رغوة البولي يوريثان المرنة: التقييم والاختبارات والمتطلبات

تُعدّ اختبارات رغوة البولي يوريثان المرنة خطوةً مهمةً في تقييم الجودة والخصائص الفيزيائية والمتانة. تتناول هذه المقالة الطرق القياسية لقياس الكثافة، وقوة الانضغاط بالمسافة البادئة (IFD)، وقوة الانضغاط (CFD)، ومقاومة الشد والتمزق، والمرونة الارتدادية، واختبارات التعب للرغوة. كما توضّح متطلبات تصنيف الرغوات المرنة وتقييم أدائها وفقًا للمواصفة ISO 5999.

الملخص

تُستخدم رغوات البولي يوريثان المرنة في تطبيقات واسعة، تشمل الأثاث والمراتب وصناعة السيارات والنقل العام والمعدات الطبية ومنتجات صناعية عديدة، لما تتمتع به من راحة ومرونة وقدرة على امتصاص الطاقة ومتانة مناسبة.
ونظراً إلى تنوع هذه المنتجات، تبرز الحاجة إلى نظام معياري لتصنيفها وتقييم جودتها وتحديد حدود أدائها.
يوفر ISO 5999 والمعيار الوطني الإيراني المناظر له INSO 8135:2026 إطاراً شاملاً لتصنيف رغوات البولي يوريثان المرنة. ووفقاً لهذا المعيار، تُقسّم الرغوات أولاً بحسب النوع وعملية الإنتاج إلى ثلاثة أنواع رئيسية: الرغوات المنتجة على هيئة كتل (Type I)، والرغوات المقولبة (Type II)، والرغوات المعاد تكوينها أو المترابطة (Type III). وينقسم كل نوع بدوره وفق الارتدادية والبنية الخلوية إلى فئات فرعية مثل LB وMB وHB وLM وMM وHM وRE، صُممت كل منها لتطبيقات محددة.
بعد تحديد نوع الرغوة، يُقيّم أداؤها باختبار التعب بالطرق تحت حمل ثابت وفق ISO 3385. وتتعرض العينة في هذا الاختبار لدورات تحميل متكررة، ثم يُقاس انخفاض صلابتها بعد انتهاء الاختبار. وتُعد نسبة فقدان الصلابة مؤشراً إلى المتانة والقدرة على الاحتفاظ بالخواص الميكانيكية أثناء الاستخدام طويل الأمد. وعلى هذا الأساس تُصنّف الرغوات إلى خمس فئات X وV وS وA وL. وكلما قل فقدان الصلابة زادت مقاومة الرغوة للتعب وأصبحت أنسب لظروف الخدمة الأكثر شدة.
ومن المعايير المهمة الأخرى قوة الانغراز عند تشوه محدد (IFD)، وهي القوة اللازمة لإحداث انغراز معلوم في الرغوة. وتمثل المقياس الأساسي لصلابتها الابتدائية، وتُحدد الدرجات المختلفة بناءً عليها. لذلك يتكون الرمز الكامل للرغوة من النوع والفئة والدرجة. فعلى سبيل المثال، يشير الرمز HB-V-170 (I) إلى رغوة كتلية عالية الارتدادية، مناسبة للاستخدامات الشديدة جداً، بصلابة ابتدائية مقدارها 170 نيوتن. ويساعد هذا النظام على اختيار الرغوة الملائمة للتطبيقات المختلفة بدقة وسهولة أكبر.
وبالإضافة إلى نظام التصنيف، يحدد ISO 5999 الحد الأدنى لمتطلبات الخواص الفيزيائية لكل نوع وفئة، ومنها مقاومة الشد والاستطالة عند القطع والتشوه الدائم بالضغط والمقاومة بعد التعتيق الحراري والرطوبي ونسب تغير المقاومة وغيرها من الخواص ذات الصلة. وتضمن هذه المتطلبات أن تتمتع الرغوة بمتانة كافية أثناء الخدمة إلى جانب الصلابة المناسبة.
وأخيراً، لا يمكن اختيار الرغوة المناسبة اعتماداً على معامل واحد فقط؛ بل ينبغي النظر معاً في نوع الرغوة وفئة أدائها ودرجة صلابتها وخواصها الفيزيائية وظروف استخدامها الفعلية ومتطلبات التطبيق. ويسهم الالتزام بالمعايير الدولية مثل ISO 5999 في ضمان الجودة والمتانة، وفي الاختيار الصحيح للتطبيقات المختلفة ومقارنة منتجات المصنعين. وهكذا تؤدي هذه المعايير دوراً مهماً في تصميم رغوات البولي يوريثان المرنة وإنتاجها وضبط جودتها وتطويرها.

