-
Subject Areas :
HamidReza
Sabbaghi
1
Ali
Abbasian
2
Keywords: -,
Abstract :
-
1. Brown R.P., Practical Guide to the Assessment of the Useful Life of Rubbers, Rapra Technology Limited, USA, 2001.
2. West J., The Evolution of Elastomeric Joints in Plastic 2. Pipe Systems and the use of Long Term Stress Relaxation Testing to Predict Service Life, International Plastic Pipe Conference, Trelleborg Pipe Seals; Lelystad, The Netherlands, 2019.
3. Industry Guidelines, Expected Service Life oF Elastomeric Pipe Seals, Pipelines Integrity for a Cleaner Environment, Plastic Industry Pipe Association of Australia Limited, ACN 086 511 686, 2004
4. Montgomery T., William J., MacKnigh T., Introduction to Polymer Viscoelasticity, 3rd Edition; Wiley Inter Sicence, Chapter 4, Hoboken, New Jersey, 2018.
5. Conveney V.A., Elastomer and Components; Service life Prediction–Progress and Challenges, Chapter4, Woodhead Publishing in Materials, Cambridge England, 2006.
6. Ronan S., Alshuth T., Hannover S., Jerrams, Dublin (Ireland), An Approach to the Estimation of Long-Term Stress Relaxation in Elastomers, KGK, 559-563, 2007.
7. West J., The Evolution of Elastomeric Joints in Plastic Pipe Systems and the use of Long Term Stress Relaxation Testing to Predict Service Life, International Plastic Pipe Conference, Trelleborg Pipe Seals; Lelystad, The Netherlands, 2019.
8. Alexander D., Rubber physics, Institute of Natural and Humanit Sciences, University of Trencin, Slovakia, 48, 1990.
9. Ronan S., Alshuth T., Jerrams S., Murphy N., Long-term Stress Relaxation Prediction for Elastomers Using the Time–Temperature Superposition Method; ScienceDirect, Materials and Design, 28, 1513-1523, 2007.
10. International Organization for Standardization, Rubber, Vulcanized or Thermoplastic–Accelerated Ageing, Heat Resistance Tests, ISO 188, 5th Edition,10-01, 2011.
11. Huy V., Evrard G., Methodologies for Lifetime of Rubber Using Arrhenius and WLF Models, Die Angewandte Makromolekulare Chemie, 261, 135–142, 1998.
12. Abraham P., Service Life Prediction of Rubber Component Used in Engineering Applications - A Review, Akron Rubber Development Laboratory, Inc; January 26, 2002.
13. Spetz G., Ageing and Lifetime Estimation of Rubber Materials by Stress Relaxation, Elastocon AB Sweden, Manchester Polymer Group Seminar, 15, 2017.
14. International Organization for Standardization, Rubber, Vulcanized or Thermoplastic-Estimation of Life-time and Maximum Temperature of use, ISO 11346, 3rd Edition-12-01, 2018.
15. International Organization for Standardization, Rubber, Vulcanized or Thermoplastic-Determination of Stress relaxation in Compression–part 1: Testing at Constant Temperature, ISO 3384, First Edition 12-01, 2011.
16. Gent A.N., Engineering with Rubber – How to Design Rubber Components, 3rd Edition, Hanser Publishers Cincinnati, Chapter7, Munich, 2012.
تحلیل و بازنگرشی بر روش‌شناسیِ مدل‌های ریاضی، جهت پیشبینی طولعمر قطعات لاستیکی به ویژه در کاربرد درزگیرهایِ لوله‌هایِ پلاستیکی
Review and Methodological Analysis of Mathematical Models in order to Predict the Lifetime of Rubber Seals in Pipeline Systems
نوع مقاله: مروري
علي عباسيان(1) و سیدحميدرضا صباغي(2)*
-1 عضو هيئت علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد علوم تحقيقات، تهران، ايران
-2 کارشناسی ارشد مهندسی پلیمر دانشگاه ازاد اسلامي واحد علوم تحقیقات، تهران، ايران
* عهده‌دار مکاتبات: hamidrezasab@gmail.com
چکیده:
رویکرد مدل WLF جهت پیشبینی طولعمر کارایی بسپار، زمانی که بسپار تحت پدیده پیرش (Ageing) فیزیکی-مکانیکی است یا به عبارتی تحلیل فرسایش فیزیکی به علت رخداد فرایندهای گرانروکشسان (Visco-Elastic) مانند واهلش تنش (Stress Relaxation)، بسیار مناسب واقع شده است. در این مدل با استفاده از اصل انطباق زمان-دما و انجام آزمون واهلش تنش، از طریق ضریب جابجایی (Shift Factor) طولعمر بسپار پیشبینی خواهد شد. اما از آن طرف، هنگامی که فرایندها و سازوکارهای فیزیکی-شیمیایی در بسپار غالب است و هدف آن است که کارایی قطعه در مدت زمان‌های طولانی‌تری بررسی شود، رویکرد مدل Arrhenius به طور گسترده جهت تحلیل و بررسی پیشبینی طولعمر بسپار با انجام آزمون پیرش شتاب‌یافته (Accelerated Aging Test) صورت می‌پذیرد. در این گزارش جمعبندی روشهای پیشبینی طولعمر کارایی بسپارها بخصوص لاستیکها در کاربرد "درزگیر" با استفاده از دو مدل ریاضی WLF و Arrhenius در آزمون واهلش‌تنش آورده شده است. کاربرد اصلی هدف این گزارش پیشبینی طول عمر آببندهای لاستیکی لولههای پلاستیکی در کاربردهای مختلف است.
واژهگان کلیدی: واهلش تنش، اصل انطباق زمان-دما، پدیده‌ی تباهی شیمیایی ، آزمون پیرش شتاب‌یافته، پیشبینی طولعمر
در تولید قطعات لاستیکی برای کاربردهای صنعتی همیشه این پرسش هست که طول عمر محصولات لاستیکی در کاربردهای موردنظر چقدر دوام خواهند داشت؟ به طورکلی طولعمر درزگیرها و واشرهای لاستیکی وابسته به برهم‌کنش بسپار با محیط اطراف (دما، فشار و عوامل شیمیایی، ازون و پرتو فرابنفش) و نیز تغییرات مشخصه‌های ذاتی لاستیک با گذشت زمان است [1]. انتظار می‌رود که طول عمر لولههای پلاستیکی در کاربردهای زیرساختی بیش از 100 سال باشد. طبیعتا درزگیرهای لاستیکی هم که برای آب‌بندی این لوله‌ها در صنعت آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می‌گیرند مطلوب است که چنین عمری داشته باشند یا حداقل تفاوت عمرشان تغییر مهمی در فرایند نگه‌داری لوله به لحاظ هزینه و زمان ایجاد نکند. از این رو لازم است قبل از نصب، همگی درزگیرهای ساخته شده در برابر شرایط محیطی ذکر شده عمر قابل قبولی داشته باشند. قبل از اتصال درزگیر با لوله، طول عمر و کارایی درزگیر باید مطابق با استانداردهای مناسب و دستورالعمل‌های سازنده مشخص شود. با توجه به طیف وسیعی از سازوکارهای وادادگی احتمالی برای مواد لاستیکی باید اطمینان یافت که درزگیرها در طول عمر لوله تحت تاثیر هیچ یک از سازوکارهای وادادگی وا نمیدهند. تجربه تا به امروز نشان داده‌است که، درزگیر لوله‌ها باید طوری طراحی و تولید شوند که بعد از اعمال نیروی فشاری، حداقل تا 50 سال دچار وادادگی نشوند؛ و همچنین نیز انتظار کارایی مفید آن‌ها تا 100 سال از ناحیه صنعت‌گر انتظار غیرمعقولی نخواهد بود [2]. از آن‌جا که کوچکترین نقص در درزگیرها منجر به اختلال در عملکرد و عمر کارای لوله‌ها میشود؛ بنابراین، پیشبینی طولعمر یک فراورده لاستیکی، در مرحله‌ی طراحی، از اهمیت زیادی برخوردار است. معمولا قطعات لاستیکی در طی مدت‌زمان کارایی و خدمات‌دهی‌شان، در معرض یک و یا حتی چندین از عوامل تخریب و وادادگی قرار می‌گیرند. در جدول1 به شماری از این عوامل به تفکیک اشاره شده است.
