Biến dạng vĩnh viễn do nén trong chất đàn hồi

Biến dạng vĩnh viễn do nén ở chất đàn hồi là một đặc tính quan trọng đối với gioăng, vòng đệm và các bộ phận cao su. Đây là một trong những đặc tính hiệu suất quan trọng nhất của chất đàn hồi (vật liệu giống cao su), bọt và polyme mềm. Nó đo lường biến dạng vĩnh viễn còn lại sau khi vật liệu được giải phóng sau khi bị nén kéo dài. Nói một cách đơn giản, nó cho biết vật liệu phục hồi về hình dạng ban đầu tốt hay kém sau khi bị nén.

Đặc tính này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như vòng chữ O, gioăng, các bộ phận làm kín, mút đệm và bất kỳ bộ phận nào cần duy trì độ bền làm kín hoặc độ dẻo dai theo thời gian dưới tác động nén liên tục.

Khi một chất đàn hồi bị nén (ví dụ, một vòng đệm chữ O bị nén giữa hai bề mặt), các chuỗi polymer và các liên kết ngang sẽ sắp xếp lại. Theo thời gian (đặc biệt là dưới tác động của nhiệt, tiếp xúc lâu dài hoặc tiếp xúc với hóa chất), một số thay đổi này trở nên vĩnh viễn. Khi lực nén được loại bỏ, vật liệu không hoàn toàn trở lại trạng thái ban đầu.

Trong biến dạng vĩnh viễn do nén,

Không có biến dạng vĩnh viễn do nén cho thấy khả năng phục hồi tuyệt vời. Vật liệu hoàn toàn trở lại độ dày ban đầu (lý tưởng, nhưng hiếm gặp trong thực tế sử dụng lâu dài).
Ở mức nén 100%, vật liệu không thể phục hồi khỏi biến dạng vĩnh viễn. Vật liệu vẫn giữ nguyên độ dày sau khi nén (hoàn toàn không hiệu quả cho mục đích làm kín).

Vật liệu làm kín tốt thể hiện độ biến dạng vĩnh viễn từ 10-30% trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn; giá trị cao hơn cho thấy hiệu suất lâu dài kém.

Công thức phổ biến nhất được tìm thấy trong Phương pháp B của tiêu chuẩn “ASTM D395 Tính chất cao su - Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về biến dạng nén vĩnh viễn”. Tỷ lệ phần trăm thấp hơn cho thấy khả năng phục hồi đàn hồi tốt hơn.

Biến dạng vĩnh viễn do nén là kết quả của sự kết hợp giữa các quá trình vật lý và hóa học:

Sự giãn nở vật lý: Sự sắp xếp lại các chuỗi polymer và các nút thắt dưới tác động của lực căng.
Biến đổi hóa học: Ở nhiệt độ cao, các liên kết ngang bổ sung có thể hình thành ở trạng thái kéo giãn (biến dạng khóa) hoặc các liên kết ngang hiện có có thể bị đứt (đứt chuỗi).
Sự giãn nở ứng suất và hiện tượng từ biến: Có liên quan nhưng khác nhau: giãn nở ứng suất là sự mất lực dưới biến dạng không đổi, từ biến là sự gia tăng biến dạng dưới lực không đổi. Biến dạng nén vĩnh viễn thể hiện hiệu ứng vĩnh viễn tổng thể sau khi tải trọng được dỡ bỏ.

Các yếu tố làm trầm trọng thêm tình trạng biến dạng vĩnh viễn do nén bao gồm:

Nhiệt độ cao (làm tăng tốc các biến đổi hóa học)
Thời gian nén dài
Nén quá mức (vượt quá mức nén khuyến nghị, ví dụ: ít nhất 30% đối với nhiều loại vòng chữ O)
Lựa chọn vật liệu kém hoặc quá trình đóng rắn không đầy đủ
Tiếp xúc với chất lỏng, ozone hoặc oxy.

Tiêu chuẩn chính để xác định biến dạng vĩnh viễn do nén trong chất đàn hồi là ASTM D395. Tiêu chuẩn này mô tả hai phương pháp:

Phương pháp A Lực không đổi
Phương pháp B: Độ lệch không đổi (thường gặp hơn đối với chất đàn hồi)

Các mẫu thường được nén ở áp suất 25% trong 22–70 giờ ở một nhiệt độ cụ thể (ví dụ: 70 độ, 100 độ hoặc 150 độ), sau đó được thả ra và đo sau thời gian phục hồi.

Các tiêu chuẩn khác bao gồm “ISO 815-1 Cao su lưu hóa hoặc nhiệt dẻo - Xác định biến dạng vĩnh viễn dưới tác dụng nén” và các phương pháp tương tự đối với vật liệu xốp.

