Kompressionspermanent deformation i elastomerer

Kompressionspermanent deformation i elastomerer är en avgörande egenskap för packningar, tätningar och gummikomponenter. Det är en av de viktigaste prestandaegenskaperna hos elastomerer (gummiliknande material), skum och mjuka polymerer. Den mäter den permanenta deformation som kvarstår efter att ett material har släppts efter långvarig kompression. Enkelt uttryckt indikerar den hur bra eller dåligt ett material återgår till sin ursprungliga form efter kompression.

Denna egenskap är särskilt viktig i applikationer som O-ringar, packningar, tätningselement, dämpande skum och alla komponenter som behöver bibehålla sin tätningsstyrka eller flexibilitet över tid under kontinuerlig kompression.

När en elastomer komprimeras (till exempel en O-ring som komprimeras mellan två ytor) omorganiseras polymerkedjorna och tvärbindningarna. Med tiden (särskilt under värme, långvarig exponering eller kemisk exponering) blir vissa av dessa förändringar permanenta. När tryckkraften avlägsnas återgår materialet inte helt till sitt ursprungliga tillstånd.

Vid kompression permanent deformation,

• Noll kompressionsfri permanent deformation ger utmärkt återhämtning. Materialet återgår helt till sin ursprungliga tjocklek (idealiskt, men sällsynt vid långvarig användning i verkligheten).
• Vid 100 % kompression sker ingen återhämtning från permanent deformation. Materialet förblir vid sin komprimerade tjocklek (helt misslyckat för tätningsändamål).

Bra tätningsmaterial uppvisar 10–30 % permanent deformation under standardtestförhållanden; högre värden indikerar dålig långsiktig prestanda.

Den vanligaste formeln finns i metod B i standarden ”ASTM D395 Rubber property - Standard test methods for permanent compression deformation”. En lägre procentandel indikerar bättre elastisk återhämtning.

Kompressiv permanent deformation är ett resultat av en kombination av fysikaliska och kemiska processer:

• Fysisk avslappning: Omorganisering av polymerkedjor och knutar under spänning.
• Kemiska förändringar: Vid höga temperaturer kan ytterligare tvärbindningar bildas i uttänjt tillstånd (låsande deformation) eller befintliga tvärbindningar kan brytas (kedjebrott).
• Spänningsrelaxation och krypning: Relaterade men olika: spänningsrelaxation är kraftförlusten under konstant deformation, krypning är den ökade deformationen under konstant kraft. Komprimerande permanent deformation fångar den permanenta nettoeffekten efter att lasten avlastats.

Faktorer som förvärrar permanent kompressionsdeformation inkluderar:

• Höga temperaturer (accelererar kemiska förändringar)
• Lång kompressionstid
• Överdriven kompression (utöver den rekommenderade kompressionen, t.ex. minst 30 procent för många O-ringar)
• Dåligt materialval eller otillräcklig härdning
• Exponering för vätskor, ozon eller syre.

Den primära standarden för att bestämma permanent kompressiv deformation i elastomerer är ASTM D395. Denna standard beskriver två metoder:

• Metod A Konstant kraft
• Metod B Konstant avvikelse (vanligare för elastomerer)

Prover komprimeras vanligtvis till 25 procents tryck i 22–70 timmar vid en specifik temperatur (t.ex. 70 grader, 100 grader eller 150 grader), släpps sedan och mäts efter återhämtningsperioden.

Andra standarder inkluderar ”ISO 815-1 Gummi, vulkaniserat eller termoplastiskt - Bestämning av permanent deformation under kompression” och liknande metoder för skum.

Materialens prestanda varierar kraftigt:

• Utmärkt (låg stelning): Fluorelastomerer, vissa silikoner, högpresterande perfluorerade elastomerer.
• Bra material: EPDM, nitril (NBR), HNBR, vissa premiumsilikoner.
• Medel till hög härdning: Naturgummi, basiska silikoner, vissa termoplastiska elastomerer.
• Svagare: Material med låg tvärbindningsdensitet eller otillräckligt vulkaniserade föreningar.

Till exempel, vid högtemperaturtätning uppvisar fluorelastomerer vanligtvis mindre än 20 % härdning efter 70 timmar vid 150 grader, medan naturgummi kan överstiga 50–80 %.

Samtidigt plattar hög kompression O-ringar eller packningar till, vilket minskar kontaktkraften och läckor uppstår när delar rör sig eller vibrerar. Skumpackningar förlorar tjocklek och hålrum bildas. För långvariga statiska packningar bör material med låg kompression och permanent deformation väljas, alltför höga kompressionsprocenter bör undvikas och temperaturfall bör beaktas.

Permanent kompressionsdeformation är en av de viktigaste egenskaperna vid utvärdering av elastomerer (såsom gummi, silikon och fluorelastomerer) för verklig användning. Den avgör direkt om en komponent, såsom en O-ring, packning, tätningselement eller kudde, kommer att fortsätta att fungera tillförlitligt under kontinuerlig kompression i månader eller år, eller om den kommer att sluta fungera i förtid.

De främsta anledningarna till varför den här funktionen är så viktig är följande:

• Den styr långsiktig tätningsprestanda: Elastomeriska tätningar är beroende av elastisk återhämtning för att bibehålla konstant kontakttryck (tätningskraft) mot kontaktytor. När den permanenta tryckdeformationen är låg återgår materialet till nästan sin ursprungliga form, och effektiv tätning mot vätskor, gaser, damm eller tryck bibehålls under lång tid.
• Den förutsäger verklig hållbarhet under värme och tid: De flesta kompressionstester av permanent deformation utförs vid höga temperaturer i timmar. Höga temperaturer accelererar:
• Ytterligare tvärstag i utsträckt (komprimerat) tillstånd (låser in deformationen)
• Kedjebrott eller spänningsavslappning (permanent förlust av elasticitet)
• Direkt påverkan på säkerhet, tillförlitlighet och kostnad: Hög kompressionsdeformation leder till följande fellägen:
• Vätske-/gasläckor (hydrauliska system, bränsleledningar, kemisk bearbetning, biofarmaceutiska produkter, livsmedel och drycker)
• Föroreningsintrång (elektronikhöljen, fordon, medicintekniska produkter)
• Tryckförlust (pneumatiska system, ventiler)
• Minskad vibrationsdämpning eller dämpning (skumtätningar, fästelement)

Sammanfattningsvis är permanent kompressionsdeformation viktig eftersom den indikerar om en elastomer kommer att glömma sin elasticitet efter att ha komprimerats under en längre tid, och i tätningsapplikationer innebär denna förlust av elasticitet ofta en förlust av tätning. Permanent kompressionsdeformation är förlusten av minne hos elastomerer under kontinuerlig belastning. För tillförlitlig och långvarig prestanda i packningar och flexibla komponenter är det avgörande att välja ett material med låg permanent kompressionsdeformation.

I många år har vår organisation, med sin kompetenta och erfarna personal, förstått sina kunders behov, tillhandahållit de avancerade testtjänster de behöver och hjälpt till med etablering, implementering och förbättring av ledningssystem. Inom detta ramverk tillhandahåller vi även tjänster för kompressions- och permanent deformationstestning av elastomerer till företag.