فوم انعطاف‌پذیر پلی‌یورتان (ارزیابی، آزمون و الزامات)

آزمون فوم پلی یورتان یکی از مراحل مهم ارزیابی کیفیت، خواص فیزیکی و دوام فوم‌های انعطاف‌پذیر است. در این مقاله، روش‌های استاندارد اندازه‌گیری دانسیته، سختی فرو‌رفتگی (IFD)، مقاومت فشاری (CFD)، استحکام کششی، مقاومت پارگی، جهندگی و آزمون‌های خستگی فوم بررسی می‌شوند. همچنین، الزامات طبقه‌بندی و ارزیابی عملکرد فوم‌های انعطاف‌پذیر بر اساس استاندارد ISO 5999 تشریح شده است.

چکیده

فوم‌های انعطاف‌پذیر پلی‌یورتان به دلیل برخورداری از ویژگی‌هایی نظیر راحتی، انعطاف‌پذیری، جذب انرژی و دوام مناسب، در طیف گسترده‌ای از
کاربردها از جمله مبلمان، تشک، صنایع خودروسازی، حمل‌ونقل عمومی، تجهیزات پزشکی و بسیاری از محصولات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با توجه به تنوع زیاد این محصولات، وجود یک نظام استاندارد برای طبقه‌بندی، ارزیابی کیفیت و تعیین محدوده عملکرد آنها ضروری است.
استاندارد 5999 ISO و استاندارد ملی متناظر آن 8135:2026 INSO، چارچوب جامعی برای طبقه‌بندی فوم‌های انعطاف‌پذیر پلی‌یورتان ارائه
می‌کنند. در این استاندارد، فوم‌ها ابتدا بر اساس نوع و فرآیند تولید به سه نوع اصلی شامل فومهای اسلب‌استاک (Type I)، فوم‌های قالبی (Type II)و فوم‌های بازسازی‌شده یا پیوندداده‌شده (Type III)تقسیم می‌شوند. هر یک از این گروه‌ها نیز با توجه به میزان جهندگی و ساختار فوم، به زیرگروه‌هایی مانند LB، MB، HB، LM، MM، HM و RE تفکیک می‌شوند که هر یک برای کاربردهای خاصی طراحی شده‌اند.
پس از تعیین نوع فوم، عملکرد آن از طریق آزمون خستگی با بار ثابت (Test Fatigue Pounding Load-Constant )مطابق استاندارد
3385 ISO ارزیابی می‌شود. در این آزمون، نمونه فوم تحت سیکلهای متوالی بارگذاری قرار گرفته و میزان کاهش سختی آن پس از پایان آزمون
اندازه‌گیری می‌شود. نسبت افت سختی، معیاری برای سنجش دوام و حفظ خواص مکانیکی فوم در استفاده طولانی‌مدت بوده و بر همین اساس، فوم‌ها
در پنج رده X، V، S، A و L طبقه‌بندی میشوند. هرچه افت سختی کمتر باشد، مقاومت فوم در برابر خستگی بیشتر بوده و برای شرایط کاری سخت‌تر
مناسب‌تر خواهد بود. یکی دیگر از معیارهای مهم معرفی‌شده در این استاندارد، شاخص سختی (Deflection Force Indentation یا IFD )است
که میزان نیروی لازم برای ایجاد فرورفتگی مشخص در فوم را نشان می‌دهد. این شاخص، معیار اصلی بیان سختی اولیه فوم بوده و گریدهای مختلف فوم بر اساس آن تعریف می‌شوند. در نتیجه، کدگذاری کامل فوم‌ها از سه بخش نوع، رده و گرید تشکیل شده است؛ برای مثال، کد (I(-170V-HB
بیانگر یک فوم اسلب‌استاک با جهندگی بالا، مناسب برای کاربردهای بسیار سنگین و دارای سختی اولیه 170 نیوتن است. این شیوه نام‌گذاری، انتخاب فوم مناسب برای کاربردهای مختلف را ساده‌تر و دقیق‌تر می‌کند.
استاندارد 5999 ISO علاوه بر معرفی سیستم طبقه‌بندی، برای هر نوع و رده فوم، حداقل الزامات خواص فیزیکی شامل مقاومت کششی، ازدیاد طول
تا پارگی، مانایی فشاری، استحکام پس از پیرشدگی حرارتی و رطوبتی، درصد تغییر استحکام و سایر ویژگی‌های مرتبط را نیز مشخص می‌کند. این
الزامات تضمین می‌کنند که فوم تولیدشده علاوه بر داشتن سختی مناسب، از دوام کافی در شرایط بهره‌برداری نیز برخوردار باشد.
در نهایت، باید توجه داشت که انتخاب فوم مناسب تنها بر اساس یک پارامتر امکان‌پذیر نیست. نوع فوم، رده عملکردی، گرید سختی، خواص فیزیکی، شرایط واقعی بهره‌برداری و الزامات هر کاربرد باید به‌صورت همزمان مورد بررسی قرار گیرند. رعایت الزامات استانداردهای بین‌المللی نظیر 5999 ISO
ضمن تضمین کیفیت و دوام محصول، امکان انتخاب صحیح فوم برای کاربردهای مختلف و مقایسه عملکرد محصولات تولیدکنندگان گوناگون را نیز
فراهم می‌سازد. بدین ترتیب، این استانداردها نقش مهمی در طراحی، تولید، کنترل کیفیت و توسعه فوم‌های انعطاف‌پذیر پلی‌یورتان ایفا می‌کنند.