به طور کلی بحث ماندگاری درزگیرهای لاستیکی توسط بسیاری از استانداردهای مختلف بررسی شده‌است و به عنوان نمونه در گزارشی که در پیشگفتار استاندارد استرالیا AS1646-2007، حلقه‌های اتصال لاستیکی برای کاربردهای تامین آب، فاضلاب و زه‌کشی آمده است داریم:
"سوابق موجود نشان می‌دهد تعداد زیادی از درزگیرهای لاستیکی مورد استفاده در تاسیسات آب‌رسانی تا 100 سال خدمات عالی ارائه داده‌اند. با این حال، عمر برخی از حلقه‌های لاستیکی در خطوط لوله و فاضلاب بخاطر حمله‌های میکروبی و باکتریایی به میزان کمتری گزارش شده‌است. (به طور کلی درزگیر لولههای آب و فاضلاب در معرض حملات میکروبی و عوامل میکروب‌شناختی هستند، درزگیرهای NR بیشتر در معرض این حملات هستند و این عوامل از عمر کارایی این لاستیکها می‌کاهند و باعث تخریب آن‌ها خواهند شد. مشاهدات نشان می‌دهد که این اتفاق پس از مهاجرت پاداکسنده‌ها اتفاق می‌افتد. استاندارد ISO 846 مقاومت پلاستیک‌ها را در برابر باکتری‌ها و میکروب‌ها بررسی می‌کند و میتوان این استاندارد را به لاستیکها هم تعمیم داد. اما استاندارد انگلیسی BS 7874، تخریب میکروبی لاستیک‌های حلقه‌ای (O-ring) اتصالات لوله را بررسی کرده است. اما در کل بررسی عوامل میکروب‌شناختی روی قطعات بسپاری در بلندمدت کار آسانی نیست [1]) بنابراین باید تشخیص داده شود هنگامی که حلقه‌های لاستیکی یا درزگیرها برای استفاده در جایی که حملات ریزجانداران (Micro-organism) بسیار است در نظر گرفته میشوند، روش پیشبینی خاصی ممکن است لازم باشد تا بتوان عدم تاثیر این باکتری‌ها بر لاستیک را تضمین کند." تحقیقات بعدی نشان داد که حملات زیست‌شناختی فقط در درزگیرهای لاستیک طبیعی NR مشاهده شده‌است و بیشتر این وادادگی‌ها پس از مهاجرت و تخلیه پاداکسنده‌ها اتفاق می‌افتد. به همین خاطر از سال 1970، یک غلظت حداقل از ترکیب بخصوص پاداکسنده‌ها برای خدمات‌دهی بهتر درزگیرهای آب و فاضلاب مشخص شده‌است تا درزگیرهای NR ساخته شده با ترکیب غلظتی پاداکسنده‌ها بتوانند در برابر حملات زیست‌شناختی ماندگار باشند. همچنین شواهد نشان می‌دهند که با اعمال این مهم طول عمر مورد انتظار درزگیرها مانند آنچه که در استاندارد سال 2007 آمده است (100 سال) همچنان معتبر است.
با توجه به موارد جدول1 عوامل موثر بر عمر قطعات لاستیکی و تخریب آن‌ها شناخته شده است، در این مقاله پیش از ورود به مبحث چگونگی پیشبینی طولعمر و کارایی مورد انتظار درزگیرها، به احتمالات و موارد مختلف که منجر به وادادگی (Failure) درزگیرهای لاستیکی میشوند، در بخش1.1 اشاره خواهد شد. اما نتیجه‌ای که از جدول1 میتوان برای کاربرد درزگیر لاستیکی لولههای آب گرفت به شرح زیر است:
1- تاثیر ریزجانداران: بررسی درازمدت ممکن نیست و در کوتاه مدت فقط برای کائوچوی طبیعی تاثیر دارد.
2- تاثیر رطوبت: برای کائوچوهای غیرقطبی متداول تاثیرگذار نیست.
3- عوامل شیمیایی: از آن جا که لاستیکها، بسپارهایی هستند که توسط افزودنی‌های شیمیایی پخت میشوند و از طریق عوامل پخت در بین زنجیره‌های آن‌ها اتصالات عرضی شکل می‌گیرد، با گذشت زمان در اثر عوامل محیطی زنجیره‌های بسپار می‌شکنند. در اثر این عوامل زنجیره‌های بسپار دچار پدیده‌ی واهلش میشوند که این پدیده می‌تواند مستقیما بر روی خواص مکانیکی لاستیک اثر منفی بگذارد. لاستیکها به طور کلی مقاومت خوبی در برابر طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی نشان می‌دهند اما برخی از لاستیکها ممکن است بخاطر کاربردهای فاضلابی مستعد حمله برخی مواد شیمیایی باشند و در برابر این مواد آسیب‌پذیر باشند. با این حال، از آن جا که مساحتِ سطحی از درزگیرها که به لوله متصل است بسیار کوچک است تاثیرات این عوامل می‌تواند حداقل باشد. تا این لحظه گزارشی در مقالات که مستقیما لاستیک بخاطر عوامل شیمیایی دچار وادادگی شده باشد موجود نیست (بجز کاربردهای فاضلاب). در مورد لولههای آب و فاضلاب نصب شده در زمین آلوده احتمال وادادگی درزگیر ممکن است و باید بمنظور جلوگیری از آن ناحیه اتصال درزگیر با لوله را با پوششی محافظت نمود.
4- جذب روغن: لاستیکها در تمامی انواع مختلفشان، طیف گسترده‌ای از پاسخ به روغن‌ها را نشان می‌دهند. ارزیابی پاسخ و واکنش یک پلیمر به روغن، کاملا به خود بستر پلیمر و افزودنی‌های مورد استفاده در آمیزه و نوع روغن بستگی دارد. معمولا در بیشتر موارد بسپار با جذب نمودن روغن از خود واکنش نشان می‌دهد، این جذب منجر میشود که لاستیک (بسپار) متورم شده و خواص مکانیکی آن افت نماید. انتظار نمی‌رود که درزگیر لولههای آب که در معرض روغن هستند از طریق سازوکار تورم دچار وادادگی شوند، اما درزگیر لولههای فاضلاب نمی‌توانند طولانی مدت در معرض روغن باشند. بطورکلی برای کاربردهایی که مقاومت در برابر جذب روغن بسیار مهم است و درزگیر لوله باید کاملا نسبت به روغن مقاوم باشد؛ درزگیر لاستیکی از جنس نیتریل می‌تواند مفید واقع شود و البته بهتر است که روی درزگیر با پوششی ضدروغن باز پوشانده شود که روغن نفوذ نکند مگرنه عمر درزگیر به شدت میکاهد [3].
5- تاثیر جریان الکتریکی و تابش یونشی که برای لولههای آب و فاضلاب تاثیرگذار نیست.