1- المقدمة

أثناء تطوير المنتج، تُقيّم الخواص الفيزيائية للرغوة لتحديد خصائص المواد الأولية ومدى ملاءمتها للتطبيقات المقصودة. وفي الإنتاج الصناعي للرغوات، يؤدي قياس الخواص الفيزيائية الأساسية دوراً مهماً في ضبط جودة المنتج.

تقدم هذه المقالة الاختبارات المستخدمة لتقييم الخواص الفيزيائية الأساسية ومتانة الرغوة وتشرحها.

الشكل 1 – رغوة تحت الحمل

2- الخواص الفيزيائية الأساسية

يقدم المعيار ASTM D3574 إجراءات قياسية لتهيئة عينات الرغوة واختبار خواصها الفيزيائية الأساسية ومتانتها. ولا يوجد معيار ISO واحد مكافئ له بصورة مباشرة؛ ومع ذلك، توجد معايير ISO مناظرة أو مكافئة لبعض طرق الاختبار الواردة فيه. وتعتمد هذه المقالة المعايير المناظرة من ISO عند شرح كل اختبار. وفيما يلي الاختبارات السبعة الرئيسية للخواص الفيزيائية الأساسية:

الكثافة (Density)
قوة الانغراز عند تشوه محدد (IFD)
قوة الضغط عند تشوه محدد (CFD)
التشوه الدائم بالضغط عند تشوه ثابت
مقاومة الشد
مقاومة التمزق
الارتدادية

2-1- تحضير العينة

وفقاً لمعايير ISO، ينبغي إجراء اختبار الرغوة بعد 72 ساعة من إنتاجها. وقبل الاختبار، يجب تهيئة عينة الرغوة غير المشوهة لمدة لا تقل عن 16 ساعة في بيئة مضبوطة عند درجة حرارة 23 ± 2 درجة مئوية ورطوبة نسبية 50 ± 5% (أو عند 27 ± 2 درجة مئوية ورطوبة نسبية 65 ± 5%). ويمكن أن تتداخل فترة التهيئة هذه مع الجزء الأخير من المدة التي تلي الإنتاج.
وفي بعض الاختبارات تُستخدم التهيئة الميكانيكية أيضاً للحصول على نتائج تمثل أداء المنتج في ظروف الخدمة الفعلية بأكبر قدر ممكن.

2-2- الكثافة

يقيس اختبار الكثافة، كما هو موضح في الشكل 2، الكثافة الظاهرية أو الكثافة الحجمية للرغوة، وليس الكثافة الحقيقية للبوليمر. وتكتسب هذه الخاصية أهمية خاصة لارتباطها المباشر بتكلفة الإنتاج وقدرة تحمل الأحمال. وعموماً، تؤدي زيادة الكثافة إلى ارتفاع تكلفة الإنتاج، لكنها تحسن أيضاً الخواص الميكانيكية للرغوة وقدرتها على تحمل الأحمال.