1- مقدمه

در مراحل توسعه محصول، خواص فیزیکی فوم به‌‌منظور شناسایی ویژگی‌های مواد اولیه و تعیین مناسب بودن آن برای کاربردهای موردنظر مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. همچنین در تولید صنعتی فوم، اندازه‌گیری خواص فیزیکی کلیدی نقش مهمی در کنترل کیفیت محصول ایفا می‌کند.

در این مقاله، آزمون‌های مربوط به ارزیابی خواص فیزیکی پایه و دوام فوم معرفی و تشریح شده‌اند.

شکل 1- تصویری از فوم تحت بار

2- خواص فیزیکی پایه

استاندارد ASTM D3574 روش‌های استاندارد آماده‌‌سازی نمونه‌های فوم و همچنین روش‌های انجام آزمون‌های خواص فیزیکی پایه و دوام فوم را ارائه می‌کند. معادل مستقیمی برای این استاندارد در مجموعه استانداردهای ISO وجود ندارد؛ با این حال، برخی از روش‌های آزمون معرفی‌شده در آن دارای استانداردهای متناظر یا معادل در ISO هستند. در این مقاله برای معرفی روش‌های آزمون، در هر بخش از استانداردهای متناظر ISO استفاده شده است. در ادامه، هفت آزمون اصلی خواص فیزیکی پایه مورد بررسی قرار می‌گیرد که عبارت‌اند از:

دانسیته (Density)
نیروی فرورفتگی در کرنش ثابت (Indentation Force Deflection, IFD)
نیروی فشاری در کرنش ثابت (Compression Force Deflection, CFD)
مانایی فشاری در تغییر شکل ثابت (Constant Deflection Compression Set)
استحکام کششی (Tensile Strength)
مقاومت پارگی (Tear Resistance)
خاصیت جهندگی (Resilience)

1-2- آماده سازی نمونه

بر اساس استانداردهایISO ، آزمون فوم باید 72 ساعت پس از تولید انجام شود. همچنین، پیش از انجام آزمون، نمونه فوم که فاقد هرگونه تغییر شکل باشد، باید حداقل به مدت 16 ساعت در شرایط محیطی کنترل‌شده شامل دمای 2±23 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 5 ±50 درصد (یا دمای 2±27 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 5±65 درصد) نگهداری شود. این دوره نگهداری می‌تواند بخش پایانی دوره زمانی پس از تولید فوم را نیز شامل شود.
در برخی از آزمون‌ها، به‌منظور دستیابی به نتایجی که تا حد امکان بیانگر عملکرد واقعی محصول در شرایط بهره‌برداری باشند، از شرایط‌ دهی مکانیکی (Mechanical Conditioning) نیز استفاده می‌شود.

2-2- دانسیته

اندازه‌گیری دانسیته، همان‌گونه که در شکل 2 نشان داده شده است، بیانگر دانسیته ظاهری (Apparent Density) یا دانسیته حجمی (Bulk Density) فوم است، نه دانسیته واقعی پلیمر. این ویژگی فیزیکی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا ارتباط مستقیمی با هزینه تولید و ظرفیت تحمل بار دارد. به‌طور کلی، افزایش دانسیته موجب افزایش هزینه تولید می‌شود، اما در مقابل، خواص مکانیکی و ظرفیت تحمل بار فوم را نیز بهبود می‌بخشد.

مطابق استاندارد ISO 845، دانسیته فوم به دو صورت تعیین و گزارش می‌شود. در روش اول، دانسیته ظاهری هسته فوم (Apparent Core Density) اندازه‌گیری می‌شود که در آن، تمامی لایه‌های پوسته‌ای (Skin) ایجادشده در فرآیند قالب‌گیری از نمونه حذف شده و سپس دانسیته بخش هسته فوم تعیین می‌شود. در روش دوم، دانسیته ظاهری کل فوم (Apparent Overall Density) گزارش می‌شود که در آن، دانسیته نمونه بدون حذف پوسته‌ها و با احتساب تمامی لایه‌های پوسته‌ای تشکیل‌شده در حین قالب‌گیری اندازه‌گیری می‌شودر این آزمون، ابتدا یک نمونه نماینده از فوم با دقت ابعادبرداری شده و سپس وزن آن به‌طور دقیق اندازه‌گیری می‌شود. دانسیته که معمولاً بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m³)  گزارش می‌شود، از تقسیم جرم نمونه بر حجم آن به دست می‌آید.

شکل 2- اندازه‌گیری دانسیته

3-2- نیروی فرورفتگی در کرنش ثابت
(Indentation Force Deflection, IFD)

آزمون IFD  روشی برای اندازه‌گیری خواص تحمل بار (Load-bearing Properties) یک فوم است. در این آزمون، نیروی لازم برای فرو بردن یک صفحه دایره‌ای در داخل فوم اندازه‌گیری می‌شود که به این ضریب شاخص سختی فوم نیز گفته می­شود. تجربه نشان داده است که نتایج این اندازه‌گیری‌ها می‌توانند بسته به دما و رطوبت نسبی محیطی که فوم در آن ساخته، عمل‌آوری (Cure) و آزمون شده است، تغییر کنند. بر اساس استاندارد ISO 2439 ، روش A، نمونه فوم روی یک صفحه نگهدارنده دارای سوراخ‌هایی با قابلیت عبور هوا قرار می‌گیرد. سپس یک صفحه دایره‌ای با قطر 20 سانتی‌متر روی سطح فوم قرار دادهمی‌شود (شکل 3). در ادامه، نمونه برای آماده‌سازی اولیه (شرایط‌دهی مکانیکی)، سه بار تا 70 درصد ضخامت خود فشرده می‌شود. بلافاصله پس از سومین مرحله باربرداری، نمونه آزمون را به میزان 40 درصد از ضخامت آن تحت فرورفتگی قرار دهید. این میزان فرورفتگی را به مدت 30 ثانیه حفظ کنید، سپس نیروی متناظر را بر حسب نیوتن ثبت کرده و بار را آزاد کنید. در این آزمون، نیروی اعمالی و میزان فرورفتگی به‌طور هم‌زمان ثبت می‌شوند.

