فومهای هوشمند یا ویسکوالاستیک

فومهای هوشمند یا ویسکوالاستیک

فومهای ویسکوالاستیک (لزج-کشسان) که به عنوان فومهای هوشمند یا حافظه دار نیز معروفند، برای اولین بار در طی سالهای میانی دهه 60 میلادی در نتیجه پژوهش های انجام گرفته در برنامه انتقال تکنولوژی ناسا بطور تجاری عرضه شدند.

این فومهای پلی اورتانی انعطاف پذیر دارای خاصیتی هستند که به آنها اجازه می دهد نیروی شتاب ثقل عظیم زمان پرتاب موشک یا ورود دوباره فضاپیما به داخل جو زمین را بازتوزیع کرده و از اثر آن بر بدن فضانوردان بکاهند. همچنین در پروازهای طولانی هواپیماهای مسافربری، آسایش بیشتری برای فضانوردان فراهم می سازد.

مشخصه های اصلی

فومهای ویسکوالاستیک پس از فشرده شدن به آهستگی شکل اولیه خود را باز می یابند. وقتی یک شی سنگین (مانند بدن انسان) روی فوم ویسکوالاستیک قرار گیرد، فوم به تدریج شکل آن شی را بخود می گیرد و پس از حذف آن وزن، به آرامی شکل اولیه خود را باز می یابد.

خاصیت دیگر این نوع فوم توانایی آن در میراساختن ارتعاشات و جذب شوک است. این نوع فوم خاصیت فنری فومهای معمولی را نداشته و بیشتر انرژی برخورد را جذب می کند. علاوه بر این خاصیت کلیدی، برخی انواع این فومها به دمای بدن و دمای محیط واکنش نشان می دهند و با حرارت نرم شده و آسانتر با شکل بدن تطبیق می یابند.

مزایا و کاربردها

فوم ویسکوالاستیک کاربردهای زیادی در پزشکی یافته است. قابلیت تطابق آن با شکل بدن و توزیع یکنواخت فشار و وزن، آسایش زیادی برای بیماران فراهم ساخته مانع ایجاد زخم بستر می شود. فومهای معمولی با واردساختن فشار بیش از حد بر بدن بیمار باعث توقف جریان خون در بدن وی شده بافت پوستی او را تخریب می کنند. کاربرد مهم دیگر این نوع فوم در صندلی خودرو است. این فومها علاوه بر آسایش، حفاظت خوبی از سرنشین به عمل می آورند.

فورمولاسیون فومهای ویسکوالاستیک

فومهای ویسکوالاستیک اغلب از تولوئن دی ایزوسیانات (Toluene Diisocyanate) و ترکیبات مشابه آن ساخته می شوند. نام تجاری برخی از این مواد عبارت است از TDI 65، MDI و TDI 80. برای درک خواص استثنایی این نوع فومها باید اثراتی را که مسئول رفتار لزج-کشسان فوم هستند دریابیم. پلی اورتانها پلیمرهایی با یک ساختار شبکه ای سه بعدی هستند که با پلیمریزاسیون افزایشی مواد خامی به نام پلی یول و پلی ایزوسیانات بوجود می آیند. وقتی چنین شبکه ای تحت فشار و تراکم قرار می گیرد یک نیروی بازگرداننده تولید خواهد کرد. برای اینکه پس از تغییرشکل، فوم به آرامی شکل اولیه خود را بازیابد باید این نیروی ارتجاعی به حداقل خود برسد.

دلیل اصلی خاصیل لزج-کشسان این نوع فوم، پدیده ای به نام دمای انتقال شیشه است که معمولا اندکی کمتر از دمای اتاق می‌باشد. دمای بالاتر از محیط رفتار لزج-کشسان را کاهش داده و باعث می شود فوم نرم شود. از سوی دیگر، دمای پایین تر از محیط باعث تشدید رفتار لزج-کشسان می‌گردد. دمای انتقال شیشه فوم اتری معمولی بسیار پایین تر از دمای محیط است (بین منفی 50 تا منفی 40 درجه سلسیوس). در حالی که فوم ویسکوالاستیک دمای انتقال شیشه در حدود دمای محیط دارد و افزایش دما در نتیجه تکیه دادن یا فشار بر آن باعث نرم شدن فوم می شود. پس از برداشته شدن فشار و رسیدن دما به حد محیط زیست، مجددا انتقال شیشه‌ای روی داده و فوم سفت شده و به آرامی به حالت اولیه بر می گردد.

