Trvalá deformácia v elastoméroch v dôsledku kompresie

Trvalá deformácia v elastoméroch v dôsledku kompresie je kľúčovou vlastnosťou tesnení, upchávok a gumových komponentov. Je to jedna z najdôležitejších výkonnostných charakteristík elastomérov (materiálov podobných gume), pien a mäkkých polymérov. Meria trvalú deformáciu, ktorá zostáva po uvoľnení materiálu po dlhodobej kompresii. Jednoducho povedané, udáva, ako dobre alebo zle sa materiál po kompresii vracia do pôvodného tvaru.

Táto vlastnosť je obzvlášť dôležitá v aplikáciách, ako sú O-krúžky, tesnenia, tesniace prvky, tlmiace peny a akékoľvek komponenty, ktoré si musia zachovať svoju tesniacu pevnosť alebo flexibilitu v priebehu času pri neustálom stlačení.

Keď je elastomér stlačený (napríklad O-krúžok stlačený medzi dvoma povrchmi), polymérne reťazce a priečne väzby sa preskupia. Postupom času (najmä pri tepelnom poškodení, dlhodobom vystavení alebo chemickom pôsobení) sa niektoré z týchto zmien stanú trvalými. Po odstránení tlakovej sily sa materiál úplne nevráti do pôvodného stavu.

Pri trvalej deformácii v kompresii,

• Nulová trvalá deformácia v dôsledku stlačenia predstavuje vynikajúce zotavenie. Materiál sa úplne vráti do svojej pôvodnej hrúbky (ideálne, ale pri dlhodobom používaní v reálnom svete zriedkavé).
• Pri 100 % stlačení nedochádza k žiadnej regenerácii z trvalej deformácie. Materiál zostáva v stlačenej hrúbke (úplne neúčinný na účely utesnenia).

Dobré tesniace materiály vykazujú 10 – 30 % trvalú deformáciu za štandardných testovacích podmienok; vyššie hodnoty naznačujú slabý dlhodobý výkon.

Najbežnejší vzorec sa nachádza v metóde B normy „ASTM D395 Vlastnosti gumy - Štandardné skúšobné metódy pre trvalú deformáciu v tlaku“. Nižšie percento znamená lepšiu elastickú návratnosť.

Kompresná trvalá deformácia je výsledkom kombinácie fyzikálnych a chemických procesov:

• Fyzikálna relaxácia: Preskupenie polymérnych reťazcov a uzlov pod napätím.
• Chemické zmeny: Pri vysokých teplotách sa môžu v natiahnutom stave vytvoriť ďalšie zosieťovania (blokovacia deformácia) alebo sa existujúce zosieťovania môžu pretrhnúť (pretrhnutie reťazca).
• Relaxácia napätia a tečenie: Súvisiace, ale odlišné: relaxácia napätia je strata sily pri konštantnej deformácii, tečenie je zvýšená deformácia pri konštantnej sile. Trvalá deformácia v tlaku zachytáva čistý trvalý účinok po odľahčení zaťaženia.

Medzi faktory, ktoré zhoršujú trvalú deformáciu v dôsledku kompresie, patria:

• Vysoké teploty (urýchľujú chemické zmeny)
• Dlhý čas kompresie
• Nadmerná kompresia (nad odporúčanú kompresiu, napr. najmenej 30 percent pre mnohé O-krúžky)
• Zlý výber materiálu alebo nedostatočné vytvrdzovanie
• Vystavenie kvapalinám, ozónu alebo kyslíku.

Primárnou normou na stanovenie trvalej deformácie v tlaku v elastoméroch je ASTM D395. Táto norma opisuje dve metódy:

• Metóda A Konštantná sila
• Metóda B Konštantná odchýlka (bežnejšia pre elastoméry)

Vzorky sa zvyčajne stlačia na 25 percentný tlak počas 22 – 70 hodín pri špecifickej teplote (napr. 70 stupňov, 100 stupňov alebo 150 stupňov), potom sa po období zotavenia uvoľnia a zmerajú.

Medzi ďalšie normy patrí „ISO 815-1 Kaučuk, vulkanizovaný alebo termoplastický - Stanovenie trvalej tlakovej deformácie“ a podobné metódy pre peny.