شکل 3- اندازه‌گیری سختی در کرنش ثابت

نتایج این آزمون را می‌توان همان‌گونه که در شکل 4 نشان داده شده است، به‌صورت نمودار نمایش داد. توجه کنید که هنگام برداشتن بار (Unload)، نیروی اندازه‌گیری‌شده برای یک میزان فرورفتگی مشخص، کمتر از نیروی لازم در هنگام اعمال بار (Load) است. این اختلاف هیسترزیس (Hysteresis)  نامیده می‌شود و به‌صورت درصدی از نیروی اعمالی گزارش می‌گردد.

هیسترزیس معیاری از میزان انرژی جذب‌شده توسط فوم در هنگام تغییرشکل است. فوم‌هایی که هیسترزیس بالایی دارند، جهندگی (Resilience) کمتری از خود نشان می‌دهند و معمولاً برای بازگشت به شکل اولیه به زمان بیشتری نیاز دارند.

شکل 4- نمودار نیرو-کرنش حاصل از تست IFD

مقادیر IFD را می‌توان در سطوح مختلف تغییرشکل، شامل 25، 50 و 65 درصد ضخامت اولیه فوم، اندازه‌گیری و گزارش کرد. همچنین، مقادیر IFD برگشتی (Unload) معمولاً در سطوح 25 و 5 درصد تغییرشکل ثبت می‌شوند. بر اساس این مقادیر، می‌توان شاخص‌ها و اطلاعات فنی مختلفی را درباره رفتار مکانیکی و ویژگی‌های تحمل بار فوم استخراج کرد که مهم‌ترین آن‌ها در ادامه ارائه شده‌اند.

• برگشت پذیری (Recovery) یا عکس هیسترسیس (Hysteresis/1)

%Recovery=(Unload 25% IFD)/(Load 25% IFD)×100

مقادیر بالای برگشت‌پذیری (Recovery) برای کاربردهای راحتی و نشیمن (Cushioning) مطلوب هستند، در حالی که مقادیر پایین برگشت‌پذیری برای کاربردهای جذب ضربه (Shock-Absorbing) مناسب‌ترند. فوم‌هایی که برگشت‌پذیری پایینی دارند، گاهی با عنوان «فوم مرده» (Dead Foam) شناخته می‌شوند.

• ضریب ساگ (Sag Factor) یا ضریب تکیه گاهی (Support Factor)

Sag Factor=(65% IFD)/(25% IFD)

هرچه Sag Factor  یا ضریب تکیه‌گاهی (Support Factor) بیشتر باشد، کیفیت تکیه‌گاهی و نشیمن فوم نیز بهتر خواهد بود. فوم‌هایی که ضریب ساگ پایینی دارند، معمولاً در اثر اعمال بار به‌سرعت تا کف فشرده می‌شوند و عملکرد نامطلوبی از خود نشان می‌دهند.

• ضریب راحتی (Comfort Factor) یا عکس ضریب سختی اولیه (1/The initial hardness Factor)

Comfort Factor=(25% IFD)/(5% IFD)

ضریب راحتی، بیانگر احساس اولیه‌ای است که هنگام تماس با سطح فوم به مصرف‌کننده منتقل می‌شود. هرچه مقدار این شاخص بیشتر باشد، سطح فوم نرم‌تر احساس می‌شود؛ در مقابل، مقادیر پایین‌تر نشان‌دهنده سطحی سفت‌تر و سخت‌تر هستند.

• ضریب راهنما (Guide Factor)

25% Guide Factor=(25% IFD)/Density

65% Guide Factor=(65% IFD)/Density

فوم‌هایی که ضریب راهنمای (Guide Factor) بالاتری دارند، معمولاً از نظر هزینه تولید و مصرف مواد اولیه مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند، اما این مزیت لزوماً به معنای عملکرد بهتر آن‌ها نیست.

4-2- نیروی فشاری در کرنش ثابت
(Compression Force Deflection, CFD)

آزمون CFD از نظر اصول اندازه‌گیری مشابه آزمون IFD است؛ با این تفاوت که در این آزمون، نیروی لازم برای فشرده کردن فوم تا یک میزان تغییرشکل مشخص اندازه‌گیری و گزارش می‌شود. در آزمونCFD  از یک صفحه فشاری استفاده می‌شود که ابعاد آن به اندازه‌ای است که بتواند نیرو را به‌طور یکنواخت بر تمام سطح فوقانی نمونه فوم اعمال کند.

