Tải tĩnh lâu ngày ảnh hưởng thế nào đến PE Foam?
Mức giảm dày không có một tỷ lệ cố định cho mọi PE Foam. Nó phụ thuộc đồng thời vào ứng suất nén thực tế, thời gian giữ tải, nhiệt độ và grade vật liệu. Sau khi tháo tải, foam có thể hồi lại một phần; phần độ dày không hồi lại sau thời gian hồi phục mới liên quan đến compression set hoặc permanent set.
Creep làm độ dày PE Foam giảm theo thời gian như thế nào?
Với tải tĩnh, có thể hình dung độ dày PE Foam đi qua ba trạng thái. Ban đầu là độ dày chưa tải. Ngay khi đặt tải, foam bị nén xuống một mức mới do biến dạng tức thời. Nếu giữ nguyên tải, độ dày có thể tiếp tục giảm theo thời gian vì creep, dù lực nén không đổi. ASTM D2221 mô tả creep của vật liệu đệm là sự thay đổi độ dày dưới tải nén tĩnh theo thời gian và lưu ý kết quả còn phụ thuộc tải, diện tích mẫu, hình dạng, độ dày và điều kiện môi trường.
Trong vùng tải phù hợp với vật liệu, phần creep thường tăng nhanh hơn ở giai đoạn đầu rồi chậm dần khi cấu trúc tiến tới trạng thái cân bằng mới. Nếu ứng suất quá cao và cấu trúc tế bào đi sâu vào vùng collapse hoặc densification, độ dày có thể mất nhiều hơn và khả năng hồi phục sau tháo tải cũng giảm.
Ý nghĩa thực tế là độ dày thiết kế ban đầu chưa chắc là độ dày làm việc sau vài ngày hoặc vài tuần. Với chi tiết cần giữ khoảng cách, độ kín, độ ép hoặc vị trí sản phẩm, chính độ dày còn lại dưới tải theo thời gian mới là đại lượng cần kiểm soát.
Vì sao PE Foam vẫn mỏng thêm khi tải không đổi?
PE Foam là vật liệu polymer dạng tế bào nên phản ứng nén vừa có phần đàn hồi vừa có phần phụ thuộc thời gian. Khi mới chịu tải, thành tế bào uốn và biến dạng ngay. Sau đó, các đoạn mạch polymer tiếp tục thư giãn, cấu trúc tế bào tái phân bố ứng suất và một phần thành tế bào có thể tiếp tục uốn, oằn hoặc dịch chuyển. Kết quả là strain tăng theo thời gian dù stress bên ngoài vẫn giữ nguyên.
Cấu trúc tế bào kín không loại bỏ hiện tượng này. Áp suất khí trong tế bào có thể góp phần nâng đỡ tải, nhưng tải dài hạn vẫn truyền qua mạng polymer và thành tế bào. Với foam liên kết ngang, mạng liên kết thường hạn chế sự chảy của polymer tốt hơn, nhưng mức creep thực tế vẫn phải được xác nhận theo đúng grade và điều kiện thử.
Nhiệt độ cũng tác động trực tiếp đến cơ chế này. Khi nhiệt độ tăng, chuyển động phân tử dễ hơn, nên cùng một ứng suất có thể tạo creep nhanh hơn so với ở nhiệt độ thấp hơn. Vì vậy, dữ liệu đo ở nhiệt độ phòng không nên được dùng nguyên xi cho vị trí gần nguồn nhiệt, kho nóng hoặc ứng dụng có chu kỳ nhiệt đáng kể.
Những yếu tố nào làm creep PE Foam tăng hoặc giảm?
Ứng suất nén thực tế quan trọng hơn khối lượng tải
Foam phản ứng với ứng suất, không chỉ với tổng khối lượng đặt lên nó. Ứng suất nén xấp xỉ bằng lực chia cho diện tích chịu tải. Với tải phân bố đều, cùng một lực nhưng diện tích tiếp xúc giảm một nửa thì ứng suất lên foam gần như tăng gấp đôi.
Vì vậy, khi so sánh với dữ liệu creep, cần quy đổi tải thực tế về kPa hoặc psi trên diện tích chịu lực. Không nên kết luận rằng một foam “chịu được 50 kg” nếu chưa biết 50 kg đó phân bố trên bao nhiêu diện tích và kéo dài trong bao lâu.
Thời gian và nhiệt độ quyết định mức biến dạng tích lũy
Creep là biến dạng phụ thuộc thời gian nên thử trong vài phút không đại diện cho lưu kho nhiều ngày. Một datasheet PE Foam cell kín có mật độ danh nghĩa 24 kg/m³ công bố compressive creep nhỏ hơn 10% sau 168 giờ, tức 7 ngày, dưới tải 1 psi tương đương khoảng 6,9 kPa, theo ASTM D3575 Suffix BB. Con số này chỉ có ý nghĩa cho đúng vật liệu và điều kiện thử đó, không phải mức creep mặc định của mọi PE Foam.
Một bộ dữ liệu kỹ thuật khác cho nhiều grade PE Foam ghi mức mất độ dày sau 168 giờ từ khoảng 1,3% đến 17,3% dưới các mức ứng suất khác nhau từ khoảng 6,89 đến 24,13 kPa. Vì grade và mức tải cùng thay đổi, dải số liệu này không thể dùng như một đường quan hệ tải–creep duy nhất; nó cho thấy lý do phải đọc creep theo đúng grade thay vì lấy một tỷ lệ chung.