از این رو مطالعه‌ی حاضر با توجه به اهمیت تنشهای مکانیکی و دما و نور، با معرفی دو مدل پیشبینی طولعمر فراورده‌های لاستیکی (مدل آرنیوسی-مدل WLF) به بررسی عمر کارآمد آن‌ها خواهد پرداخت. در ادامه جهت پیشبینی طولعمر درزگیرهای لاستیکی در بخش 2.1 به این مهم اشاره میشود که در کاربرد درزگیرهای لاستیکی مهم‌ترین عامل در جهت وادادگی لاستیکها پدیده گرانروکشسان "واهلش تنش" است. اصل انطباق زمان-دما به کمک معادله WLF جهت واهلش فیزیکی، و رویکرد آرنیوسی به کمک معادله Arrhenius جهت واهلش شیمیایی می‌باشد (موضوع واهلش فیزیکی یا شیمیایی در بخش 2.1 و 6.1 بحث شده است).
در پایان بخش اول مقدمه لازم به ذکر است که یکی دیگر از روشهای ریاضی جهت پیشبینی طولعمر قطعات بسپاری، حل معادلات گرانروکشسان در لاستیکها می‌باشد که برپایه‌ی مدل‌های پدیده گرانروکشسان (ViscoElastic Phenomena) بنا شده‌اند [4]؛ از جمله پرکاربردترین روش‌ها در جهت حل این نوع معادلات استفاده از روش اجزای محدود یا FEM است. پدیده گرانروکشسانی یا Viscoelasticity (ویژگی و یا خاصیت ذاتی مواد لاستیکی و پلاستیکی است که زنجیره‌های بسپار، تحت اعمال نیرو دچار تغییرشکل (Deformation) و حرکت میشوند.) یک رفتار وابسته-به زمان (Rate-Dependent) است که در مواد بسپاری بیشتر در دو نوع پدیده‌ی "واهلش تنش Stress Relaxation" و "خزش Creep" خود را نشان می‌دهد. واهلش تنش عبارت است از افت تنش اعمالی با گذشت زمان تحت کرنش ثابت در حالی که خزش، ناشی از افزایش کرنش قطعه بسپاری تحت تنش ثابت است. هر دو نوع این پدیده‌ها در کاربردهای مختلف مواد بسپاری می‌توانند در میزان کارایی و خدمت‌دهی قطعه اثرگذار باشند؛ آزمون واهلش تنش فشاری می‌تواند طولعمر پیرش درزگیرهای لاستیکی را بررسی کند، در حالی که خزش در تغییر شکل درزگیر و به تبع آن توزیع تنش در درون درزگیر اثرگذار است [5]. یکی از روشهای پرکاربرد به منظور تخمین طولعمر درزگیرهای لاستیکی روش یا تحلیل اجزای محدود غیر-خطی با استفاده از معادلات گرانروکشسان [5] از طریق نرم‌افزارهایی مانند ABAQUS است. تحلیل اجزای محدود مدل‌سازی یا به عبارت دقیق‌تر شبیه‌سازی سطح‌مقطع‌های ساده و حتی پیچیده درزگیر را فراهم می‌آورد، و از همین رو جهت برآورد و پیشبینی تغییرات توزیع تنش در درون هندسه پیچیده درزگیر و تاثیر این نیروها بر کارایی درزگیر کاملا مفید واقع شده است. لازم به ذکر است که در مدل‌های اجزای محدود سطح درزگیر و تمامی وجه‌های آن باید کاملا صاف و بدون اعوجاج فرض شود، و مهم‌ترین ویژگی و یا مشخصه کلیدی به منظور مدل‌سازی دقیق طولعمر یک درزگیر ایستا (Static Seal) داده‌های موادی (Material data) لاستیک است [5]. اگرچه که بسیاری از کارشناسان در عمل اجزاهای بخصوصی را بر روی یک درزگیر مدل کرده‌اند، اما هنوز هیچ‌کس نتوانسته است که یک مدل اجزایِ محدود یکپارچه و همگون بر روی هندسه درزگیر اعمال نماید تا کاملا بتواند عمر درزگیر را شبیه‌سازی نماید از همین رو این روش تاکنون استفادهی صنعتی برای پیشبینی طول عمر ندارد.
هنگامی که کرنشی ثابت به یک نمونه لاستیکی تحمیل میشود، نیرویی که جهت نگه‌داشتن لاستیک در آن کرنش مشخص اعمال شده است با گذشت زمان کاهش می‌یابد، و این پدیده واهلش تنش نام دارد. به طور کلی علت پدیده واهلش تنش می‌تواند ایجاد فرایندهای فیزیکی یا شیمیایی در بستر لاستیک باشد و حتی گاهی در شرایط معمول هر دو این فرایندها بصورت هم‌زمان مشاهده شده است. با این وجود، همانطور که بعدا مشخص خواهد شد (شکل1) در دماهای کم و یا بازههای زمانی کوتاه (منظور زمان کار نمونه است و با زمان واهلش اشتباه نشود!)، فرایندهای فیزیکی بیشتر بر پدیده‌ی واهلش تنش غالب است؛ در حالی که در بازههای زمانی بلندمدت و یا دماهای زیاد فرایندهای شیمیایی بر پدیده‌ی واهلش تنش تاثیرگذار است [6]. پدیده‌ی واهلش تنش می‌تواند در 3 آزمون مختلف اعم از فشاری، کششی، و برشی بررسی شود که از این بین، آزمون فشاری بیشترین اهمیت را در تخمین طولعمر واشرها و درزگیرهای لاستیکی در صنعت لوله و اتصالات دارا است. جهت شفاف شدن بروز واهلش شیمیایی و فیزیکی در پدیده‌ی واهلش تنش هر دو این فرایندها بصورت مجزا بحث خواهد شد:
الف) فرایند واهلش فیزیکی: واهلش فیزیکی دربردارنده‌ی بازجهتیافتگی (Reorientation) مولکولهای لاستیک تحت کرنش، همراه با بازآرایی گوریدگی‌های (entanglements) زنجیر تحت نیرو است که این بازیابی و مقاومت زنجیره‌ها در برابر کرنش اعمال شده جهت حفظ حالت اولیه خود، بصورت حرکت‌های زنجیره آزاد نمایان خواهد شد. بعلاوه، در لاستیک‌های پرشده این واهلش بصورت شکستن پیوندها بخاطر نیروهای واندروالس بین ذره‌های پرکننده (شبکه پرکننده)، یا شکستن پیوندها بین زنجیر و پرکننده (برهم‌کنش بسپار-پرکننده) مشاهده شده است. واهلش فیزیکی به دمای مورد استفاده و تحرک زنجیرها وابسته است. نزدیکی دمای کار (Service Temperature) به دمای انتقال شیشه‌ای لاستیک، معمولا مهم‌ترین عامل جهت غالب بودن یا نبودن واهلش فیزیکی است که در ادامه به آن اشاره خواهد شد. همچنین چگالی اتصالات عرضی لاستیک بر آهنگ واهلش تاثیرگذار است و هرچه میزان اتصالات عرضی لاستیک بیشتر باشد واهلش فیزیکی دیرتر رخ خواهد داد.
ب) واهلش شیمیایی: در دماهای زیاد و بازههای زمانی بلندمدت، فرایند واهلش شیمیایی کاملا بر واهلش فیزیکی غالب است؛ چه سازوکارهایی که منجر به واهلش شیمیایی میشود عبارتند از واکنش‌های گرمایی و گرما-اکسایشی زنجیره‌های بسپار که در واقع گسستگی اتصالات لاستیک را در پی دارد. گسستگی زنجیره‌ها، چگالی رشته‌های شبکه (Network strands) را کاهش می‌دهد و این مهم منجر به ایجاد زنجیره‌های جدید با انتهاهای آزاد مختلف خواهد شد [6] که خروجی آن افت تنش ذخیره شده درون ماده است که در نهایت منجر به وادادن قطعهی ساخته شده میشود.