بر اساس استاندار ISO 3386، نمونه روی یک صفحه نگهدارنده سوراخ‌دار قرار می‌گیرد تا جریان هوا در حین فشرده‌سازی امکان‌پذیر باشد. نمونه را در مرکز دستگاه قرار دهید (شکل 5) و با استفاده از صفحه فشاری، آن را با سرعت 100 میلی‌متر بر دقیقه فشرده کنید تا ضخامت آن به 70 درصد مقدار اولیه کاهش یابد. سپس صفحه فشاری را با همان سرعت بالا ببرید تا نمونه به ضخامت اولیه خود بازگردد. این عمل را سه بار تکرار کنید (شرایط‌دهی مکانیکی). در بار چهارم، فشار لازم برای فشرده کردن نمونه تا مقدار تغییرشکل تعیین‌شده را بر حسب KPa اندازه‌گیری و ثبت کنید.

در آزمون CFD، تغییراتی در روش اجرا از جمله تغییر ابعاد نمونه (از جمله ضخامت فوم) و تغییر سطح صفحه فشاری قابل اعمال است. این تغییرات می‌توانند بر نتایج آزمون و مقادیر اندازه‌گیری‌شده تأثیر بگذارند.

شکل 5 – اندازه­‌گیری نیروی فشاری در کرنش ثابت

5-2- مانایی فشاری در تغییر شکل ثابت
(Constant Deflection Compression Set)

در آزمون مانایی فشاری (Compression Set)، سه نمونه فوم با ابعاد دقیق بین دو صفحه فلزی قرار داده شده و تا 50، 75 یا 90 درصد تغییرشکل نسبت به ضخامت اولیه فشرده می‌شوند.
نمونه‌ها در حالی که تحت این میزان فشردگی قرار دارند، به مدت 22 ساعت در دمای 70 درجه سانتی‌گراد نگهداری می‌شوند. سپس از دستگاه خارج شده و 30 دقیقه فرصت داده می‌شود تا تا حد امکان به حالت اولیه خود بازگردند. در پایان، ضخامت نمونه‌ها دوباره اندازه‌گیری شده و میزان تغییر شکل دائمی آن‌ها محاسبه می‌شود.

C_t=(t_0-t_f)/t_0 ×100

C_t: مانایی فشاری، بر حسب درصد ضخامت اولیه نمونه؛

t_0: ضخامت اولیه نمونه پیش از اعمال بار؛

t_f: ضخامت نهایی نمونه پس از پایان آزمون و دوره بازیابی.

تا زمانی که ضخامت اولیه نمونه کمتر از طول یا عرض آن باشد، مقدار مانایی فشاری مستقل از ضخامت نمونه خواهد بود. اما اگر ضخامت نمونه از طول یا عرض آن بیشتر شود، ممکن است نمونه در هنگام اعمال بار دچار کمانش (Buckling) شود و در نتیجه، نتایج آزمون از تکرارپذیری مناسبی برخوردار نباشند. بنابراین، نمونه‌ها معمولاً به گونه‌ای در دستگاه قرار داده می‌شوند که اندازه‌گیری مانایی فشاری در راستای جهت رشد فوم انجام شود. مقادیر مانایی فشاری اندازه‌گیری‌شده در نمونه‌هایی که عمود بر جهت رشد فوم تهیه شده‌اند، معمولاً کمتر است. علاوه بر این، برخی از خودروسازان انجام آزمون مانایی فشاری در شرایط مرطوب
(Wet Compression Set) را نیز الزامی می‌دانند. در یک روش متداول، نمونه برش‌خورده (به‌همراه پوسته قالب، همانند روش مورد استفاده شرکتRenault ) تحت 50 درصد فشردگی، به مدت 22 ساعت در دمای 50 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 95 درصد مورد آزمون قرار می‌گیرد.

شکل 6 – آزمون مانایی فشاری

6-2- استحکام کششی (Tensile Strength)

آزمون کشش (Tensile Test)، استحکام فوم را در برابر نیروی کششی اندازه‌گیری کرده و اطلاعاتی درباره انعطاف‌پذیری و رفتار الاستیکی فوم ارائه می‌دهد. نمونه‌های مورد استفاده در این آزمون معمولا به شکل دمبلی یا استخوانی طبق ابعاد مشخص شده در استاندارد مورد استفاده برش داده می‌شوند. در طول آزمون، نمونه با سرعت ثابت (طبق استاندارد ISO 1798 با سرعت 500 میلیمتر بر دقیقه) کشیده می‌شود تا زمانی که شکست اتفاق بیفتد. نیروی ثبت‌شده در لحظه شکست، به‌عنوان استحکام کششی فوم گزارش می‌شود که معمولا بر حسب کیلوپاسکال (kPa) بیان می‌گردد.