Mật độ, cấu trúc tế bào và grade vật liệu đều ảnh hưởng
Mật độ cao hơn thường đi kèm khả năng chịu nén cao hơn, nhưng mật độ không đủ để dự đoán creep. Kích thước tế bào, mức liên kết ngang, công thức polymer, hướng cấu trúc, tỷ lệ vật liệu tái sinh và cách laminate có thể làm hai foam cùng mật độ phản ứng khác nhau dưới tải dài hạn.
Độ dày ban đầu cũng cần được hiểu đúng. Tăng độ dày có thể tạo thêm hành trình nén tuyệt đối, nhưng không thể mặc định rằng tỷ lệ creep sẽ giảm. Bản thân độ dày mẫu cũng có thể ảnh hưởng kết quả creep, vì vậy việc tăng số milimet foam vẫn cần được kiểm chứng ở đúng grade, độ dày và ứng suất sử dụng.
Creep khác compression set và độ nén tức thời ra sao?
Ba khái niệm này mô tả ba thời điểm khác nhau. Độ nén tức thời là phần giảm dày ngay khi đặt tải. Creep là phần giảm dày tiếp tục xuất hiện trong lúc tải vẫn còn. Compression set là phần biến dạng còn lại sau khi đã tháo tải và cho vật liệu một khoảng thời gian hồi phục.
Sự khác biệt này rất quan trọng vì foam có thể creep đáng kể khi đang chịu tải nhưng hồi lại một phần sau khi bỏ tải. Ngược lại, nếu cấu trúc đã bị biến dạng không hồi phục, độ dày sau khi tháo tải sẽ không quay về trạng thái ban đầu.
Ví dụ, một grade PE Foam liên kết ngang LD45 được thử ở 25% compression trong 22 giờ tại 23°C cho compression set khoảng 8% sau 30 phút hồi phục và khoảng 3% sau 24 giờ hồi phục. Dữ liệu đó cho thấy chính thời gian hồi phục làm thay đổi giá trị set; nó không phải là phép đo trực tiếp độ dày bị mất trong lúc foam vẫn đang chịu tải.
Do đó, dùng compression set để thay cho creep có thể dẫn tới hai sai lệch: đánh giá sai độ dày làm việc khi còn tải và đánh giá sai mức hồi phục sau khi tháo tải.
Đánh giá PE Foam cho tải tĩnh lâu ngày bằng dữ liệu nào?
ASTM D3575 áp dụng cho vật liệu cell kín mềm làm từ polymer olefin, còn ISO 7214:2012 quy định phương pháp thử cho cellular polyethylene mềm và bán cứng. Với vật liệu đệm bao gói, ASTM D2221 tập trung trực tiếp vào thay đổi độ dày dưới tải nén tĩnh theo thời gian. Đối với foam cứng, các tiêu chuẩn creep như ISO 7850 có phạm vi khác, nên không nên áp dụng máy móc cho một PE Foam mềm chỉ vì cùng là vật liệu foam.
Để đánh giá một ứng dụng thực tế, nên đi theo bốn bước:
1. Tính ứng suất làm việc từ tải thực tế và diện tích tiếp xúc, thay vì chỉ ghi khối lượng sản phẩm
2. Xác định thời gian giữ tải và nhiệt độ lớn nhất mà foam sẽ trải qua trong lưu kho hoặc vận hành
3. Yêu cầu dữ liệu creep của đúng grade tại mức ứng suất, thời gian và nhiệt độ gần với điều kiện sử dụng; không thay thế bằng mỗi compression stress–strain hoặc compression set
4. So sánh độ dày còn lại với yêu cầu chức năng như khe hở, preload, độ kín hoặc khoảng cách bảo vệ và bổ sung thử nghiệm trên cụm thực tế nếu sai số cho phép nhỏ
Nếu creep quá lớn, các hướng xử lý có ý nghĩa hơn việc chỉ tăng độ dày gồm tăng diện tích phân bố tải, giảm preload, giảm tải trên mỗi điểm đỡ hoặc chuyển sang grade có độ bền nén và dữ liệu creep dài hạn phù hợp hơn. Tăng độ dày chủ yếu bổ sung hành trình nén; nếu điều kiện tải không thay đổi, vẫn cần dữ liệu hoặc thử nghiệm để xác nhận tỷ lệ creep thực tế.
Tải tĩnh lâu ngày làm PE Foam giảm độ dày theo hai bước: nén tức thời khi đặt tải và creep tăng dần trong thời gian giữ tải. Mức giảm dày phụ thuộc vào ứng suất, thời gian, nhiệt độ và cấu trúc của từng grade, nên không có một tỷ lệ creep chung có thể áp dụng cho mọi PE Foam.
Khi thiết kế, cần dùng dữ liệu creep ở điều kiện gần với thực tế và tách rõ creep khỏi compression set. Cách này mới cho biết foam còn dày bao nhiêu khi đang chịu tải lâu ngày, thay vì chỉ biết nó hồi lại được bao nhiêu sau khi tháo tải.