وفق ISO 845، تُحدد كثافة الرغوة ويُبلّغ عنها بطريقتين. الأولى هي الكثافة الظاهرية للقلب (Apparent Core Density)، حيث تُزال جميع طبقات القشرة المتكونة أثناء القولبة قبل قياس كثافة قلب الرغوة. والثانية هي الكثافة الظاهرية الكلية (Apparent Overall Density)، حيث تُقاس العينة مع الاحتفاظ بالقشور وجميع الطبقات المتكونة أثناء القولبة. وفي هذا الاختبار تُقاس أبعاد عينة ممثلة بدقة ثم تُقاس كتلتها. وتُحسب الكثافة، التي يُعبّر عنها عادة بالكيلوغرام لكل متر مكعب (kg/m³)، بقسمة كتلة العينة على حجمها.

الشكل 2 – قياس كثافة الرغوة

2-3- قوة الانغراز عند تشوه محدد (IFD)

يقيس اختبار IFD خواص تحمل الأحمال في الرغوة؛ إذ يحدد القوة اللازمة لدفع صفيحة دائرية داخل الرغوة، وتُستخدم هذه القيمة أيضاً مؤشراً إلى صلابة الرغوة. وقد أظهرت التجربة أن النتائج تتغير تبعاً لدرجة الحرارة والرطوبة النسبية للبيئة التي أُنتجت فيها الرغوة وعولجت واختُبرت. وفق ISO 2439، الطريقة A، توضع العينة على صفيحة دعم مثقبة تسمح بمرور الهواء، ثم توضع صفيحة دائرية قطرها 20 سم على سطح الرغوة (الشكل 3). وللتهيئة الميكانيكية الأولية تُضغط العينة ثلاث مرات إلى 70% من سمكها. ومباشرة بعد إزالة الحمل للمرة الثالثة، تُحدث إزاحة انغراز مقدارها 40% من سمك العينة. يُحافظ على هذا الانغراز لمدة 30 ثانية، ثم تُسجل القوة المقابلة بالنيوتن ويُرفع الحمل. وتُسجل القوة المطبقة ومقدار الانغراز في الوقت نفسه.

الشكل 3 – قياس الصلابة عند انفعال ثابت

يمكن تمثيل النتائج بيانياً كما في الشكل 4. فعند مقدار انغراز محدد تكون القوة المقاسة أثناء إزالة الحمل أقل من القوة اللازمة أثناء تطبيقه. ويسمى هذا الفرق بالتباطؤ الهستيري (Hysteresis)، ويُعبّر عنه كنسبة مئوية من القوة المطبقة.

يقيس التباطؤ الهستيري الطاقة التي تمتصها الرغوة أثناء التشوه. وتُظهر الرغوات ذات التباطؤ الهستيري المرتفع ارتدادية أقل، وتحتاج عادة إلى وقت أطول للعودة إلى شكلها الأصلي.

الشكل 4 – منحنى القوة والانفعال الناتج عن اختبار IFD

يمكن قياس قيم IFD والإبلاغ عنها عند مستويات مختلفة من التشوه، منها 25% و50% و65% من السمك الابتدائي للرغوة. كما تُسجل عادة قيم IFD أثناء إزالة الحمل عند تشوه 25% و5%. وتتيح هذه القياسات اشتقاق مؤشرات ومعلومات فنية عن السلوك الميكانيكي للرغوة وخواص تحمل الأحمال، وأهمها موضح أدناه.

• الاسترداد (Recovery)، أو مقلوب التباطؤ الهستيري (1/Hysteresis)

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

تُفضّل قيم الاسترداد المرتفعة في تطبيقات الراحة والتوسيد، بينما تكون القيم المنخفضة أنسب لامتصاص الصدمات. وتسمى الرغوات منخفضة الاسترداد أحياناً «الرغوة الميتة» (Dead Foam).

• معامل الترهل (Sag Factor) أو معامل الدعم (Support Factor)

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

كلما ارتفع معامل الترهل أو الدعم، تحسن أداء الرغوة في الدعم والجلوس. أما الرغوات ذات المعامل المنخفض فتنضغط عادة بسرعة حتى القاعدة تحت الحمل، ويكون أداؤها غير مرغوب فيه.