2.1. بررسی احتمال و پتانسیل وادادگی لاستیکها:
1. ترک‌زایی تنشی محیطی: مواد بسپاری معمولا هنگامی که تحت تنش کششی ثابت هستند، در مجاورت مواد شیمیایی دچار ترک‌خوردگی میشوند. ترکیب عوامل محیطی-شیمیایی و تنش کششی منجر به ترک‌زایی در لاستیکها و پلاستیک‌ها خواهد شد. از آن‌جایی که درزگیر لولههای پلاستیکی اغلب اوقات تحت تنش فشاری هستند تا کششی (موارد 7 و 8)، بنابراین این پدیده رخ نخواهد داد.
2. مانایی فشاری: مانایی فشاری یک مشخصه از لاستیکها می‌باشد و عبارت است از میزان کرنش دائمی باقی‌مانده در نمونه پس از حذف نیرو. هنگامی که لاستیک برای مدت زمانی مشخص بین دو صفحه موازی فشرده میشود، پس از حذف اعمال فشار مقدار بازیابی آن ارزیابی خواهد شد. این یک آزمون نسبتا کوتاه مدت است (نمونه معمولا بمدت 3 روز تحت فشار قرار می‌گیرد) و می‌تواند در شرایط محیطی مختلف انجام شود. مانایی فشاری مانند آزمون واهلش تنش نمی‌باشد چرا که در آزمون مانایی فشاری لاستیک به میزان بسیار بیشتری نسبت به نیروی اولیه‌اش فشرده میشود، در حالی که در آزمون واهلش تنش این طور نیست؛ البته اگر تمام خواص دیگر بدون تغییر باشند [7]. به همین دلیل باید این نکته را خاطرنشان کرد که در کاربردِ درزگیرِ لاستیکیِ لوله‌هایِ پلاستیکیِ، از آن‌جا که درزگیرها برای اتصال با لوله هیچ‌گاه در مقادیر زیاد فشرده نمی‌شوند (بیشتر از 60 درصد) و همچنین میزان افت نیرو در پدیده‌ی واهلش تنش بسیار کندتر از پدیده‌ی مانایی فشاری است؛ از همین رو آزمون مانایی فشاری جهت تحلیل وادادگی درزگیرها در کاربرد لولههای پلاستیکی مناسب نبوده و نیاز به تحلیل آزمون واهلش تنش است [8]. اما در کل هرچه میزان جهندگی لاستیک زیاد باشد یا به عبارتی مانایی فشاری آن کم باشد، برای کاربردهای درزگیری و اتصالات لوله بسیار مناسب است و دیرتر منجر به وادادگی لاستیک خواهد شد.
3. واهلش تنش Stress Relaxation: در این موارد ذکر شده از مهم‌ترین عوامل در بررسی زمان کارایی قطعات لاستیکی بررسی آزمون واهلش تنش است، در این جا به توضیح و بررسی نحوه پیشبینی طولعمر درزگیرها توسط آزمون واهلش تنش خواهیم پرداخت.
الف) توصیف: هنگامی که یک لاستیک بین دو سطح فشرده میشود مانند آن چیزی که در اتصالات لوله است، لاستیک در برابر دو سطح از خود یک مقاومت نیرویی بروز می‌دهد. حال لاستیک بخاطر خصوصیات گرانروکشسانی‌اش (ViscoElasticity) کاهش این نیرو با گذشت زمان را نشان خواهد داد.
ب) پتانسیل وادادگی: واهلش تنش لاستیک و یا به عبارتی این پدیده گرانروکشسان که وابسته به زمان است (Rate dependent)، نباید باعث ایجاد یک مشکل در ناحیه اتصالات درزگیرها در لولههای فشاری شود. طراحی اتصالاتِ لوله‌هایِ پلاستیکی بشکلی است که فشار آب در داخل لوله باعث افزایش فشار فصل‌مشترک بین لوله و درزگیر خواهد شد. همچنین فشار خود آب در درون لوله به ایجاد آب‌بندی کمک می‌کند. اما در مورد اتصالات لولههای غیرفشاری، نحوه طراحی اتصال و انتخاب ماده هم مهم است و بر خصوصیات واهلش تنش لاستیک تاثیرگذار است. به همین علت در کاربرد لولههای غیرفشاری، باید از آمیزه‌های لاستیکی‌ای استفاده شود که از میزان قابل قبولی از واهلش تنش برخوردار باشند؛ و همچنین فشار اولیه‌ی زیادی بین درزگیر و لوله وجود داشته باشد و این فشار در کوتاه‌مدت بسیار سریع افت پیدا نکند. اگرچه پدیده‌ی واهلش به مرور رخ می‌دهد اما بخاطر زیاد بودن فشار اولیه این پدیده کندتر رخ خواهد داد. دو روش مهم برای پیشبینی طولعمر درزگیرها با استفاده از آزمون واهلش تنش روش Arrhenius و WLF است.
نتیجه‌گیری: همانطور که مشاهدات نشان داده است به طورکلی در کاربرد درزگیرهای لولههای پلاستیکی، هنگامی که نیروی آب‌بندی (Sealing force) بر واحد سطح (که به آن فشار تماسی (Contact Pressure) هم اطلاق میشود) از فشار سامانه در ابتدا آب‌بندی درزگیر کمتر باشد (نیروی فشاری اولیه به میزان 60 درصد افت پیدا کند)، عموما شاهد نشتی از درزگیر لوله پلاستیکی خواهیم بود [5]. شبیه‌سازی و اعمال مدل‌هایی نظیر WLF و Arrhenius، برآورد و تخمین بسیار خوبی جهت پیشبینی این موضوع که درزگیر در کاربرد موردنظر در چه زمانی به میزان افت نیروی آب‌بندی اولیه‌اش به میزان 60 درصد خواهد رسید و دچار نشتی و وادادگی خواهد شد، می‌دهد. درنتیجه برای کاربرد درزگیرهای ایستا (Static Seals) لولههای پلاستیکی مهم‌ترین پدیده تاثیرگذار در بحث نشتی وخرابی درزگیر، واهلش فشاری یا Compressive Relaxation است که عموما دلیل اصلی وادادگی درزگیرها محسوب خواهد شد. این مهم در شکل2 و همچنین شکل3 قابل مشاهده است.
معمولا جهت انجام آزمون واهلش تنش، این آزمون تحت حالت فشاری و پیوسته صورت می‌پذیرد (Continuous compression stress relaxation). به عنوان نمونه دستگاه لازم در آزمون واهلش پیوسته فشاری با نام "Elastocon- EB 02 Relaxation Tester" است که در شکل4 قابل مشاهده است. این دستگاه نیروی وارد از نمونه را بطور پیوسته اندازه‌گیری می‌کند. نمونه بین دو صفحه‌ی پهن فلزی (Platen) قرار گرفته و تا میزان کرنش ثابت فشرده میشود. صفحه‌ی فلزی بالایی به یک باطری بار (Load cell) متصل است که میزان بار را بر روی رایانه نشان می‌دهد [9].
مدل آرنیوسی برپایه برونیابی نتیجه‌های آزمایشگاهی بدست آمده از پیرشدگی شتاب‌یافته فراورده استوار است. در ابتدا براساس استانداردهای ISO-188 [10] و ASTM-D573 به پیرش شتاب‌یافته لاستیک پرداخته و سپس، روند پیرشدگی آهنگ فروکاهی خواص بصورت تابعی از زمان و شرایط پیرسازی تعیین خواهد شد. درنهایت، با توسعه‌ی یک مدل ریاضی بر پایه‌ی مدل Arrhenius، به تخمین مدت زمان مورد نیاز به‌منظور دستیابی به درصد مشخصی از پیرشدگی در شرایط تعدیل یافته نسبت به شرایط واقعی پرداخته خواهد شد. قبل از وارد شدن به این مهم، ابتدا فرایندهای واهلش (Relaxation Process) توضیح داده خواهد شد چرا که دانستن فرایندهای واهلش و تفکیک سازوکار وادادگی آن‌ها بطور مشخص از اهمیت بسزایی در جهت تخمین و پیشبینی طولعمر لاستیک خواهد داشت.