Výkon materiálov sa značne líši:

• Výborné (nízka tuhosť): Fluórelastoméry, niektoré silikóny, vysokoúčinné perfluórované elastoméry.
• Dobré materiály: EPDM, nitril (NBR), HNBR, niektoré prémiové silikóny.
• Stredne až vysoko tuhé: Prírodný kaučuk, základné silikóny, niektoré termoplastické elastoméry.
• Slabšie: Materiály s nízkou hustotou zosieťovania alebo nedostatočne vulkanizované zlúčeniny.

Napríklad pri vysokoteplotnom utesňovaní fluórelastoméry zvyčajne vykazujú menej ako 20 % tuhnutia po 70 hodinách pri teplote 150 stupňov, zatiaľ čo prírodný kaučuk môže prekročiť 50 – 80 %.

Medzitým vysoké kompresné deformácie splošťujú O-krúžky alebo tesnenia, čím sa znižuje kontaktná sila, a pri pohybe alebo vibráciách súčiastok dochádza k únikom. Penové tesnenia strácajú hrúbku a tvoria sa dutiny. Pri dlhodobých statických tesneniach by sa mali voliť materiály s nízkou trvalou deformáciou v kompresii, malo by sa vyhnúť nadmernému percentu kompresie a mal by sa zvážiť pokles teploty.

Trvalá deformácia v kompresii je jednou z najdôležitejších vlastností pri hodnotení elastomérov (ako sú gumy, silikóny a fluórelastoméry) pre reálne použitie. Priamo určuje, či komponent, ako napríklad O-krúžok, tesnenie, tesniaci prvok alebo vankúš, bude naďalej spoľahlivo fungovať pri nepretržitom stlačení mesiace alebo roky, alebo či predčasne zlyhá.

Hlavné dôvody, prečo je táto funkcia taká dôležitá, sú nasledujúce:

• Riadi dlhodobý tesniaci výkon: Elastomérne tesnenia sa spoliehajú na elastické zotavenie, aby udržali konštantný kontaktný tlak (tesniacu silu) na dosadajúcich plochách. Keď je trvalá deformácia v tlaku nízka, materiál sa vráti takmer do pôvodného tvaru a účinné utesnenie proti kvapalinám, plynom, prachu alebo tlaku sa zachováva dlhodobo.
• Predpovedá reálnu trvanlivosť pri pôsobení tepla a času: Väčšina testov trvalej deformácie v kompresii sa vykonáva pri vysokých teplotách počas hodín. Vysoké teploty urýchľujú:
• Dodatočné priečne vystuženie v natiahnutom (stlačenom) stave (zablokuje deformáciu)
• Pretrhnutie reťaze alebo uvoľnenie napätia (trvalá strata elasticity)
• Priamy vplyv na bezpečnosť, spoľahlivosť a náklady: Vysoká trvalá deformácia v tlaku vedie k nasledujúcim poruchovým režimom:
• Úniky kvapalín/plynov (hydraulické systémy, palivové potrubia, chemické spracovanie, biofarmaceutiká, potraviny a nápoje)
• Vniknutie znečistenia (elektronické kryty, automobily, zdravotnícke pomôcky)
• Strata tlaku (pneumatické systémy, ventily)
• Znížené tlmenie vibrácií alebo odpruženie (penové tesnenia, upevňovacie prvky)

Záverom možno povedať, že trvalá deformácia v kompresii je dôležitá, pretože naznačuje, či elastomér po dlhom stlačení zabudne svoju elasticitu, a v tesniacich aplikáciách táto strata elasticity často znamená stratu tesnenia. Trvalá deformácia v kompresii je strata pamäte elastomérov pri nepretržitom zaťažení. Pre spoľahlivý a dlhotrvajúci výkon tesnení a flexibilných komponentov je kľúčový výber materiálu s nízkou trvalou deformáciou v kompresii.

Naša organizácia s kompetentným a skúseným tímom už mnoho rokov rozumie potrebám svojich klientov, poskytuje im pokročilé testovacie služby a pomáha im pri zavádzaní, implementácii a zlepšovaní systémov riadenia. V tomto rámci poskytujeme firmám aj služby testovania trvalej deformácie v tlaku pre elastoméry.