حداکثر افزایش طول نمونه به صورت درصدی از طول اولیه آن، ازدیاد طول در نقطه شکست (Elongation at Break) نامیده می‌شود. این مقدار معمولا به‌صورت دستی یا با استفاده از اکستنسومتر (Extensometer) اندازه‌گیری می‌شود. در گذشته، استفاده از اکستنسومترها به دلیل تماس مستقیم با نمونه، باعث ایجاد خطاهایی در نتایج می‌شد؛ زیرا ممکن بود باعث تغییر شکل نمونه یا ایجاد تمرکز تنش در محل تماس شوند. امروزه اکستنسومترهای غیرتماسی مبتنی بر فناوری لیزر برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر در دسترس هستند. مدول الاستیسیته (Modulus of Elasticity) از طریق رسم نمودار تنش در برابر کرنش(Stress–Strain Curve) در آزمون کشش به دست می‌آید. این مدول برابر با شیب اولیه منحنی تنش-کرنش در ناحیه‌ای است که رفتار ماده کاملاً الاستیک بوده و قانون هوک برقرار است. بیشتر فوم‌های پلی‌یورتان دارای یک نقطه تسلیم (Yield Point) هستند؛ یعنی نقطه‌ای که پس از آن، تغییر شکل ایجادشده دیگر کاملاً برگشت‌پذیر نیست و تغییر شکل دائمی و غیرالاستیک آغاز می‌شود. این رفتار برگشت‌ناپذیر ممکن است ناشی از پارگی استرات‌ها (Struts) در ساختار سلولی فوم، شکست دیواره‌های سلولی (Cell Windows) یا لغزش زنجیره‌های پلیمری باشد. تنشی که در نقطه تسلیم ایجاد می‌شود، استحکام تسلیم (Yield Strength) نامیده می‌شود.
برای آشنایی بیشتر با تأثیر ترکیبات فرمولاسیون بر ساختار و خواص مکانیکی فوم، مطالعه مقاله «نقش زنجیر افزاینده در فوم پلی یورتان» نیز پیشنهاد می‌شود.

شکل 7 – اندازه­‌گیری استحکام کششی

7-2- مقاومت پارگی (Tear Resistance)

یکی دیگر از معیارهای مهم برای ارزیابی استحکام مکانیکی فوم، مقاومت پارگی (Tear Strength) است. در این آزمون، همان‌گونه که به‌صورت شماتیک در شکل 8  نشان داده شده است، نمونه‌ای با ابعاد مشخص‌شده در استاندارد (ISO 8067) که دارای یک شکاف اولیه است، تحت نیروی کششی قرار می‌گیرد. با اعمال نیروی کششی، پارگی از محل شکاف اولیه گسترش یافته و نیروی موردنیاز برای ادامه گسترش پارگی اندازه‌گیری می‌شود. مقاومت پارگی از تقسیم حداکثر نیروی ثبت‌شده یا میانگین آن بر ضخامت نمونه محاسبه شده و معمولاً بر حسب نیوتن بر میلی‌متر (N/mm) گزارش می‌شود. هرچه مقدار مقاومت پارگی بیشتر باشد، فوم در برابر گسترش ترک یا پارگی ناشی از تنش‌های مکانیکی مقاومت بیشتری خواهد داشت.

نتایج این آزمون به میزان قابل‌توجهی به استحکام پارگی فوم وابسته است، اما لزوماً با استحکام کششی آن همبستگی مستقیم ندارد. در این آزمون، پارگی از یک شکاف از پیش ایجادشده آغاز می‌شود و معیار اصلی، مقاومت فوم در برابر ادامه گسترش پارگی است، نه نیروی لازم برای ایجاد پارگی اولیه. به همین دلیل، کیفیت و تیزی ابزار برش می‌تواند بر نتایج اندازه‌گیری اثرگذار باشد.

شکل 8 – اندازه­‌گیری مقاومت پارگی

8-2- خاصیت جهندگی (Resilience)

خاصیت جهندگی (Resilience) فوم با استفاده از آزمون بازگشت توپ (Ball Rebound Test)، مطابق شکل زیر اندازه‌گیری می‌شود. در این آزمون، یک توپ فولادی از ارتفاع مشخصی بر روی نمونه فوم رها شده و ارتفاع بازگشت آن اندازه‌گیری می‌شود. جزئیات روش انجام آزمون و تجهیزات موردنیاز در استاندراد ISO 8307 ارائه شده است. نتایج این آزمون ارتباط مناسبی با میزان راحتی نشیمن (Cushion Comfort)  فوم نشان داده و به‌عنوان یکی از شاخص‌های ارزیابی این ویژگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شکل 9 – آزمون جهندگی فوم

3- آزمون دوام فوم (Durability)

روش‌های متعددی برای اندازه‌گیری مقاومت خستگی (Fatigue) در فوم‌های انعطاف‌پذیر در مقیاس آزمایشگاهی وجود دارد. با این حال، اغلب این روش‌ها در دو دسته اصلی قرار می‌گیرند: آزمون‌های خستگی استاتیکی (Static Fatigue Tests) و آزمون‌های خستگی دینامیکی (Dynamic Fatigue Tests).

در هر یک از این دو دسته، روش‌های مختلف آزمون از نظر میزان بارگذاری یا تغییرشکل اعمال‌شده، استفاده از فرورونده (Indenter) یا اعمال تغییرشکل کامل، وجود یا عدم وجود نیروی برشی، ضخامت نمونه، تعداد سیکل‌های بارگذاری، نرخ اعمال و بازیابی تغییرشکل و همچنین مدت زمان استراحت نمونه پس از هر سیکل یا پس از پایان آزمون، با یکدیگر تفاوت دارند. علاوه بر این، شاخص‌های اندازه‌گیری‌شده نیز بسته به نوع آزمون متفاوت هستند و می‌توانند شامل افت ارتفاع (Height Loss)، افت سختی (Hardness Loss)، تغییرات ظاهری یا کاهش سایر خواص فیزیکی فوم باشند.

در ادامه، شرح مختصری از برخی روش‌های استاندارد و پرکاربرد آزمایشگاهی برای ارزیابی خستگی فوم ارائه شده است. با پیشرفت تحقیقات، روش‌های جدید آزمون خستگی با سرعت فزاینده‌ای معرفی می‌شوند که بسیاری از آن‌ها همبستگی بهتری با عملکرد واقعی محصول داشته و امکان پیش‌بینی دقیق‌تر دوام و عملکرد فوم را فراهم می‌کنند.

