии не происходит восстановления после необратимой деформации. Материал сохраняет свою сжатую толщину (совершенно непригоден для герметизации).

Качественные уплотнительные материалы демонстрируют остаточную деформацию в пределах 10-30% при стандартных условиях испытаний; более высокие значения указывают на низкую долговременную эффективность.

Наиболее распространенная формула приведена в методе B стандарта «ASTM D395 Свойства каучука — Стандартные методы испытаний на остаточную деформацию при сжатии». Более низкое процентное значение указывает на лучшее упругое восстановление.

Остаточная деформация при сжатии возникает в результате сочетания физических и химических процессов:

• Физическая релаксация: перестройка полимерных цепей и узлов под действием натяжения.
• Химические изменения: При высоких температурах в растянутом состоянии могут образовываться дополнительные поперечные связи (деформация блокировки), или существующие поперечные связи могут разрываться (разрыв цепи).
• Релаксация напряжений и ползучесть: взаимосвязанные, но различные явления: релаксация напряжений — это потеря силы при постоянной деформации, ползучесть — это увеличение деформации при постоянной силе. Остаточная деформация при сжатии отражает суммарный остаточный эффект после снятия нагрузки.

К факторам, усугубляющим необратимую деформацию при сжатии, относятся:

• Высокие температуры (ускоряют химические изменения)
• Длительное время сжатия
• Чрезмерное сжатие (превышение рекомендуемого уровня сжатия, например, не менее 30 процентов для многих уплотнительных колец).
• Неправильный выбор материала или некачественное отверждение
• Воздействие жидкостей, озона или кислорода.

Основным стандартом для определения остаточной деформации при сжатии в эластомерах является ASTM D395. Этот стандарт описывает два метода:

• Метод А. Постоянная сила
• Метод B. Постоянное отклонение (чаще встречается для эластомеров).

Образцы обычно сжимают до 25-процентного давления в течение 22–70 часов при определенной температуре (например, 70, 100 или 150 градусов), затем разжимают и измеряют после периода восстановления.

К другим стандартам относятся «ISO 815-1 Резина, вулканизированная или термопластичная — Определение остаточной деформации при сжатии» и аналогичные методы для пеноматериалов.

Эксплуатационные характеристики материалов сильно различаются:

• Отлично (низкая степень схватывания): фторэластомеры, некоторые силиконы, высокоэффективные перфторированные эластомеры.
• Качественные материалы: EPDM, нитрил (NBR), HNBR, некоторые высококачественные силиконы.
• Средняя и высокая степень схватывания: натуральный каучук, основные силиконы, некоторые термопластичные эластомеры.
• Более слабые варианты: материалы с низкой плотностью сшивания или недостаточно вулканизированными компаундами.

Например, при высокотемпературной герметизации фторэластомеры обычно демонстрируют менее 20% схватывания после 70 часов при температуре 150 градусов, в то время как натуральный каучук может превышать 50-80%.

Между тем, высокая остаточная деформация при сжатии деформирует уплотнительные кольца или прокладки, уменьшая силу контакта, и при движении или вибрации деталей возникают утечки. Пенопластовые прокладки теряют толщину, и образуются пустоты. Для долговременных статических прокладок следует выбирать материалы с низкой остаточной деформацией при сжатии, избегать чрезмерного сжатия и учитывать перепад температур.

Необратимая деформация при сжатии является одним из наиболее важных свойств при оценке эластомеров (таких как каучуки, силиконы и фторэластомеры) для реального применения. Она напрямую определяет, будет ли компонент, например, уплотнительное кольцо, прокладка, уплотнительный элемент или амортизатор, надежно работать при непрерывном сжатии в течение месяцев или лет, или же он преждевременно выйдет из строя.

Основные причины, по которым эта функция так важна, следующие:

• Это обеспечивает долговременную герметичность: эластомерные уплотнения используют упругое восстановление для поддержания постоянного контактного давления (силы герметизации) на сопрягаемых поверхностях. При низкой остаточной деформации сжатия материал возвращается к своей первоначальной форме, и эффективная герметизация от жидкостей, газов, пыли или давления сохраняется в течение длительного времени.
• Это позволяет прогнозировать реальную долговечность при высоких температурах и в течение длительного времени: большинство испытаний на остаточную деформацию при сжатии проводятся при высоких температурах в течение нескольких часов. Высокие температуры ускоряют:
• Дополнительные поперечные распорки в растянутом (сжатом) состоянии (фиксируют деформацию).
• Разрыв цепи или ослабление натяжения (необратимая потеря эластичности)
• Непосредственное влияние на безопасность, надежность и стоимость: Высокая остаточная деформация при сжатии приводит к следующим видам отказов:
• Утечки жидкостей/газов (гидравлические системы, топливопроводы, химические процессы, биофармацевтика, пищевая промышленность и производство напитков)
• Проникновение загрязняющих веществ (из корпусов электроники, автомобилей, медицинских приборов)
• Потери давления (пневматические системы, клапаны)
• Сниженное гашение или смягчение вибраций (пенопластовые уплотнители, крепежные элементы)

В заключение, остаточная деформация при сжатии важна, поскольку она указывает на то, потеряет ли эластомер свою эластичность после длительного сжатия, а в уплотнительных устройствах эта потеря эластичности часто означает потерю герметичности. Остаточная деформация при сжатии — это потеря «памяти» эластомеров под постоянной нагрузкой. Для надежной и долговечной работы прокладок и гибких компонентов крайне важно выбирать материал с низкой остаточной деформацией при сжатии.

На протяжении многих лет наша организация, располагающая компетентной и опытной командой, понимает потребности своих клиентов, предоставляет им необходимые передовые услуги по тестированию и оказывает помощь в создании, внедрении и совершенствовании систем управления. В рамках этой деятельности мы также предоставляем предприятиям услуги по испытанию эластомеров на остаточную деформацию при сжатии.