مفهوم مانایی فشاری (Compression Set)

مانایی فشاری به صورت درصد تغییر شکل دائمی باقیمانده پس از اعمال فشار مشخص و آزاد سازی آن تعریف می شود. مانایی فشاری پایین بیانگر خاصیت ارتجاعی بهتر و مانایی فشاری بالا نشانه افت خاصیت الاستیک و افزایش ریسک نشتی یا از کار افتادگی است.

استاندارد ASTM D395

استاندارد ASTM D395 دو روش اصلی برای انجام مانایی فشاری تعریف می کند:

روش بار ثابت (Constant Load)- Method A

در روش A آزمون مانایی فشاری مطابق استاندارد ASTM D395، نمونه لاستیکی تحت نیروی فشاری ثابت قرار می گیرد. در این روش، بار مشخصی به صورت عمودی بر سطح نمونه اعمال می شود و نمونه برای مدت زمان معین و در دمای کنترل شده در این وضعیت باقی می ماند. میزان نیروی اعمالی به گونه ای انتخاب می شود که نمونه در محدوده تغییر شکل الاستیک و ویسکو الاستیک قرار گیرد، بدون آن که دچار تغییر ساختاری شود.

در طول آزمون، نمونه در حالی که بار ثابت بر آن اعمال شده است، در آون قرار می گیرد تا اثر همزمان دما، زمان و تنش فشاری بر رفتار بازیابی ماده بررسی شود. پس از پایان زمان آزمون، بار از روی نمونه برداشته می شود و نمونه برای مدت مشخصی در شرایط محیطی نگهداری می گردد تا بازیابی الاستیک آن انجام شود. سپس ضخامت نهایی نمونه اندازه گیری شده و میزان تغییر شکل دائمی باقی مانده به عنوان مانایی فشاری گزارش می شود.

این روش به دلیل حساسیت بالا به دقت اعمال بار، اصطکاک مکانیکی و تغییرات جزئی در توزیع نیرو، امروزه کمتر مورد استفاده صنعتی قرار می گیرد و بیش تر جنبه مطالعاتی یا مقایسه ای دارد.

روش (Constant Deflection)- Method B

روش B که متداول ترین و معتبرترین رو ش آزمون مانایی فشاری در صنعت لاستیک است، بر پایه اعمال تغییر شکل فشاری ثابت به نمونه انجام می شود. در این روش، نمونه لاستیکی تا درصد مشخصی از ضخامت اولیه خود، معمولا ۲۵ درصد، فشرده شده و این میزان فشردگی در طول کل آزمون ثابت نگه داشته می شود.

نمونه پس از اندازه گیری ضخامت اولیه، در فیکسچر مخصوص آزمون قرار داده می شود؛ فیکسچری که به وسیله فاصله دهنده های دقیق، مقدار فشردگی را بدون وابستگی به نیروی اعمالی تضمین می کند. سپس مجموعه فیکسچر و نمونه در آون با دمای مشخص قرار می گیرد و برای مدت زمان تعیین شده در همان وضعیت باقی می ماند. در این مرحله، رفتار ویسکو الاستیک لاستیک و پایداری شبکه پخت تحت تنش فشاری و دمای بالا به طور هم زمان ارزیابی می شود. پس از پایان زمان آزمون، نمونه از آون خارج شده و فشردگی از روی آن برداشته می شود. نمونه برای مدت مشخصی در دمای محیط نگهداری می شود تا فرآیند بازیابی الاستیک انجام گیرد. در نهایت، ضخامت نهایی نمونه اندازه گیری شده و درصد مانایی فشاری بر اساس اختلاف ضخامت اولیه و نهایی محاسبه می شود.

روش B به دلیل کنترل دقیق میزان تغییر شکل، تکرار پذیری بالا و ارتباط مستقیم با شرایط کاری واقعی قطعاتی مانند اورینگ ها و گسکت ها، به عنوان روش مرجع در کنترل کیفیت و تحقیقات صنعتی شناخته می شود.