3.1. استانداردهای لازم برای انتخاب ماده موردنظر و بررسی خواص آنی درزگیرهای لاستیکی:
طبیعتا قبل از برآورد طول عمر هر قطعهای لازم است در آزمونهای آنی مشخص کرد که آیا در زمان حاضر درزگیر مورد نظر خواص مورد نظر را دارد یا خیر تا بعد به بررسی خواص آن در دراز مدت پرداخته شود که در ادامه توضیح داده میشوند:
یکی از استانداردهای اولیه برای اتصالات حلقه‌های لاستیکی در کاربرد آب و فاضلاب به تاریخ 1955 بازمی‌گردد (BS 2494). استاندارد ASTM F477 به طور ویژه جهت کاربرد درزگیرها و اتصالات لاستیکی لولههای پلاستیکی در تاریخ 1976، و به دنبال آن ISO 4633 در 1984 و EN 681 در 1996 تدوین شده‌اند. همگی این استانداردها دقیقا به استانداردهای موادی و خواص فیزیکی آنی لاستیک [11] مورد استفاده در صنعت آب و فاضلاب اشاره دارند که چندی از آن‌ها را میتوان نام برد:
· سختی
· سفتی
· استحکام کششی
· کشامد در نقطه شکست
· مانایی فشاری
· واهلش تنش
· مقاومت ازونی
· تغییرات حجم لاستیک در تماس با آب
· بازیابی لاستیک تحت کرنش
· و...
4.1. اساس روش‌شناختی مدل WLF و Arrhenius :
قاعده و اساس روش پیشبینی طولعمر، شامل تسریع در روند تغییر خاصیت فیزیکی (تغییر خواص در بازه کوتاه‌مدت) و یا شیمیایی (تغییر خواص در بازه بلندمدت) مواد است. این عمل از طریق افزایش دما جهت شبیه‌سازی حالت طولانی‌مدت زمانی (اصل انطباق زمان-دما) به منظور پیشبینی کارایی قطعه با اندازه‌گیری خاصیت مربوطه (به عنوان مثال میزان آستانه افت نیرو در آزمون واهلش تنش، در حالت گرمایی است [12]. رویه‌های آزمایشی مبتنی بر مدل‌های سینتیکی شناخته‌شده (بخصوص معادله‌ی Arrhenius) این امکان را فراهم می‌سازد تا یک هم‌ارزی مشخصی بین دما و زمان برقرار شود، به عبارت دیگر اساس این دو روش برپایه‌ی این است که تغییر خاصیت مورد نظر را از طریق دو پارامتر مهم یعنی دما و زمان بررسی نمایند. مزیت این دو مدل در این است که می‌تواند تغییرات فیزیکی یا شیمیایی ماده را در بازههای زمانی طولانی‌تری از انجام آزمایش‌های عملی و تجربی فراهم سازند [11].
هنگامی که پدیده‌های گرانروکشسان فرایند غالب در بسپار است (مانند خزش، واهلش تنش و ...)، ماده در حالت جامد است و از همین رو در ابتدای امر دچار وادادگی فیزیکی میشود، و مدل WLF تطابق بسیار عالی جهت پیشبینی طولعمر مواد داشته است. اما در فرسودگی‌های بلندمدت که از هم گسستگی زنجیرهای بسپار اتفاق می‌افتد و علاوه‌‌بر وادادگی فیزیکی، وادادگی شیمیایی را هم به دنبال خواهد داشت از مدل Arrhenius جهت پیشبینی پیرش شیمیایی استفاده خواهد شد. زیرا هنگامی که ماده در حالت جامد قرار دارد و در حال سپری کردن واهلش فیزیکی می‌باشد (همچنان گسستگی زنجیر اتفاق نیافتاده است) از نظر فیزیکِ مولکولیِ بسپارها، دمای کارکرد بسپار در محیط (T) بسیار کمتر از دمای انتقال شیشه‌ای‌اش (Tg) است؛ یا به عبارتی نسبت Tg به T مطابق معادله زمان واهلش بسپارها به یک نزدیک‌تر است و قطعه به سمت پیرش فیزیکی نزدیک‌تر میشود. بر همین اساس هنگامی که بسپار در یک دمای ثابت و کاربرد مشخص به علت گذشت بیش از حد زمان، دچار گسستگی زنجیر میشود، کاملا وا می‌دهد؛ از همین منظر می‌بایست این حالت را مانند حالتی که دمای کارکرد بسپار، بسیار بیشتر از دمای انتقال شیشه‌ای‌اش است شبیه‌سازی نمود. در نتیجه وقتی T>>Tg است ماده در حال واهلش شیمیایی است و به سمت پیرش شیمیایی می‌رود. برای درک بهتر تفاوت بین پیرش فیزیکی و پیرش شیمیایی مجددا به شکل1 توجه نمایید.
6.1. فرایند پیرش (Ageing)، آزمونهای شتاب‌یافته:
بسیار حایز اهمیت است که در طول عمر کاری، اتصالات لاستیکی مورد استفاده در لولههای پلاستیکی کاملا آب‌بندی شده باشند. یک عامل اساسی جهت دستیابی به این مهم، این است که قطعه لاستیکی بتواند مشخصات فیزیکی خودش را در بازههای زمانی بلند مدت کاملا حفظ کند، و یا حداقل از سطح قابل انتظار پایین‌تر نیاید. و این‌ها همگی مستلزم آن است که این خواص در بلند مدت پیشبینی شود [12]
به طور کلی فرایند پیرشدگی یک قطعه عبارت است از تغییرات مشخصات فیزیکی آن مانند: کشامد در نقطه شکست، سختی، استحکام شکست، افت نیرو، مانایی فشاری، و بررسی دمای انتقال شیشه‌ای و ... با گذشت زمان! [13] در عمل هم از منظر هزینه و هم با در نظرگرفتن خود عامل زمان، غیر ممکن است که بتوان با فراهم نمودن روند عملیاتی آزمون در یک آزمایشگاه، پاسخ این مشخصات فیزیکی را در بلندمدت پیشبینی نمود! به همین علت نیاز به ابزار ریاضی است که بتوان با استفاده از آن‌ها این خواص فیزیکی را در بلندمدت پیشبینی نمود، به روند انجام چنین آزمون‌هایی با استفاده از ابزار ریاضی آزمونهای شتاب‌یافته می‌گویند. در ادامه به توضیح بیشتر دو مدلی که برای پیشبینی عمر قطعات لاستیکی استفاده میشود میپردازیم:
ü اصل انطباق زمان-دما با استفاده از معادله Williams-Landel-Ferry یا (WLF)
ü معادله Arrhenius
2. روشِ استفاده از معادلات WLF و Arrhenius جهت تخمین رفتار بلندمدت مواد بسپاری:
