Trong thực tế, một sản phẩm cao su có thể có độ cứng Shore A đúng yêu cầu, độ bền kéo tốt và bề ngoài hoàn toàn đạt, nhưng sau một thời gian làm việc lại bị xẹp, mất khả năng hồi phục hoặc không còn làm kín tốt.
Một trong những thông số quan trọng để đánh giá hiện tượng này là Compression Set – độ biến dạng dư sau nén.
Đây là chỉ tiêu đặc biệt quan trọng đối với gioăng, đệm làm kín, đệm chống rung và nhiều chi tiết cao su phải chịu lực nén trong thời gian dài.
Compression Set là gì?
Compression Set có thể hiểu đơn giản là mức độ mà cao su không thể trở về chiều dày ban đầu sau khi bị nén trong một khoảng thời gian và điều kiện nhiệt độ nhất định.
Ví dụ, một mẫu cao su dày 10 mm được ép xuống một chiều dày xác định, giữ ở trạng thái đó trong nhiều giờ, sau đó tháo tải và cho mẫu hồi phục.
Nếu mẫu gần trở lại kích thước ban đầu, vật liệu có khả năng phục hồi tốt. Ngược lại, nếu mẫu vẫn bị xẹp đáng kể thì vật liệu có biến dạng dư lớn.
Compression Set càng thấp thường càng có lợi đối với những ứng dụng cần duy trì lực ép và khả năng làm kín lâu dài.
Tuy nhiên, giá trị Compression Set chỉ có ý nghĩa khi đi kèm phương pháp thử, mức nén, thời gian và nhiệt độ thử cụ thể. Không nên chỉ so sánh hai con số phần trăm nếu điều kiện thử khác nhau.
Vì sao Compression Set quan trọng đối với gioăng cao su?
Hãy lấy một gioăng cao su lắp giữa hai mặt bích làm ví dụ.
Khi siết bulông, gioăng bị nén và tạo ra lực tiếp xúc lên hai bề mặt. Chính lực này giúp hệ thống duy trì độ kín.
Theo thời gian, nếu cao su bị biến dạng dư quá lớn, chiều dày của gioăng không hồi phục đủ và lực tiếp xúc có thể giảm. Khi đó nguy cơ rò rỉ tăng lên, đặc biệt trong những hệ thống có nhiệt độ, áp suất hoặc chu kỳ nhiệt thay đổi.
Vì vậy, với một số ứng dụng làm kín, chỉ yêu cầu: “NBR 70 Shore A” là chưa đủ.
Hai loại NBR cùng 70 Shore A vẫn có thể có khả năng duy trì lực làm kín sau thời gian dài rất khác nhau.
Độ cứng Shore A cao có đồng nghĩa Compression Set tốt?
Không.
Đây là điểm rất dễ nhầm khi lựa chọn cao su kỹ thuật.
Độ cứng Shore A chủ yếu phản ánh khả năng chống lại sự lõm của vật liệu dưới đầu đo theo một phương pháp xác định. Compression Set lại đánh giá khả năng phục hồi sau khi vật liệu chịu biến dạng nén trong một điều kiện thử cụ thể.
Do đó:
Độ cứng và Compression Set là hai đặc tính khác nhau.
Một compound 70 Shore A không mặc nhiên có Compression Set tốt hơn compound 60 Shore A.
Khả năng phục hồi sau nén còn phụ thuộc vào loại polymer, hệ lưu hóa, mức độ liên kết ngang, chất độn, chất hóa dẻo, điều kiện lưu hóa và nhiệt độ làm việc.
Những yếu tố nào ảnh hưởng đến Compression Set?
1. Loại cao su nền
NR, NBR, EPDM, CR, Silicone hay FKM có cấu trúc polymer và đặc tính khác nhau.
Việc lựa chọn polymer phải dựa trên môi trường sử dụng thực tế như dầu, nước, ozone, nhiệt độ hay hóa chất chứ không thể chỉ dựa vào Compression Set.
2. Hệ lưu hóa
Hệ lưu hóa ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc mạng liên kết ngang của cao su.
Mật độ và loại liên kết ngang có thể làm thay đổi khả năng phục hồi, độ bền nhiệt, độ giãn dài cũng như Compression Set của sản phẩm.
Đây cũng là lý do hai công thức sử dụng cùng một loại polymer vẫn có thể cho tính chất cơ lý rất khác nhau.
3. Nhiệt độ làm việc
Nhiệt độ là một yếu tố đặc biệt quan trọng.
Một compound có khả năng phục hồi tốt ở nhiệt độ phòng chưa chắc duy trì được đặc tính đó khi phải chịu nén lâu ở nhiệt độ cao.