• معامل الراحة (Comfort Factor)، أو مقلوب معامل الصلابة الابتدائية

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

يصف معامل الراحة الإحساس الأولي الذي يشعر به المستخدم عند ملامسة سطح الرغوة. وتشير القيم الأعلى إلى سطح يبدو أكثر ليونة، بينما تدل القيم الأقل على سطح أشد صلابة.

• المعامل الإرشادي (Guide Factor)

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

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

تكون الرغوات ذات المعامل الإرشادي الأعلى عادة أكثر اقتصادية من حيث استهلاك المواد الأولية وتكلفة التصنيع؛ غير أن هذه الميزة لا تعني بالضرورة أداءً أفضل.

2-4- قوة الضغط عند تشوه محدد (CFD)

يتبع اختبار CFD مبادئ قياس مشابهة لاختبار IFD، لكنه يقيس ويُبلّغ عن القوة اللازمة لضغط الرغوة إلى مقدار محدد من التشوه. وتُستخدم فيه صفيحة ضغط كبيرة بما يكفي لتوزيع القوة بانتظام على السطح العلوي الكامل للعينة.

وفق ISO 3386، توضع العينة على صفيحة دعم مثقبة للسماح بمرور الهواء أثناء الضغط. توضع العينة في مركز الجهاز (الشكل 5)، وتُضغط بالصفيحة بسرعة 100 مم/دقيقة حتى ينخفض سمكها إلى 70% من قيمته الابتدائية. ثم تُرفع صفيحة الضغط بالسرعة نفسها لتعود العينة إلى سمكها الأصلي. وتُكرر العملية ثلاث مرات للتهيئة الميكانيكية. وفي المرة الرابعة تُقاس وتُسجل قيمة الضغط اللازمة للوصول إلى التشوه المحدد بوحدة kPa.

يمكن إجراء تغييرات في طريقة اختبار CFD، مثل تغيير أبعاد العينة (ومنها سمك الرغوة) ومساحة صفيحة الضغط. وقد تؤثر هذه التغييرات في النتائج والقيم المقاسة.

الشكل 5 – قياس قوة الضغط عند انفعال ثابت

2-5- التشوه الدائم بالضغط عند تشوه ثابت

في اختبار التشوه الدائم بالضغط (Compression Set)، توضع ثلاث عينات رغوية ذات أبعاد دقيقة بين صفيحتين معدنيتين وتُضغط إلى تشوه مقداره 50% أو 75% أو 90% نسبةً إلى السمك الابتدائي. وتُحفظ العينات تحت هذا الضغط لمدة 22 ساعة عند 70 درجة مئوية. ثم تُخرج من الجهاز وتُترك لمدة 30 دقيقة لتستعيد شكلها الأصلي قدر الإمكان. وأخيراً يُقاس سمكها مرة أخرى ويُحسب مقدار التشوه الدائم.

C_t=(t_0-t_f)/t_0 ×100

C_t: التشوه الدائم بالضغط، كنسبة مئوية من السمك الابتدائي للعينة؛

t_0: السمك الابتدائي للعينة قبل تطبيق الحمل؛

t_f: السمك النهائي للعينة بعد الاختبار وفترة الاسترداد.

ما دام السمك الابتدائي للعينة أقل من طولها أو عرضها، فإن قيمة التشوه الدائم بالضغط تكون مستقلة عن سمك العينة. أما إذا تجاوز السمك الطول أو العرض، فقد تتعرض العينة للانبعاج (Buckling) أثناء التحميل، مما يضعف قابلية تكرار نتائج الاختبار. لذلك توضع العينات عادة بحيث يُقاس التشوه الدائم بالضغط في اتجاه نمو الرغوة. وتكون القيم المقاسة في عينات مقطوعة عمودياً على اتجاه نمو الرغوة أقل عادةً.
وبالإضافة إلى ذلك، تشترط بعض شركات السيارات اختبار التشوه الدائم بالضغط في ظروف رطبة (Wet Compression Set). وفي إحدى الطرق الشائعة، تُختبر عينة مقطوعة مع قشرة القالب، كما في طريقة شركة Renault، تحت ضغط 50% لمدة 22 ساعة عند 50 درجة مئوية ورطوبة نسبية 95%.