جهت تخمین طولعمر لاستیک، استفاده از نوعی روش برونیابی برای اندازه‌گیری داده‌های شتاب‌یافته ضروری است. برونیابی کمک می‌کند تا داده‌هایِ تجربیِ افتِ خواصِ فیزیکیِ ماده، به زمان‌های طولانی‌تر تعمیم داده شود و این مهم مستلزم آن است که تابع متغیر با زمان (یا به عبارتی خاصیت فیزیکی که با زمان تغییر پیدا می‌کند) مشخص شود. به عبارتی اولین قدم جهت پیشبینی طولعمر لاستیک، انتخاب یک تابع از خاصیت فیزیکی آن است که قاعده‌ی وادادگی را به علت افت این خاصیت نشان دهد. همان‌گونه که پیشتر هم بحث شد، این قاعده‌ی وادادگی بخصوص در درزگیرها، منجر به کاهش سفتی و در نتیجه نشتی در ناحیه‌ی اتصال با لوله خواهد شد. بهترین تابع جهت شبیه‌سازی با این پیامد منفی در لولههای پلاستیکی، تابع افت نیرو از آزمون واهلش تنش فشاری است. میتوان روند روش‌شناختی پیشبینی طولعمر لاستیکها را در شکل5 مشاهده کرد. برای تخمین طولعمر درزگیر در دمای دلخواه (معمولا دمای محیط معادل 23 درجه‌سانتی‌گراد در نظر گرفته میشود) و یا بیشینه دمای قابل استفاده درزگیر، با توجه به استاندارد ISO 11346 [14] ابتدا یک خاصیت فیزیکی را به عنوان متغیری که با زمان افت پیدا می‌کند (که در درزگیرهای لاستیکی همان نیرو آب‌بندی یا فشار تماسی است) انتخاب کرده، و سپس نمودار تغییرات آن با زمان در دماهای مختلف تحت آزمون واهلش تنش فشاری و مطابق با استاندارد ISO 3384 [15] (و یا استاندارد ASTM D6147) رسم می‌نماییم. آزمون را در شرایط فشاری ادامه داده تا نیرو به میزان 50 درصد نسبت به نیرو اولیه‌اش کاهش پیدا کند، این مقدار را به عنوان آستانه مقدار افت نیرو در نظر می‌گیریم، زیرا در واقعیت درزگیرهای لاستیکی در میزان 60 تا70 درصد دچار نشتی میشوند [5]! سپس با داشتن نمودار واهلش تنش در حالت فشاری در دماهای مختلف، با استفاده از دو مدل WLF و Arrhenius به تخمین طولعمر قطعه لاستیکی خواهیم پرداخت. قبل از توضیح طریقه پیشبینی طولعمر با توجه به این دو مدل، توضیح کوتاهی درباره‌ی این دو مدل و ابزار ریاضی خواهیم داشت:
1.2. اصل انطباق زمان-دما و معادله WLF:
همان‌گونه که پیشتر بحث شد تقریبا میتوان گفت که تمامی مواد بخصوص بسپارها تحت تاثیر دو پارامتر مهم یعنی زمان و دما هستند، به عبارتی خواص فیزیکی بسپارها کاملا تحت تاثیر زمان و دما است. اصل انطباق زمان-دما یک مفهوم در فیزیک بسپارها است، این اصل مهم به منظور تعیین وابستگی دما-زمان خواص مکانیکیِ مواد گرانروکشسان از طریق خواص مکانیکی یافت‌شده در یک دمای مرجع است. به بیان ساده‌تر اگر مدول کشسان یک بسپار را به عنوان یک خاصیت فیزیکی در دمای محیط در نظر بگیریم، می‌دانیم که مدول کشسان بسپار با زمان و دما کاهش می‌یابد؛ حال فرض کنید که بخواهیم همین تغییرات مدول کشسان بسپار را در دمای محیط برای 10 سال آینده بسنجیم، واضح است که هم از منظر هزینه و هم از منظر وقت قادر نخواهیم بود از طریق آزمون به مدت 10 سال تغییرات مدول بسپار را آزمایش نماییم. اصل انطباق زمان-دما بیان می‌دارد که برای مواد گرانروکشسان، زمان و دما با یکدیگر هم‌ارز بوده و میتوان با افزایش دما و با استفاده از روابط ریاضی، خاصیت فیزیکی بسپار را در زمان‌های طولانی‌تر پیشبینی نمود. یعنی میتوان تغییرات مدول بسپار را این بار به جای دمای محیط، در چند دمای بالاتر بر حسب زمان اندازه گرفت؛ سپس با استفاده از یک ضریبی با نام 
یا عامل جابجایی (Shift factor)، تمام داده‌های مدول در دمای محیط را (توجه شود که دمای محیط همان دمای مرجع است) به داده‌های مدول در دماهای بالاتر جابجا کرد و یا به عبارتی به نموداری با نام منحنی مرجع انتقال داد، و بخاطر هم‌ارز بودن این دو پارامتر تغییرات مدول در زمان‌های طولانی‌تر را پیشبینی نمود [4].
متغیرهای 
و 
اعدادی ثابت و 
دمای مرجع است. برای بسیاری از بسپارها اعداد و یکسان بوده و به ترتیب برابر با -17.4 و 51.6 است، دمای مرجع هم همان دمای انتقال شیشه‌ای درنظر گرفته میشود. برای تقریب دقیق‌تر در دمای محیط بخصوص برای لاستیکها به [8] مراجعه شود.
معادله‌ی Arrhenius که در علم شیمی‌فیزیک بسیار مشهور است از رابطه‌ی زیر پیروی می‌کند:
که در این رابطه به منظور پیشبینی طولعمر لاستیک توسط رابطه‌ی Arrhenius، نیاز به بیان خاصیتی فیزیکی است (شکل6 و شکل7) تا آن را بتوان با آهنگ تخریب واکنش ارتباط داد و مدت زمان کارایی و عمر لاستیک را پیشبینی نمود؛ چون در کاربرد درزگیرها این نیروی آب‌بندی است که با گذشت زمان کاهش می‌یابد ما درصد افت نیروی بدست آمده از آزمون واهلش تنش را معادل با سرعت واکنش تخریب یا K در معادله Arrhenius در نظر می‌گیریم. به عبارتی خاصیت انتخابی ما درصد افت نیرو با گذشت زمان در آزمون واهلش تنش فشاری است، بنابراین داریم: 3.2. پیشبینی طولعمر قطعهی لاستیکی با استفاده از معادله‌ی WLF:
نرخ سرعت انجام واکنش با واحد 
، B یک عدد ثابت، 
انرژی فعال‌سازی 
، R ثابت جهانی گازها 
، و T دمای مطلق بر حسب کلوین است. با استفاده از این معادله میتوان پیرش گرما-اکسایشی و یا همان تخریب شیمیایی بسپارها را در غیاب تنش مکانیکی اندازه‌گیری نمود. اما همچنین نیز از طریق این معادله میتوان تغییرات فیزیکی-شیمیایی ماده تحت تنش را تحلیل کرد و در واقع بین خواص گرانروکشسانی بسپار و فرایند پیرش شیمیایی آن پل زد. جهت تخمین طولعمر قطعات بسپاری با استفاده از معادله Arrhenius، مطابق استاندارد ISO 11346 عمل می‌نماییم اما پیش از بیان روش و نحوه تخمین طولعمر نیاز به بیان توضیحاتی است. همان‌گونه که مشخص است می‌توانیم رابطه‌ی Arrhenius را با استفاده از لگاریتم طبیعی به صورت زیر نوشت:
با توجه به بخش 1.2 به تخمین طولعمر دو نوع لاستیک یکسان با نحوه پخت متفاوت خواهیم معادله‌ی WLF پرداخت. به جدول2 دقت شود:
حال با استفاده از آزمون واهلش فشاری و مطابق با استاندارد ISO 3384 نمودار واهلش تنش این دو لاستیک طبیعی در شکل‌های 8 و 9 قابل مشاهده است.
اکنون با داشتن نمودارهای واهلش تنش و طبق توضیحات بخش 1.2، منحنی‌های مرجع این دو نمودار را از طریق عامل جابجایی و معادله‌ی WLF جهت پیشبینی طولعمر در بازه‌ی زمانی طولانی خواهیم داشت:
همانطور که در شکل‌های 10 و 11 مشاهده میشود، لاستیک NR 1 CV به علت سامانه پخت قوی‌تر نسبت به NR 2 SEV در مدت 14 سال به میزان آستانه 50 درصد افت تنش رسیده است، این در حالی است که این میزان افت نیرو برای لاستیک طبیعی SEV در 11 سال رخ داده است. این مهم نشان‌دهنده آن است که سامانه پخت و همچنین چگالی اتصالات عرضی لاستیک، همان‌گونه که پیشتر بحث شد در تعیین طولعمر لاستیک در کاربردهای مختلف از اهمیت بسزایی برخوردار است.