1-3- آزمون‌های خستگی استاتیکی (Static Fatigue Tests)

به‌طور کلی، دو نوع آزمون خستگی استاتیکی بیشترین کاربرد را دارند:

• آزمون مانایی فشاری با تغییرشکل ثابت
  (Constant Deflection Compression Set)
• آزمون خزش تحت بار ثابت (Constant-Load Creep Test)

1-1-3- آزمون مانایی فشاری با تغییرشکل ثابت
 (Constant Deflection Compression Set)

رایج‌ترین آزمون خستگی استاتیکی، آزمون مانایی فشاری با تغییرشکل ثابت است که از نظر روش اجرا شباهت زیادی به آزمون ساده مانایی فشاری شرح داده‌شده در بخش­ 2-5 دارد. این آزمون مطابق با استاندارد ASTM 3574، روش I،  انجام می‌شود. در این روش، معمولاً از نمونه‌ای با ابعاد 380 × 380 × 80 میلی‌متر استفاده می‌شود. استاندارد معادل ایزو برای این آزمون وجود ندارد. نمونه فوم در یک دستگاه ساده، مطابق شکل 10، تا میزان مشخصی فشرده شده و برای مدت زمان معینی تحت همان تغییرشکل نگه داشته می‌شود. پس از پایان زمان فشردگی، نمونه از دستگاه خارج شده و فرصت بازیابی پیدا می‌کند. سپس ارتفاع نمونه اندازه‌گیری شده و نتایج به‌صورت درصدی از ارتفاع اولیه گزارش می‌شوند.

مقادیر به‌دست‌آمده از آزمون مانایی فشاری، همبستگی مناسبی با کاهش ضخامت بالشتک در شرایط واقعی استفاده و همچنین تغییرات سختی فوم دارند. با این حال، پایین بودن مقدار مانایی فشاری در آزمون‌های خستگی استاتیکی، لزوماً تضمین‌کننده عملکرد مطلوب محصول در شرایط واقعی نیست. به همین دلیل، در توسعه محصولات جدید، آزمون‌های مانایی فشاری معمولاً تنها به‌عنوان شاخصی تقریبی برای ارزیابی قابلیت بازیابی فوم پس از اعمال بار مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین این آزمون‌ها به‌طور گسترده به‌عنوان آزمون کنترل کیفیت در فرآیند تولید فوم به کار گرفته می‌شوند.

شکل 10– آزمون مانایی فشاری برای سنجش خستگی استاتیکی

2-1-3- آزمون خزش تحت بار ثابت (Constant-Load Creep Test)

خزش (Creep) به تغییرشکل وابسته به زمان یک نمونه تحت اثر بار ثابت و مداوم گفته می‌شود که پس از برداشتن بار، به‌طور کامل یا تا حد زیادی قابل بازیابی است. یک دستگاه متداول برای انجام این آزمون در شکل 11  نشان داده شده است. در این روش، یک نمونه فوم با ابعاد تقریباً 76 × 76 × 51 میلی‌متر در زیر صفحه اعمال بار قرار می‌گیرد. سپس صفحه تا جرم موردنظر بارگذاری شده و بر روی نمونه قرار داده می‌شود. تغییرشکل عمودی (خزش) نمونه طی مدت 10 دقیقه اندازه‌گیری می‌شود.

نتایج آزمون به‌صورت درصد تغییرشکل برحسب زمان ترسیم می‌شوند و از شیب این منحنی، نرخ خزش (Creep Rate) محاسبه می‌شود. مقدار نرخ خزش با درصد نفوذ یا میزان فشردگی اولیه نمونه ارتباط دارد؛ به‌طوری‌که هرچه میزان فشردگی بیشتر باشد، نرخ خزش نیز افزایش می‌یابد. به‌طور کلی، نرخ خزش بالا نشان‌دهنده تمایل بیشتر فوم به کاهش ضخامت و افت عملکرد در طول زمان است.

همانند سایر آزمون‌های خستگی استاتیکی، آزمون خزش نیز به‌تنهایی شدت کافی برای شبیه‌سازی شرایط واقعی استفاده را ندارد؛ بنابراین، نتایج آن معمولاً برای پیش‌بینی دقیق عملکرد بلندمدت فوم در شرایط سرویس کافی نبوده و بیشتر به‌عنوان یک آزمون مقایسه‌ای و کنترل کیفیت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شکل 11– تصویری ساده از دستگاه آزمون خزش تحت بار ثابت

3-2- آزمون‌های خستگی دینامیکی (Dynamic Fatigue Tests)

آزمون‌های خستگی دینامیکی به‌منظور شبیه‌سازی بارهای متناوب طراحی شده‌اند که بالشتک‌های نشیمن در شرایط واقعی استفاده با آن‌ها مواجه می‌شوند. به‌طور کلی، دو نوع اصلی از این آزمون‌ها مورد استفاده قرار گرفته است:

– آزمون‌هایی که در آن‌ها بالشتک فومی توسط یک فرورونده نوسانی(Oscillating Indenter) تا درصد ثابتی از ضخامت خود فشرده می‌شود.
– آزمون‌هایی که در آن‌ها نمونه به‌طور مکرر تحت بارگذاری و باربرداری قرار می‌گیرد و فرورونده در هر سیکل بار ثابتی را به نمونه اعمال می‌کند.