الشكل 6 – اختبار التشوه الدائم بالضغط

2-6- مقاومة الشد

يقيس اختبار الشد مقاومة الرغوة لقوة الشد ويقدم معلومات عن مرونتها وسلوكها المطاطي. وتُقطع العينات عادة على شكل دمبل أو عظم وفق الأبعاد المحددة في المعيار المستخدم. وأثناء الاختبار تُشد العينة بسرعة ثابتة (500 مم/دقيقة وفق ISO 1798) حتى تنقطع. وتُسجل القوة عند لحظة القطع باعتبارها مقاومة الشد للرغوة، ويُعبّر عنها عادة بالكيلوباسكال (kPa).

تُسمى الزيادة القصوى في طول العينة، معبّراً عنها كنسبة مئوية من طولها الأصلي، الاستطالة عند القطع (Elongation at Break). وتُقاس هذه القيمة يدوياً أو باستخدام مقياس الاستطالة (Extensometer). وفي الماضي كانت مقاييس الاستطالة التلامسية تسبب أخطاء بسبب ملامستها المباشرة للعينة، إذ قد تؤدي إلى تشوهها أو تركيز الإجهاد عند نقطة التلامس. أما اليوم فتتوفر مقاييس استطالة غير تلامسية تعتمد على الليزر لإجراء قياسات أدق. ويُستخرج معامل المرونة (Modulus of Elasticity) من منحنى الإجهاد–الانفعال (Stress–Strain Curve) في اختبار الشد، وهو يساوي الميل الابتدائي للمنحنى في المنطقة المرنة تماماً التي ينطبق فيها قانون هوك. وتُظهر معظم رغوات البولي يوريثان نقطة خضوع (Yield Point)، تبدأ بعدها تشوهات دائمة وغير مرنة لا يمكن استردادها بالكامل. وقد ينشأ هذا السلوك من تمزق الدعامات الخلوية (Struts)، أو تكسر جدران الخلايا (Cell Windows)، أو انزلاق سلاسل البوليمر. ويسمى الإجهاد عند نقطة الخضوع مقاومة الخضوع (Yield Strength).
ولمزيد من المعلومات عن تأثير مكونات التركيبة في بنية الرغوة وخواصها الميكانيكية، يُنصح بقراءة مقال دور مُمدِّد السلسلة في رغوة البولي يوريثان.

الشكل 7 – قياس مقاومة الشد

2-7- مقاومة التمزق

من المقاييس المهمة الأخرى للقوة الميكانيكية للرغوة مقاومة التمزق (Tear Strength). وكما يوضح الشكل 8 تخطيطياً، تتعرض عينة ذات أبعاد محددة وفق ISO 8067 وتحتوي على شق ابتدائي لقوة شد. ومع تطبيق القوة يمتد التمزق من الشق الأولي، وتُقاس القوة اللازمة لاستمرار امتداده. وتُحسب مقاومة التمزق بقسمة القوة القصوى المسجلة أو متوسط القوة على سمك العينة، ويُعبّر عنها عادة بالنيوتن لكل مليمتر (N/mm). وكلما ارتفعت القيمة زادت مقاومة الرغوة لامتداد الشقوق والتمزقات الناتجة عن الإجهاد الميكانيكي.

تعتمد نتائج هذا الاختبار بدرجة كبيرة على مقاومة الرغوة للتمزق، لكنها لا ترتبط بالضرورة ارتباطاً مباشراً بمقاومة الشد. إذ يبدأ التمزق من شق مُعد مسبقاً، ويكون المعيار الأساسي مقاومة استمرار امتداده، لا القوة اللازمة لبدء التمزق. ولذلك قد تؤثر جودة أداة القطع وحدّتها في النتائج المقاسة.