Tính chất vật liệu rất khác nhau:

Xuất sắc (độ cứng thấp): Fluoroelastomer, một số loại silicone, elastomer perfluorinated hiệu suất cao.
Vật liệu tốt: EPDM, Nitrile (NBR), HNBR, một số loại silicone cao cấp.
Độ đông cứng trung bình đến cao: Cao su tự nhiên, silicon cơ bản, một số chất đàn hồi nhiệt dẻo.
Yếu hơn: Vật liệu có mật độ liên kết ngang thấp hoặc các hợp chất chưa được lưu hóa đầy đủ.

Ví dụ, trong các ứng dụng làm kín ở nhiệt độ cao, chất đàn hồi flo thường chỉ bị biến dạng dưới 20% sau 70 giờ ở 150 độ, trong khi cao su tự nhiên có thể đạt trên 50-80%.

Trong khi đó, độ nén cao làm biến dạng vòng chữ O hoặc gioăng, làm giảm lực tiếp xúc, và rò rỉ xảy ra khi các bộ phận chuyển động hoặc rung động. Gioăng xốp bị giảm độ dày và hình thành các lỗ rỗng. Đối với gioăng tĩnh sử dụng lâu dài, nên chọn vật liệu có độ biến dạng vĩnh viễn do nén thấp, tránh tỷ lệ nén quá cao và cần xem xét đến sự giảm nhiệt độ.

Biến dạng vĩnh viễn do nén là một trong những đặc tính quan trọng nhất khi đánh giá các chất đàn hồi (như cao su, silicon và fluoroelastomer) để sử dụng trong thực tế. Nó quyết định trực tiếp liệu một bộ phận, chẳng hạn như vòng chữ O, gioăng, bộ phận làm kín hoặc đệm, có tiếp tục hoạt động đáng tin cậy dưới áp lực nén liên tục trong nhiều tháng hoặc nhiều năm hay sẽ bị hỏng sớm.

Những lý do chính khiến tính năng này trở nên quan trọng như sau:

Nó kiểm soát hiệu suất làm kín lâu dài: Gioăng đàn hồi dựa vào khả năng phục hồi đàn hồi để duy trì áp suất tiếp xúc không đổi (lực làm kín) với các bề mặt tiếp xúc. Khi biến dạng nén vĩnh viễn thấp, vật liệu sẽ trở lại gần hình dạng ban đầu, và khả năng làm kín hiệu quả chống lại chất lỏng, khí, bụi hoặc áp suất được duy trì trong thời gian dài.
Nó dự đoán độ bền thực tế dưới tác động của nhiệt và thời gian: Hầu hết các thử nghiệm biến dạng vĩnh viễn do nén được thực hiện ở nhiệt độ cao trong nhiều giờ. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ:
Thanh giằng chéo bổ sung ở trạng thái kéo giãn (nén) (giúp cố định biến dạng)
Đứt gãy chuỗi hoặc giãn nở do lực căng (mất tính đàn hồi vĩnh viễn)
Ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn, độ tin cậy và chi phí: Biến dạng vĩnh viễn do nén cao dẫn đến các kiểu hỏng hóc sau:
Rò rỉ chất lỏng/khí (hệ thống thủy lực, đường dẫn nhiên liệu, chế biến hóa chất, dược phẩm sinh học, thực phẩm và đồ uống)
Sự xâm nhập của chất gây ô nhiễm (vỏ thiết bị điện tử, ô tô, thiết bị y tế)
Tổn thất áp suất (hệ thống khí nén, van)
Giảm độ rung hoặc khả năng giảm chấn (vòng đệm xốp, ốc vít)

Tóm lại, biến dạng vĩnh viễn do nén rất quan trọng vì nó cho biết liệu chất đàn hồi có mất đi tính đàn hồi sau khi bị nén trong thời gian dài hay không, và trong các ứng dụng làm kín, sự mất tính đàn hồi này thường đồng nghĩa với việc mất khả năng làm kín. Biến dạng vĩnh viễn do nén là sự mất đi khả năng ghi nhớ của chất đàn hồi dưới tải trọng liên tục. Để đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy và lâu dài trong các gioăng và các bộ phận linh hoạt, việc lựa chọn vật liệu có biến dạng vĩnh viễn do nén thấp là rất quan trọng.

Trong nhiều năm qua, tổ chức của chúng tôi, với đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm và năng lực, đã thấu hiểu nhu cầu của khách hàng, cung cấp các dịch vụ kiểm thử tiên tiến mà họ yêu cầu, và hỗ trợ trong việc thiết lập, triển khai và cải tiến các hệ thống quản lý. Trong khuôn khổ này, chúng tôi cũng cung cấp dịch vụ kiểm thử biến dạng vĩnh viễn bằng nén cho chất đàn hồi cho các doanh nghiệp.