گزارش شده است که آزمون‌های خستگی دینامیکی، از جمله آزمون بارکوبی با بار ثابت (Constant-Load Pounder Test) که در آن با نرم‌تر شدن فوم، میزان نفوذ فرورونده در طول آزمون به‌تدریج افزایش می‌یابد، همبستگی بالایی با کاهش ارتفاع (Height Loss) فوم و تا حدودی نیز با افت سختی (Hardness Loss) آن در شرایط واقعی بهره‌برداری دارند. یکی از روش‌های استاندارد برای انجام آزمون بارکوبی با بار ثابت، استاندارد ISO 3385 است که به‌عنوان یک روش متداول توسط بسیاری از تولیدکنندگان فوم در صنایع مبلمان و خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شکل 12– تصویری کارتونی از تست خستگی فوم

1-2-3- آزمون‌های خستگی با بار ثابت
 (Constant-Load Pounding Fatigue Test)

استاندارد بین‌المللیISO 3385 ، روش استاندارد انجام آزمون خستگی با بار ثابت را ارائه می‌کند. در این آزمون، یک نمونه فوم با ابعاد 380 × 380 × 50 میلی‌متر به‌طور مکرر توسط یک صفحه دایره‌ای با قطر 25 سانتی‌متر تحت بار 750 نیوتن و با نرخ 70 سیکل در دقیقه، در مجموع 80,000 سیکل بارگذاری می‌شود. یک نمونه از دستگاه مورد استفاده برای اجرای آزمون خستگی بارکوبی در شکل 13  نشان داده شده است.

شکل 13– تصویری ساده از دستگاه آزمون خستگی با بار ثابت

ضخامت و سختی نمونه (مقادیرIFD) قبل و بعد از انجام آزمون مطابق استاندارد ISO 2439  اندازه‌گیری می‌شوند. سپس نتایج این اندازه‌گیری‌ها با یکدیگر مقایسه شده و درصد افت آن‌ها به‌عنوان معیاری برای توصیف عملکرد خستگی و دوام فوم گزارش می‌شود. با این تفاوت که برای اندازه­‌گیری IFD بعد از آزمون خستگی در سطح کرنش 40 درصد بر اساس ضخامت اولیه اندازه‌گیری‌شده محاسبه می‌شود. نحوه اجرای این الزام به‌صورت شماتیک در شکل 14 نشان داده شده است.

شکل 14– تصویری شماتیک از فرآیند آزمون سختی پس از خستگی فوم

4- الزامات خواص فیزیکی فوم های انعطاف‌­پذیر پلی‌­یورتان برای کاربردهای تحت بار

فوم‌ها بر اساس نوع فوم، عملکرد آن‌ها در آزمون خستگی و شاخص سختی فروروندگی (IFD) که به‌عنوان مبنایی برای درجه‌بندی فوم‌ها به‌کار می‌رود، طبقه‌بندی می‌شوند. استاندارد ISO 5999  با تکیه بر این طبقه‌بندی، الزامات مربوط به خواص فیزیکی و مکانیکی فوم‌ها را تعیین کرده و بر اساس عملکرد آن‌ها در آزمون‌های خستگی، کاربردهای توصیه‌شده هر گروه را مشخص می‌کند.

1-4- طبقه‌­بندی فوم­‌های انعطاف­‌پذیر پلی‌­یورتان

طبق استاندارد ISO 5999 (یا استاندارد ملی INSO 8135:2026) فوم ها به انواع (Type)، رده ها (Class) و گریدهای (Grade) مختلف طبقه بندی می شوند.

1-1-4- نوع (Type)

شکل 15– انواع فوم پلی‌یورتان

فوم‌های پلی‌یورتان انعطاف‌پذیر بر اساس نوع مواد اولیه، ساختار فوم و فرآیند تولید، در گروه‌های مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند. این طبقه‌بندی که مطابق استاندارد ISO 5999 انجام می‌شود، مبنای تعیین ویژگی‌های عملکردی، الزامات فیزیکی و کاربردهای هر نوع فوم است. انواع مختلف این فوم‌ها در جدول 1 ارائه شده‌اند.

جدول 1– انواع فوم

فوم‌های معمولی (Conventional) و فوم‌های با جهندگی بالا (High Resilience یا HR) از نظر خواص فیزیکی، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. این دو گروه عمدتاً بر اساس درصد جهندگی (Resiliency) و ضریب ساگ (Sag Factor) از یکدیگر متمایز می‌شوند؛ دو شاخصی که نقش مهمی در راحتی، حمایت از بدن و عملکرد نهایی فوم ایفا می‌کنند. به‌طور کلی، فوم‌های HR دارای جهندگی بیش از 60 درصد و ضریب ساگ بین 2.2 تا 3.0 هستند، در حالی که فوم‌های معمولی دارای جهندگی کمتر از 60 درصد و ضریب ساگ بین 1.7 تا 2.0 می‌باشند. ضریب ساگ بالاتر در فوم‌های HR نشان‌دهنده توانایی بیشتر این فوم‌ها در ایجاد نرمی اولیه مطلوب، همراه با حمایت بهتر از بدن درتغییرشکل‌های بیشتر است؛ ویژگی‌ای که موجب افزایش راحتی و دوام آن‌ها در مقایسه با فوم‌های معمولی می‌شود.