 منبع:

Highly Sophisticated Cell Opener for Viscoelastic Foam

Michael Krebs, Roland Hubel, Evonik Industries AG

آزمون‌های فوم صندلی خودرو

آزمون‌های فوم صندلی خودرو

گردآوری و تالیف: اصغر ناصری

آزمونهای انجام شده بر روی فومهای پلی اورتان برای تعیین خواص فیزیکی آنها از آزمایشگاهی به آزمایشگاه دیگر یا از یک ماشین به ماشین دیگر تغییرات زیادی را متحمل شده و اغلب دارای تکرارپذیری بالایی نیستند. خطاهایی از 10 تا 30 درصد در رویه‌های آزمون عادی بشمار می‌آید و بسیاری از این خطاها نتیجه برنامه ریزی ضعیف آزمون یا روش ارائه نتایج هستند. برای مثال مقایسه‌های بین آزمایشگاهی آزمون IFD یا خستگی خمشی[1] تفاوتهای وسیعی در نتایج را نشان می‌دهند. در نوشتار کوتاه زیر برخی آزمونهای انجام شده بر روی فوم معرفی شده‌اند. دو منبع مورداستفاده در استخراج این مطالب عبارتند از:

Joint Industry Foam Standards and Guidelines, http://www.pfa.org/jifsg/contents.html

http://www.testresources.net/applications/test-types/indentation-ifd-test/car-seat-testing/

چگالی فوم

چگالی فوم‌های معمولی عددی بین 12.8 تا 40 کیلوگرم بر مترمکعب است. برای محاسبه چگالی وزن نمونه را بر حجم آن تقسیم می‌کنند. هرچه اندازه نمونه مورد استفاده برای اندازه‌گیری چگالی بزرگتر باشد، خطای اندازه‌گیری کوچکتر خواهد بود. تلرانس قابل قبول برای چگالی معمولا مثبت و منفی 1.6 کیلوگرم بر مترمکعب در نظر گرفته می‌شود. یکی از خواصی که مستقیما از چگالی تاثیر می‌پذیرد قابلیت دوام[2] فوم است. عمده‌ترین موضوع مرتبط با قابلیت دوام، کاهش خاصیت تحمل بار یا نرم شدن فوم در حین استفاده است. این خاصیت معمولا خستگی خمشی یا صرفا خستگی نامیده می‌شود. بطور کلی می‌توان گفت با کاهش چگالی فومهای معمولی پر نشده، تمایل به خستگی افزایش می‌یابد. مطابق تجارب کمیته‌های کاری انجمن فومهای پلی اورتانی آمریکا، فومهای پلی اورتان با چگالی 1.8 پاوند بر فوت مکعب (28.8 کیلوگرم بر مترمکعب) یا بالاتر در کاربردهای صندلی خودرو عملکرد بهتری نسبت به فومهایی با چگالی پلیمری کمتر دارند[3].

استحکام کششی

استحکام کششی[4] با استفاده از روش تصریح شده در استاندارد ASTM D3571 اندازه‌گیری می‌شود. معمولا استحکام کششی بالاتر از 55.2 کیلوپاسکال (8 psi) پذیرفتنی است. استحکام کششی به تنهایی نمی‌تواند ملاک رد یا قبول محموله‌های فوم باشد. تغییر استحکام کششی از یک محموله به محموله دیگر شاخص بهتری برای شناسایی مسایل بالقوه است. اگر تغییرات قابل ملاحظه‌ای در میزان استحکام کششی روی دهد تامین کننده باید مطلع شده و مابقی خواص فیزیکی یا روشهای آزمون در محموله فوم مورد سوال باید دوباره چک شود. تغییرات بزرگ در استحکام کششی می تواند نشانه‌ای از تغییرات در سایر خواص فیزیکی باشد.

مقاومت پارگی

مقاومت در برابر پارگی[5] با استفاده از روش تصریح شده در استاندارد ASTM D-3574 سنجیده می‌شود. مقاومت پارگی قابل قبول ازتقریبا 1 پاوند بر اینچ شروع می‌شود. کمتر از این مقدار مشکلاتی در حمل و نقل فوم در کارخانه و نیز پیرامون سوراخهای ایجاد شد در فوم پدید خواهد آورد. همانند استحکام کششی، تغییرات مشهود در مقاومت پارگی از محموله‌ای به محموله دیگر می‌تواند نشانی از وجود مشکل در خط تولید فوم باشد.