4.2. پیشبینی طولعمر قطعهی لاستیکی با استفاده از معادله‌ی Arrhenius:
ابتدا مطابق توضیحات بخش 2.2 پیش خواهیم رفت، فقط باید توجه داشت که براساس استاندارد ISO 11346 ما از نمودار Arrhenius دو نکته مهم را استخراج می‌نماییم:
• طول عمر قطعه لاستیکی: با برونیابی خطی به دمای موردنظر (دمای محیط خدمات‌دهی) تخمین زده میشود.
• دمای بیشینه کارکرد: برای فهمیدن آن که قطعه تا چه میزان از دمای بیشینه را تحمل می‌کند و دوام می‌آورد، با انتخاب زمان 20000 ساعت و قطع نمودار میزان دمای بیشینه مشخص خواهد شد. البته بیشینه دمای کارکرد لاستیکها بصورت تجربی در جدول3 آورده شده است.
پیش از وارد شدن به یک مثال عملی-صنعتی، به تبیین و درک 2 نکته بالا با ارایه یک مثال نظری خواهیم پرداخت. فرض می‌کنیم که شکل12، نمودار واهلش تنش یک قطعه بسپار در 3 دمای متفاوت مطابق آنچه در شکل6 توضیح داده شد باشد:
مشابه آن چه که در شکل12 نشان داده شده است، این نمودار در میزان 50 درصد افت نیرو قطع میشود. سپس نقاط قطع‌شده را به صورت عمودی امتداد داده تا نمودار افقی (زمان) قطع شود. حال با توجه به توضیحات بخش 2.2 و شکل7 نمودار شکل13 استخراج میشود. در انتها با برونیابی خطی به دمای موردنظر (دمای محیط) طولعمر قطعه مشخص خواهد شد. همچنین میتوان با انتخاب زمان 20000 ساعت از روی نمودار عمودی، خط برون‌یاب را قطع کرده و بیشینه دمایی را که میتوان دوام داشته باشد تخمین زده خواهد شد.
شکل14) نمودار آرنیوسی NR 1 CV [4].
|
شکل15) نمودار آرنیوسی NR 2 SEV [4]. |
شکل) نمودار واهلش تنش فشاری لاستیک فلوئوروکربن یا FKM [6]. |
سپس نمودار Arrhenius شکل16 جهت تخمین طولعمر با استفاده از روش برونیابی خطی بصورت زیر خواهد بود که در این شکل مشاهده میشود برونیابی خطی و تخمین طولعمر لاستیک FKM در دمای محیط به معنای
است، یعنی زمان بسیار طولانی را نشان خواهد داد. این نتیجه دور از انتظار نیست چرا که در جدول3 لاستیک FKM، بهترین قابلیت خدمات‌دهی در بیشینه دما را نشان داده بود؛ که این خود نشان‌دهنده مقاومت شیمیایی-فیزیکی بسیار زیاد این لاستیک است.
همانطور که مشاهده شد، دو مدل رایج و اساسی در تحلیل و تخمین طولعمر فراورده‌های لاستیکی با استفاده از آزمون واهلش تنش، 2 مدل Arrhenius و WLF است که بصورت زیر جمعبندی خواهیم نمود:
1. امکان ارزیابی طول‌عمرِ واشرهای لاستیکی با روش اصل انطباق زمان-دما از طریق معادله WLF در بازههای زمانی کوتاه‌مدت (کمتر از 40 سال)، جهت پیشبینی واهلش فیزیکی قطعهی لاستیکی وجود دارد. همچنین این مدل برپایه دو مفهوم عامل جابجایی (Shift Factor) و اصل انطباق زمان-دما (Time-Temperature Superposition) توسعه‌یافته است.
2. امکان ارزیابی طول‌عمرِ واشرهای لاستیکی با روش برونیابی خطی (Extrapolation) از طریق معادله Arrhenius در بازههای زمانی بلندمدت (بیشتر از 40 سال)، جهت پیشبینی واهلش شیمیایی درزگیرها وجود داشته و اجرایش برای ارزیابی عملکرد واشرهایی که در صنعت لوله استفاده می شوند بسیار حایز اهمیت است.
3. پیرش فراورده‌های لاستیکی هنگام کار، توسط سازوکارهای گرانروکشسان مانند پدیده‌های خزش و واهلش تنش اتفاق می‌افتد؛ بنابراین، با توجه به ماهیت مدل WLF، استفاده از آن در تخمین طولعمر عملکردی فراورده مناسب است. در نقطه‌ی روبه‌رو، در پیرش‌های ناشی از وجود فشار زیاد (مانند درزگیرهای لولههای پلاستیکی) پدیده‌ی غالب فرسایش شیمیایی است و روش Arrhenius مناسب‌ترین مدل برای بررسی آن خواهد بود.
4. با توجه به نمونه محاسبات انجام شده از طریق مدل‌های ارایه شده، لاستیک FKM و کائوچوی EPDM عمر بسیار بیشتری نسبت به کائوچوی طبیعی NR دارند.
عوامل | تاثیر و یا طریقه‌ی پیرش | توضیح |
دما | گرما-اکسایش، مهاجرت افزودنی‌ها، اتصالات‌عرضی | دمای کم (زیر دمای‌محیط) به معنای واقع یک عامل تخریب محسوب نمی‌شود و تنها اثرات فیزیکی موقتی را روی خواصی نظیر سفتی، شکنندگی، و بازیابی از کرنش نشان می‌دهد. اما دمای زیاد تخریب اکسایشی و شیمیایی لاستیک را به همراه خواهد داشت. |
حمله ازون | عامل محیطی | بسیاری از لاستیکها در معرض حمله ازون قرار دارند اگرچه برخی مانند EPDM از خود مقاومتی نشان می‌دهند. آزمون مقاومت ازونی درزگیرها تحت استاندارد AS1646 می‌تواند بررسی شود. درزگیر لولههای نصب شده، به ویژه آن‌هایی که در کاربردهای زیرزمینی هستند در معرض حملات ازونی نمی‌باشند. |
نور | اکسایش-نوری | نور شامل تابش فراتر از محدوده‌ی مرئی، به ویژه در بازه‌ی فرابنفش UV است. موج کوتاه UV مضرترین عامل نوری برای بسپارها است، اما طول‌موج‌های بلندتر ممکن است بر رنگ‌دانه‌ها تاثیر بگذارد و منجر به افزایش دما شود. |
تابش یونشی (Ionising radiation) | اکسایش-رادیویی، اتصالات عرضی | تابش و پرتوهای یونشی شامل اشعه‌های X، گاما و ذرات مختلف زیراتمی دیگر است. معمولا این عامل فقط در کاربردهای خاص و ویژه مشاهده میشود. |
رطوبت | آب‌کافت (Hydrolysis، به فرایند گسسته شدن یک مولکول در واکنش با آب گفته میشود.) | رطوبت می‌تواند در بسیاری از مواد منجر به آب‌کافت و در نتیجه نرم‌شدگی ماده شود. |
سیال‌ها (گازها، مایعات، بخارها) | تخریب شیمیایی، تورم، خروج افزودنی‌ها، ترک‌خوردگی | سیال‌ها طیف وسیعی از مواد شیمیایی را در حالت گاز یا مایع شامل میشوند و از طرق مختلف با لاستیک در تماس هستند. سیال‌ها ممکن است جذب یا استخراج شوند و منجر به تورم و یا تاثیرات شیمیایی شوند. |
ریز-جانداران | تجزیه، حمله‌ی مکانیکی | آسیب‌های ناشی از ریزجانداران به طورکلی ناچیز است، اما درزگیرهای لاستیکی لولههای فاضلاب مستعد حملات اینچنینی بوده و باید مقاومت آن‌ها بررسی شود. |
تنش مکانیکی | خستگی، خزش، واهلش تنش، مانایی، سایش، وادادگی چسبی | تمامی موارد بالا در قالب عوامل محیطی بوده و عموما در خواص فیزیکی لاستیک تاثیرگذارند. اما این عواملِ حاضر که همگی یک تنش در آن‌ها اعمال شده است، افت خواص فیزیکی را در گذشت زمان تسریع می‌نمایند. |
تنش الکتریکی | گسیختگی موضعی | در کاربردهای مخصوص برقی، اختلاف ولتاژ منجر به بروز تنشهای الکتریکی در داخل ماده عایق میشود. |
جدول1) عوامل تخریب احتمالی قطعات لاستیکی که در کاربردهای مختلف مشاهده شده است. [1].