فرمول محاسبه مانایی فشاری

• h₀ = ضخامت اولیه
• h₁ = ضخامت پس از بازگشت
• h_s = ارتفاع فاصله گذار

به طور کلی، تفاوت اساسی روش A و B در نحوه اعمال تنش فشاری است؛ روش A بر بار ثابت و روش B بر تغییر شکل ثابت تکیه دارد. به همین دلیل، روش B دقت بالاتر، قابلیت مقایسه بهتر و انطباق بیش تری با شرایط عملکرد واقعی قطعات لاستیکی دارد و امروزه در اغلب استاندارد ها و کاربردهای صنعتی ترجیح داده می شود.

آیا عدد فشردگی ۲۵% در روش B برای همه لاستیک ها یکسان است؟

خیر، عدد ۲۵% الزامی و همگانی برای همه لاستیک ها یکسان نمی باشد. اما ۲۵% فشردگی، رایج ترین و مرجع ترین مقدار در استاندارد ASTM D395 است. در صد فشردگی بسته به نوع لاستیک و بازه سختی، کاربرد قطعه و شرایط سرویس واقعی می تواند متفاوت باشد. استاندارد ASTM D395 به طور متداول مقادیر ۲۵%، ۲۰%، ۱۵% و در برخی کاربردهای خاص، حتی مقادیر کمتر یا بیش تر را پوشش می دهد.

میزان فشردگی ۲۵% نماینده خوبی از شرایط فشردگی واقعی اورینگ ها و گسکت ها است. چرا که هنوز در محدوده رفتار الاستیک- ویسکو الاستیک قرار دارد، باعث تخریب ساختار لاستیک نمی شود و امکان مقایسه میان فرمولاسیون ها را فراهم می کند. به همین علت، هنگامی که بدون ذکر جزئیات گفته می شود مانایی فشار طبق استاندارد ASTM D395 ، تقریبا همیشه منظور روش B با فشردگی ۲۵% است.

ارتباط مانایی فشاری با شبکه پخت لاستیک

هنگامی که یک لاستیک پخت می شود، پیوندهای عرضی میان زنجیره های پلیمری ایجاد می شوند. این پیوندها یک شبکه سه بعدی ایجاد می کنند که تعیین کننده:

• مدول الاستیک
• مقاومت کششی و فشاری
• خاصیت برگشت پذیری ماده

است. هرچه تراکم شبکه پخت بیش تر باشد، لاستیک سخت تر و بازگشت پذیری آن بالاتر است.

آزمون مانایی فشار به روش B، در واقع بازگشت پذیری شبکه پلیمری تحت فشردگی طولانی مدت و دما را می سنجد.

ارتباط میان مانایی فشار و شبکه پخت

ارتباط میان مانایی فشاری و شبکه پخت شامل موارد زیر است:

پیوندهای عرضی زیاد و متراکم، مانایی فشاری پایین را به دنبال دارد. لاستیک پس از رها شدن فشردگی، تقریبا به ضخامت اولیه خود باز می گردد. این موضوع نشان دهنده شبکه پلیمری سالم و با تراکم مناسب است. در حالی که پیوندهای عرضی کم یا ناکافی، مانایی فشاری بالاتری را به دنبال خواهد داشت. لاستیک پس از آزاد سازی فشردگی، تغییر شکل دائمی زیادی دارد. دلیل آن ضعف شبکه پلیمری و عدم توانایی حفظ الاستیسیته است. از سوی دیگر، شبکه پخت بیش از حد، شکنندگی و سختی بالا را به دنبال خواهد داشت. در این حالت، مانایی فشاری ممکن است ظاهرا پایین به نظر برسد اما ماده ترد و مستعد ترک خوردگی است. بنابراین بررسی مانایی فشاری باید همزمان با سختی و مدول انجام شود.