افزایش طول

افزایش طول در هنگام گسیختگی[6] با استفاده ازروش تصریح شده در استاندارد ASTM D-3574 اندازه‌گیری می‌شود. معمولا افزایش طول 100 درصد مقداری پذیرفتنی است. کمتر از این مقدار می‌تواند باعث افزایش احتمال پارگی فوم در هنگام استفاده شود.

آزمون IFD و ILD

استحکام نشیمن صندلی خودرو توسط یک خاصیت فیزیکی به نام تغییرشکل در اثر نیروی فرورونده[7] (IFD یا  ILD) سنجیده می‌شود. این خاصیت به صورت نیروی لازم برای ایجاد فرورفتگی به میزان معین در نمونه فوم تعریف می‌گردد و توسط یک ماشین تست فشار انجام می‌شود که پاشنه‌ای گرد یا مستطیلی را بر فوم می‌فشارد. آزمون‌های فوم معمولا چندین بار روی قسمت میانی و پشت صندلی تکرار می‌شوند تا استحکام فوم در سراسر مجموعه صندلی سنجیده شود. بنابراین در هنگام خرید تجهیزات آزمون بایستی به عامل بازدهی آزمون توجه نمود.

طبق استاندارد ASTM، کمیت IFD به صورت نیروی لازم برحسب پاوند برای فروبردن یک کفشک گرد با مساحت 50 اینچ مربع در یک نمونه فوم به میزان درصد معینی از ضخامت کل نمونه تعریف می‌شود. کمیت IFD باید همواره بصورت مقدار نیرو برحسب پاوند دریک درصد تغییرشکل مشخص در نمونه‌ای از فوم با ارتفاع معین گزارش شود. برای مثال 25 pounds/ 50 in² در 25 درصد تغیرشکل روی یک نمونه با ضخامت 4 اینچ بدین معناست که چنین نیرویی وقتی روی نمونه‌ای از فوم با ضخامت 4 اینچ وارد شود، باعث کاهش 25 درصد در ضخامت فوم می‌گردد. در یک نمونه فوم، IFD همگام با ضخامت افزایش می‌یابد.

آزمون هیسترزیس

آزمون هیسترزیس گزینه دیگری برای انجام آزمایش روی مقاطع میانی و پشتی فوم انعطاف‌پذیر صندلی است. این آزمون تضمینی بر این امر است که سازنده در هنگام تولید صندلی، مقدار بیش از حد لازم فوم بکار نبرده است و در عین حال استحکام فوم و راحتی مشتری را نیز می‌سنجد.

آزمون هیسترزیس نوعی آزمون تراکم مشابه IFD یا ILD است که استحکام و یکنواختی بالش‌های صندلی خودرو را اندازه می‌گیرد. این آزمون اتلاف انرژی هیسترزیس در فوم‌ها را که در حقیقت اختلاف بین انرژی بارگذاری و باربرداری است، اندازه می‌گیرد. این آزمون که چالش‌های فنی بزرگتری در بردارد از همان ماشین مورد استفاده در IFD سود می‌جوید. لیکن نیاز به تحلیل‌های کامپیوتری بیشتری دارد. نتایج این تحلیل‌ها جامعترین اطلاعات در مورد استحکام فوم را در اختیار قرار می‌دهد.

آزمون بالشتک

هنگامی که فوم به داخل قالبها ریخته شده و بالش‌های گرد صتدلی ساخته می‌شود، ممکن است حبابها و نواقص کوچکی در فوم باقی بماند. آزمون بالشتک[8] بخش مهمی از فرایند آزمایش صندلی خودرو است زیرا نواقص موجود و استحکام کناره‌ها و بازوی صندلی را کنترل می‌کند. برخی سازندگان از مقیاس‌های دستی برای آزمون بالشتک استفاده می‌کنند لیکن برای نیل به نرخ بارگذاری مناسب باید از ماشین‌های آزمون استحکام با قابلیت کنترل سرعت استفاده کرد.

---

[1] . flex fatigue

[2] . durability

[3] . http://www.pfa.org/jifsg/jifsgs1.html

[4] . tensile strength

[5] . tear strength

[6] . elongation at break

[7] . IFD=Indentation Force Deflaction

[8] . Bolster testing