الشكل 8 – قياس مقاومة التمزق

2-8- الارتدادية

تُقاس ارتدادية الرغوة (Resilience) باختبار ارتداد الكرة (Ball Rebound Test)، كما هو موضح في الشكل أدناه. وتُسقط كرة فولاذية من ارتفاع محدد على عينة الرغوة ثم يُقاس ارتفاع ارتدادها. وترد تفاصيل طريقة الاختبار والأجهزة المطلوبة في ISO 8307. وترتبط نتائج الاختبار ارتباطاً مناسباً براحة الجلوس (Cushion Comfort)، ولذلك تُستخدم مؤشراً لتقييم هذه الخاصية.

الشكل 9 – اختبار ارتدادية الرغوة

3- اختبار متانة الرغوة

توجد طرق مختبرية عديدة لقياس مقاومة التعب (Fatigue) في الرغوات المرنة. ومع ذلك، تندرج معظمها ضمن مجموعتين رئيسيتين: اختبارات التعب الساكن (Static Fatigue Tests) واختبارات التعب الديناميكي (Dynamic Fatigue Tests).

تختلف الطرق ضمن هاتين المجموعتين من حيث مقدار الحمل أو التشوه المطبق، واستخدام أداة انغراز أو الضغط الكامل، ووجود قوى قص أو غيابها، وسمك العينة، وعدد دورات التحميل، ومعدل تطبيق التشوه واسترداده، وفترة راحة العينة بعد كل دورة أو بعد انتهاء الاختبار. وتختلف المؤشرات المقاسة كذلك بحسب نوع الاختبار، وقد تشمل فقدان الارتفاع (Height Loss)، وفقدان الصلابة (Hardness Loss)، والتغيرات الشكلية، أو انخفاض خواص فيزيائية أخرى للرغوة.

تقدم الأقسام التالية وصفاً موجزاً لبعض الطرق المختبرية القياسية والشائعة لتقييم تعب الرغوة. ومع تقدم الأبحاث، تُطرح طرق جديدة بوتيرة متزايدة، ويُظهر كثير منها ارتباطاً أفضل بالأداء الفعلي للمنتج، مما يسمح بالتنبؤ بمتانة الرغوة وأدائها بدقة أكبر.

3-1- اختبارات التعب الساكن

بوجه عام، يوجد نوعان من اختبارات التعب الساكن هما الأكثر استخداماً:

• اختبار التشوه الدائم بالضغط عند تشوه ثابت
• اختبار الزحف تحت حمل ثابت

3-1-1- اختبار التشوه الدائم بالضغط عند تشوه ثابت

أكثر اختبارات التعب الساكن شيوعاً هو اختبار التشوه الدائم بالضغط عند تشوه ثابت، وتشبه طريقة تنفيذه إلى حد كبير اختبار التشوه الدائم البسيط الموضح في القسم 2-5. ويُجرى وفق ASTM D3574، الطريقة I. وتُستخدم فيه عادة عينات بأبعاد 380 × 380 × 80 مم. ولا يوجد معيار ISO مكافئ لهذا الاختبار. وتُضغط عينة الرغوة في جهاز بسيط، كما في الشكل 10، إلى مقدار محدد وتُحفظ عند هذا التشوه مدة معينة. وبعد انتهاء فترة الضغط تُخرج العينة ويُسمح لها بالاسترداد. ثم يُقاس ارتفاعها وتُعبّر النتائج كنسبة مئوية من ارتفاعها الابتدائي.

ترتبط نتائج التشوه الدائم بالضغط بدرجة مناسبة بانخفاض سمك الوسادة في ظروف الاستخدام الفعلية وبالتغيرات في صلابة الرغوة. لكن انخفاض قيمة التشوه الدائم في اختبارات التعب الساكن لا يضمن بالضرورة أداءً جيداً في الخدمة. لذلك تُستخدم هذه الاختبارات أثناء تطوير المنتجات الجديدة عادةً كمؤشر تقريبي على قدرة الرغوة على الاسترداد بعد التحميل، كما تُستخدم على نطاق واسع لضبط الجودة أثناء الإنتاج.