نقش زمان و دما

دمای بالا و یا زمان طولانی پخت موجب افزایش پیوندهای عرضی شده و مانایی فشار کاهش می یابد. پخت ناکافی منجر به ایجاد شبکه ضعیف شده و مانایی فشاری افزایش می یابد. این نکته باعث می شود که مانایی فشاری یک شاخص غیر مستقیم اما حساس برای بررسی کیفیت پخت و تراکم شبکه باشد.

مقایسه رفتار Compression Set الاستومرهای مختلف در دمای محیط و دمای بالا

چنانچه توضیح داده شد، مانایی فشار یکی از مهم‌ترین شاخص‌های عملکردی در طراحی قطعات آب‌بندی، لرزه‌گیرها، اورینگ‌ها، گسکت‌ها و سایر قطعات الاستومری است. این آزمون نشان می‌دهد که یک لاستیک پس از قرار گرفتن تحت فشار ثابت و آزاد شدن، تا چه اندازه قادر است به ضخامت اولیه خود بازگردد.

به طور کلی، هرچه مقدار Compression Set کمتر باشد، عملکرد الاستومر بهتر است؛ زیرا قطعه خاصیت الاستیکی خود را بهتر حفظ کرده و نیروی آب‌بندی (Sealing Force) را در طول زمان از دست نمی‌دهد.

نمودار فوق نتایج آزمون ۵۰% Compression به مدت ۲۲ ساعت را در دو دمای ۲۳°C و ۷۰°C برای چند خانواده مهم الاستومری نشان می‌دهد.

تحلیل نتایج

اثر دما بر Compression Set

واضح‌ترین نتیجه نمودار، افزایش Compression Set با افزایش دما است.

تقریباً تمامی الاستومرها در دمای ۷۰ °C تغییر شکل دائمی بیشتری نسبت به دمای محیط نشان می‌دهند. دلیل این رفتار عبارت است از:

• افزایش تحرک زنجیرهای پلیمری
• کاهش نیروی بازگشت الاستیک
• شروع فرآیندهای Relaxation در شبکه ولکانیزه
• افزایش احتمال تخریب پیوندهای عرضی در برخی پلیمرها

به همین دلیل عملکرد یک الاستومر در دمای محیط لزوماً نشان‌دهنده عملکرد آن در شرایط سرویس واقعی نیست.

ترکیب Neoprene/ EPDM

این ترکیب بیشترین Compression Set را در نمودار نشان می‌دهد.

تقریباً:

• حدود ۲۳% در دمای محیط
• حدود ۴۶% در ۷۰ °C

این نتایج نشان می‌دهد که اگرچه این نوع Blend ممکن است از نظر قیمت یا خواص مکانیکی مناسب باشد، اما برای کاربردهایی که حفظ نیروی آب‌بندی در دمای بالا اهمیت دارد، انتخاب ایده‌آلی محسوب نمی‌شود.

Vinyl Nitrile

Vinyl Nitrile نیز عملکرد نسبتاً ضعیفی دارد.

Compression Set آن تقریباً:

• ۲۲% در دمای محیط
• ۴۳% در ۷۰ °C

افزایش قابل توجه مقدار Compression Set نشان می‌دهد که این ماده در شرایط دمایی بالا بخشی از خاصیت ارتجاعی خود را از دست می‌دهد.

Neoprene (CR)

Neoprene نسبت به دو ماده قبلی عملکرد بهتری دارد.

تقریباً:

• ۱۵% در دمای محیط
• ۲۹% در ۷۰ °C

این نتایج نشان می‌دهد که لاستیک کلروپرن علاوه بر مقاومت مناسب در برابر شرایط جوی، از نظر حفظ خاصیت ارتجاعی نیز عملکرد قابل قبولی ارائه می‌دهد.

EPDM

EPDM یکی از بهترین عملکردها را در این مقایسه نشان داده است.