2-1-4- گرید (Grade)

شکل16 – سختی فوم (IFD) معیاری برای سنجش فوم

گرید فوم­‌های پلی­‌یورتان بر اساس شاخص سختی فرورفتگی (IFD)، که با روش A استانداردISO 2439  تعیین می‌­شود، مطابق با جدول 2 درجه‌­بندی می‌­شوند.

جدول 2– گرید‌بندی فوم از طریق سختی اولیه

3-1-4- رده (Class)

به‌جز فوم‌های نوع MM و RE، سایر انواع فوم‌های معرفی‌شده بر اساس عملکرد در آزمون خستگی با بار ثابت، مطابق استاندارد ISO 3385، در پنج رده طبقه‌بندی می‌شوند. هر یک از این رده‌ها بیانگر میزان دوام و حفظ سختی فوم پس از انجام آزمون خستگی هستند. شرایط کاربری هر رده و محدوده مجاز نسبت افت سختی آن‌ها در جدول 3 ارائه شده است.

جدول 3– رده‌بندی فوم و نوع کاربرد متناظر آن‌ها

علاوه بر جدول 3، استاندارد ISO 5999 نمودارهایی را برای تعیین رده فوم ارائه کرده است. بخشی از این نمودارها در شکل 17  نشان داده شده است. با استفاده از شاخص سختی اولیه (Initial IFD) و مقدار افت سختی (H – F) پس از آزمون خستگی، می‌توان رده فوم را به‌صورت گرافیکی تعیین کرد. در این رابطه، H بیانگر شاخص سختی اولیه و F بیانگر شاخص سختی پس از انجام آزمون خستگی است.

شکل 17– رده­‌بندی فوم از طریق سختی اولیه و افت سختی

4-2- کاربردهای توصیه شده برای هر رده فوم انعطاف‌­پذیر پلی‌­یورتان

از آنجا که رده‌بندی فوم‌های پلی‌یورتان بر اساس نتایج آزمون خستگی با بار ثابت انجام می‌شود، هر رده نشان‌دهنده میزان مقاومت فوم در برابر شرایط مختلف کاربری است. به بیان دیگر، هرچه  فوم پس از انجام آزمون خستگی، افت سختی کمتری از خود نشان دهد و در رده های بالاتری قرار گیرد، می­تواند در شرایط سخت‌تر مورد استفاده قرار گیرد و دوام بالاتری داشته باشد. با این حال، رده فوم به‌تنهایی برای انتخاب فوم مناسب کافی نیست. علاوه بر رده، شاخص اولیه سختی (IFD) و ضخامت فوم نیز باید در نظر گرفته شوند؛ زیرا عملکرد واقعی فوم به ترکیب این سه عامل بستگی دارد. برای مثال، دو فوم ممکن است هر دو در یک رده قرار گیرند، اما به دلیل تفاوت در سختی اولیه یا ضخامت، رفتار متفاوتی در کاربرد نهایی داشته باشند.  پیشنهادات ارائه‌شده در جدول 4 برای کاربردهای متداول هر یک از رده­‌های فوم است (برگرفته از استاندارد ISO 5999 یا استاندارد ملی INSO 8135:2026). رده‌ای که برای هر کاربرد ذکر شده است، حداقل رده پیشنهادی برای آن کاربرد محسوب می‌شود. بنابراین، استفاده از فوم‌هایی با رده بالاتر نیز امکان‌پذیر بوده و معمولاً موجب افزایش دوام و حفظ بهتر خواص فوم در طول دوره استفاده خواهد شد.

جدول 4– کاربردهای پیشنهادی

4-3- کدگذاری فوم‌­های انعطاف­‌پذیر پلی­‌یورتان

فوم‌های پلی‌یورتان انعطاف‌پذیر را می‌توان بر اساس نوع، رده و گرید کد‌گذاری و طبقه‌بندی کرد. بر اساس این دستورالعمل، در کد‌گذاری فوم‌ها ابتدا نوع فوم، سپس رده و در نهایت گرید آن ذکر می‌شود. برای مثال، فومی با کد HB-V-170(I)  به یک فوم اسلب‌استاک با جهندگی بالا (High Resilience) اشاره دارد که برای استفاده در شرایط کاربری بسیار سخت مناسب بوده و دارای شاخص سختی اولیه 170 نیوتن است.

شکل 18– کد‌­گذاری فوم پلی­‌یورتان

4-4- الزامات خواص فیزیکی

پس از تعیین نوع، رده و گرید فوم، لازم است خواص فیزیکی آن نیز با الزامات استاندارد مطابقت داشته باشد. بر اساس استاندارد ISO 5999 یا استاندارد ملی ایران  INSO 8135:2026، برای هر نوع و رده فوم، محدوده قابل قبولی از خواص فیزیکی تعریف شده است که فوم باید آن‌ها را برآورده کند. این الزامات، مبنایی برای ارزیابی کیفیت و اطمینان از عملکرد مناسب فوم در کاربردهای مختلف محسوب می‌شوند. مقادیر مجاز این خواص برای انواع فوم در جدول 5  ارائه شده‌اند.

شایان ذکر است که الزامات مربوط به طبقه‌بندی، کدگذاری و خواص فیزیکی فوم‌های انعطاف‌پذیر پلی‌یورتان اصلاح‌شده در برابر احتراق، در استاندارد BS 3379 ارائه شده است و به‌عنوان مرجع اختصاصی این دسته از فوم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جدول 5– الزامات خواص فیزیکی انواع فوم منعطف پلی­‌یورتان