Vì vậy, khi đánh giá gioăng cho môi trường nhiệt, cần xem Compression Set tại điều kiện nhiệt độ phù hợp với ứng dụng, thay vì chỉ nhìn kết quả thử ở nhiệt độ thấp.
4. Điều kiện lưu hóa
Cao su chưa đạt trạng thái lưu hóa phù hợp có thể không phát huy được tính chất thiết kế.
Ngược lại, lịch sử nhiệt không phù hợp cũng có thể ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của compound.
Do đó, kiểm soát thời gian – nhiệt độ – trạng thái lưu hóa là một phần quan trọng trong sản xuất cao su kỹ thuật.
5. Mức độ biến dạng thực tế
Ngay cả một compound tốt cũng có thể gặp vấn đề nếu gioăng bị ép sai thiết kế.
Ép quá ít có thể không tạo đủ lực làm kín. Ép quá mức lại có thể gây biến dạng lớn, tăng ứng suất và ảnh hưởng đến tuổi thọ của chi tiết.
Vì vậy, thiết kế gioăng phải xét đồng thời vật liệu, hình học, độ cứng và mức nén khi lắp đặt.
Compression Set được kiểm tra như thế nào?
Hai tiêu chuẩn thường gặp trong đánh giá biến dạng dư sau nén của cao su là ASTM D395 và ISO 815-1.
Nguyên tắc chung là: Mẫu cao su được đo chiều dày ban đầu, sau đó nén theo điều kiện quy định và giữ trong một khoảng thời gian ở nhiệt độ xác định. Sau khi tháo tải và cho mẫu hồi phục theo quy trình thử, chiều dày được đo lại.
Từ các kích thước này có thể tính tỷ lệ biến dạng dư.
Điểm quan trọng đối với khách hàng là khi yêu cầu Compression Set, nên ghi rõ tiêu chuẩn thử và điều kiện thử, thay vì chỉ ghi một giá trị phần trăm.
Ví dụ thực tế khi lựa chọn vật liệu
Giả sử cần sản xuất một gioăng cao su làm việc liên tục trong môi trường dầu.
Nếu chỉ yêu cầu: NBR – 70 ±5 Shore A thì nhà sản xuất mới nhận được yêu cầu về loại polymer và độ cứng ở mức tương đối.
Một yêu cầu kỹ thuật đầy đủ hơn có thể cần xác định thêm khả năng chịu dầu, giới hạn nhiệt độ, độ bền kéo, độ giãn dài, Compression Set và các điều kiện thử tương ứng.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với những sản phẩm làm việc dài hạn hoặc khi chi phí dừng máy do hỏng gioăng lớn hơn rất nhiều giá trị của bản thân chiếc gioăng.
Không nên đánh giá chất lượng cao su chỉ bằng Shore A
Trong thực tế mua bán, độ cứng thường được quan tâm đầu tiên vì dễ đo và dễ kiểm tra.
Nhưng một sản phẩm cao su kỹ thuật tốt không thể được đánh giá chỉ bằng một con số Shore A.
Tùy ứng dụng, người thiết kế còn phải quan tâm đến các tính chất như:
- Độ bền kéo và độ giãn dài;
- Độ bền xé;
- Compression Set;
- Khả năng chịu dầu và hóa chất;
- Lão hóa nhiệt;
- Kháng ozone;
- Mài mòn;
- Độ bám dính với kim loại;
- Và sự thay đổi tính chất sau quá trình lão hóa.
Kết luận
Compression Set là một trong những thông số quan trọng để đánh giá khả năng duy trì chức năng của cao su khi phải chịu nén trong thời gian dài.
Đặc biệt với gioăng làm kín và các chi tiết chịu nén, việc lựa chọn vật liệu chỉ dựa trên độ cứng Shore A có thể chưa đủ.
Một sản phẩm phù hợp cần được xem xét từ compound, hệ lưu hóa, điều kiện làm việc cho tới thiết kế và mức biến dạng khi lắp đặt.
Tại Cao su Khánh Đạt, việc lựa chọn vật liệu có thể được xây dựng dựa trên yêu cầu làm việc thực tế của từng sản phẩm, từ loại cao su, độ cứng đến các chỉ tiêu cơ lý cần thiết.
Tôi là Nguyễn Trọng Đạt – Quản lý sản xuất và kỹ thuật của Công ty TNHH cao su kỹ thuật Khánh Đạt. Với chuyên môn hơn 10 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất cao su và cung cấp các sản phẩm làm từ cao su. Một số khách hàng chúng tôi đã cung cấp: Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam, EVN, PTSC cùng nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nước.