حدود:

• ۶% در دمای محیط
• ۱۳% در ۷۰ °C

این نتایج با ویژگی‌های شناخته‌شده EPDM کاملاً همخوانی دارد. ساختار تقریباً اشباع این پلیمر موجب پایداری مناسب شبکه ولکانیزه در برابر حرارت شده و در نتیجه تغییر شکل دائمی نسبتاً کمی ایجاد می‌شود.

به همین دلیل EPDM یکی از رایج‌ترین انتخاب‌ها برای:

• گسکت ها
• اورینگ ها
• آب بندهای فضای باز
• سیستم های HVAC
• صنایع خودرو سازی

است.

Polyurethane (PORON)

PU کمترین Compression Set را در میان مواد غیرسیلیکونی نشان می‌دهد.

تقریبا:

• ۲% در دمای محیط
• ۳% در ۷۰ °C

این رفتار نشان‌دهنده توانایی بسیار بالای این ماده در بازیابی شکل اولیه پس از حذف بار فشاری است؛ ویژگی‌ای که آن را برای کاربردهای آب‌بندی طولانی‌مدت و جذب ارتعاش بسیار مناسب می‌کند.

Silicone Rubber

سیلیکون عملکرد بسیار چشمگیری دارد.

Compression Set آن تقریباً:

• ۱ تا ۲% در دمای محیط
• حدود ۲% در دمای بالا

در پایین نمودار نیز ذکر شده که آزمون سیلیکون در ۱۰۰ °C انجام شده است، در حالی که سایر مواد در ۷۰ °C ارزیابی شده‌اند. بنابراین عملکرد واقعی سیلیکون حتی از آنچه نمودار نشان می‌دهد نیز قابل توجه‌تر است.

ساختار Si–O–Si در زنجیره اصلی سیلیکون باعث پایداری حرارتی بسیار بالا، حفظ خاصیت الاستیکی در دماهای بالا و کاهش تغییر شکل دائمی می‌شود.

به همین دلیل سیلیکون یکی از بهترین گزینه‌ها برای کاربردهایی مانند:

• تجهیزات پزشکی
• صنایع غذایی
• آب بندهای دمای بالا
• صنایع الکترونیک
• قطعات موتور خودرو

است.

این نمودار به‌خوبی نشان می‌دهد که افزایش دما تقریباً در تمامی الاستومرها باعث افزایش Compression Set می‌شود، اما شدت این افزایش به ساختار شیمیایی پلیمر وابسته است.

به طور کلی، رتبه‌بندی عملکرد مواد از نظر کمترین مانایی فشار و بهترین عملکرد به صورت زیر است:

مانایی فشاری به عنوان شاخص کیفیت در سایان بسپار سپاهان

در شرکت سایان بسپار سپاهان، آزمون مانایی فشاری یکی از مهم ترین شاخص های کنترل کیفیت لاستیک ها است. و نقش مهمی در اطمینان از عملکرد طولانی مدت قطعات صنعتی دارد. این شاخص به طور مستقیم کیفیت شبکه پلیمری و توانایی لاستیک در بازگشت به شکل اولیه پس از فشردگی طولانی مدت و دمای بالا را اندازه گیری می کند.

به ویژه در اورینگ های EPDM، مانایی فشاری پایین به معنای بازگشت پذیری بسیار بالا و کاهش تغییر شکل دائمی پس از نصب در قطعات تحت فشار است. این ویژگی، عملکرد بی نقص اورینگ ها در شرایط سرویس سخت و دماهای بالا را تضمین می کند و خطر نشتی یا از کارافتادگی قطعات را به حداقل می رساند.

در سایان بسپار سپاهان، ما با استفاده از فرمولاسیون های پیشرفته EPDM و انتخاب دقیق پرکننده ها و افزودنی ها، قادر هستیم اورینگ هایی با مانایی فشاری پایین تولید کنیم که در دماهای بالا نیز پایدار باقی می مانند. این توانمندی به مشتریان ما اطمینان می دهد که قطعات تولیدی دوام و عملکرد طولانی مدت دارند.

سوالات متداول