شکل2) این نمودار توسط تحلیل اجزای محدود ابرکشسان 2بعدی (2-D hyperelastic FEA) برای یک درزگیر حلقوی بدست آمده است. سمت چپ درزگیر در حالت ابتدایی نصب قرار دارد و دارای بیشترین میزان فشار تماسی یا همان نیروی آب‌بندی است، و درزگیر سمت راست بعد از گذشت زمان بخاطر پدیده‌ی واهلش تنش دچار افت فشار تماسی شده است [2].
شکل3) نمودار توزیع تنش تحلیل اجزای محدود ابرکشسان 3بعدی برای یک قطعه واشر (Gasket) [5].
شکل4) دستگاه Elastocon EB 02، مورد استفاده در آزمون واهلش تنش فشاری پیوسته یا CSR [9].
شکل1) با توجه به شکل، صادق بودن مدل WLF و Arrhenius براساس دمای انتقال شیشه‌ای نشان داده شده است[4]
تعیین تابع و خاصیت فیزیکی قطعه |
تعیین سازوکار وادادگی قطعه |
تعیین جزییات فرایندهای مرتبط با وادادگی |
انتخاب آزمونهای موادی به منظور تعیین نرخ هر فرایند |
ارزیابی از منظر هندسی قطعه، به منظور انتخاب روشهای تحلیلی یا اجزای محدود |
ارتباط هرکدام از فرایندهای بالا به میزان نرخ وادادگی |
پیشبینی طولعمر قطعه |
شکل5) نقشه‌ی راه روش‌شناختی پیشبینی طولعمر، با هدف تخمین دوام یک قطعه لاستیک مهندسی [16].
مقدار سطح آستانه جهت قطع نمودار مطابق با استاندارد ISO 11346، برابر با 50 درصد افت نیرو است. |
شکل6) تغییر در خاصیت فیزیکی نسبت به زمان در 3 دمای مختلف. توجه شود که 
.
شکل7) نمودار زمان و طولعمر
قطعه بسپاری بر حسب معکوس دما 
قابل رسم است !
ماده | میزان گوگرد | شتاب‌دهنده | ساختار اتصالات عرضی | انرژی پیوندی |
NR 1 CV | زیاد | کم | S3-S8 |
|
NR 2 SEV | متوسط | متوسط | S1-S2 |
|
شکل8) نمودار واهلش تنش فشاری NR 1 CV [9]. |
شکل9) نمودار واهلش تنش فشاری NR 2 SEV [9]. |
شکل10) منحنی مرجع NR 1 CV [9] |
شکل11) منحنی مرجع NR 2 SEV [9]. |
شکل12) نمودار فرضی واهلش تنش فشاری یک نمونه بسپار مشخص است، این نمودار در آستانه 50درصد قطع داده شده است[13].
شکل13) نمودار Arrhenius جهت تخمین طولعمر و بیشینه دمای‌کارکرد [13].
نوع لاستیک | بیشینه دمای کارکرد (خدمات‌دهی) |
لاستیک PU | 80 |
لاستیک طبیعی، پلی‌ایزوپرن | 80 |
لاستیک بوتادی‌ان، SBR | 100 |
لاستیک نیتریل، پلی‌کلروپرن | 120 |
لاستیک بوتیل | 130 |
EPR | 140 |
لاستیک chlorosulphonated | 150 |
لاستیک Hydrogenated نیتریل | 160 |
لاستیک اکریلیک | 160 |
لاستیک سیلیکون | 225 |
لاستیک فلوئوروکربن یا FKM | 250 |
جدول3) بیشینه دمای خدمت‌دهی تعدادی از لاستیکها [1].
شکل14) نمونه‌یی از تخمین طولعمر لاستیک EPDM که معادل 330 سال است [2][13].
شکل15) آزمون واهلش تنش فشاری لاستیک فلوئوروکربن [5]
شکل16) نمودار Arrhenius واهلش تنش فشاری لاستیک فلوئوروکربن یا FKM [5].
4. مراجع
[1] Roger P. Brown, “Practical Guide to the Assessment of the Useful Life of Rubbers” 2001, Rapra Technology Limited.
[2] Julian West, “The Evolution of Elastomeric Joints in Plastic Pipe Systems and the use of Long Term Stress Relaxation Testing to Predict Service Life”, International Plastic Pipe Conference, November 2019. Trelleborg Pipe Seals; Lelystad, The Netherlands.
[3] Industry Guidelines: “EXPECTED SERVICE LIFE OF ELASTOMERIC PIPE SEALS”; Plastic Industry Pipe Association of Australia Limited. Ref: POP204; 9 February 2004
[4] Montgomery T. Shaw, William J. MacKnight; “Introduction to Polymer Viscoelasticity”, 3rd Edition; WILEY-INTERSCIENCE. Chapter 4, page 114
[5] V. A. Coveney, “Elastomer and Components; Service life Prediction - Progress and Challenges” WOODHEAD PUBLISHING IN MATERIALS
[6] S. Ronan, T. Alshuth, Hannover, S. Jerrams, Dublin (Ireland); “An Approach to the Estimation of Long-Term Stress Relaxation in Elastomers” 559-563, KGK – October 2007
[7] Julian West, “The Evolution of Elastomeric Joints in Plastic Pipe Systems and the use of Long Term Stress Relaxation Testing to Predict Service Life”, International Plastic Pipe Conference, November 2019. Trelleborg Pipe Seals; Lelystad, The Netherlands
[8] Alexander Dubcek; “Rubber physics” University of Trencin, page 48
[9] S. Ronan, T. Alshuth, S. Jerrams, N. Murphy; “Long-term stress relaxation prediction for elastomers using the time–temperature superposition method”; ScienceDirect, Materials and Design 28 (2007) 1513-1523
[10] ISO 188: “Rubber, Vulcanized or thermoplastic–Accelerated ageing, heat resistance tests” 5th Edition 2011-10-01
[11] M. Le Huy, G. Evrard: “Methodologies for lifetime of rubber using Arrhenius and WLF models”; Die Angewandte Makromolekulare Chemie 261/262 (1998) 135–142 (Nr. 4624)
[12] Abraham Pannikottu; “Service Life prediction of rubber component used in engineering applications - A Review” Akron Rubber Development Laboratory, Inc. January 26, 2002
[13] Goran Spetz; “Lifetime estimation of Rubber materials by stress relaxation tests”; Elastocon AB
[14] ISO 11346: “Rubber, vulcanized or thermoplastic-Estimation of life-time and maximum temperature of use”. 3rd Edition 2014-12-01
[15] ISO 3384: “Rubber, vulcanized or thermoplastic - Determination of stress relaxation in compression – part 1: Testing at Constant Temperature”. First Edition 2011-12-01
[16] Alan N. Gent: “Engineering with Rubber – How to Design Rubber Components”; 3rd Edition, Page 248
Related articles
The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2017-2024