الشكل 10 – اختبار التشوه الدائم بالضغط لتقييم التعب الساكن

3-1-2- اختبار الزحف تحت حمل ثابت

الزحف (Creep) هو تشوه العينة المعتمد على الزمن تحت تأثير حمل ثابت ومستمر، ويمكن استرداده كلياً أو إلى حد كبير بعد إزالة الحمل. ويوضح الشكل 11 جهازاً شائعاً لهذا الاختبار. وفي هذه الطريقة توضع عينة رغوية بأبعاد تقارب 76 × 76 × 51 مم تحت صفيحة التحميل، ثم تُحمّل الصفيحة بالكتلة المطلوبة وتوضع على العينة. ويُقاس التشوه الرأسي (الزحف) خلال 10 دقائق.

تُرسم نتائج الاختبار كنسبة مئوية للتشوه مقابل الزمن، ويُحسب معدل الزحف (Creep Rate) من ميل المنحنى. ويرتبط معدل الزحف بنسبة الانغراز أو مقدار الضغط الابتدائي؛ فكلما زاد الضغط زاد معدل الزحف. وبوجه عام يشير معدل الزحف المرتفع إلى ميل أكبر للرغوة إلى فقدان السمك وانخفاض الأداء بمرور الزمن.

كما في اختبارات التعب الساكن الأخرى، لا تكون شدة اختبار الزحف وحده كافية لمحاكاة ظروف الاستخدام الفعلية. لذلك لا تكفي نتائجه عادة للتنبؤ الدقيق بأداء الرغوة طويل الأمد في الخدمة، ويُستخدم غالباً للمقارنة وضبط الجودة.

الشكل 11 – رسم مبسط لجهاز اختبار الزحف تحت حمل ثابت

3-2- اختبارات التعب الديناميكي

صُممت اختبارات التعب الديناميكي لمحاكاة الأحمال المتكررة التي تتعرض لها وسائد المقاعد في الاستخدام الفعلي. وبوجه عام، يُستخدم نوعان رئيسيان:

اختبارات تُضغط فيها الوسادة الرغوية بواسطة أداة انغراز متذبذبة (Oscillating Indenter) إلى نسبة ثابتة من سمكها.
واختبارات تتعرض فيها العينة للتحميل وإزالة الحمل بصورة متكررة، مع تطبيق أداة الانغراز حملاً ثابتاً في كل دورة.

أُشير إلى أن اختبارات التعب الديناميكي، ومنها اختبار الطرق بحمل ثابت (Constant-Load Pounder Test) الذي يزداد فيه عمق انغراز الأداة تدريجياً مع انخفاض صلابة الرغوة أثناء الاختبار، ترتبط بدرجة عالية بفقدان ارتفاع الرغوة (Height Loss)، وإلى حد ما بفقدان صلابتها (Hardness Loss) في ظروف الخدمة الفعلية. ويُعد ISO 3385 إحدى الطرق القياسية للطرق بحمل ثابت، ويستخدمه كثير من مصنعي الرغوات في صناعات الأثاث والسيارات.

الشكل 12 – رسم توضيحي لاختبار تعب الرغوة

3-2-1- اختبار التعب بالطرق تحت حمل ثابت

يحدد ISO 3385 الطريقة القياسية لاختبار التعب بالطرق تحت حمل ثابت. وفيه تتعرض عينة رغوية بأبعاد 380 × 380 × 50 مم لتحميل متكرر بواسطة صفيحة دائرية قطرها 25 سم، تحت حمل مقداره 750 نيوتن وبمعدل 70 دورة في الدقيقة، بإجمالي 80,000 دورة. ويظهر مثال على جهاز اختبار التعب بالطرق في الشكل 13.

الشكل 13 – رسم مبسط لجهاز اختبار التعب بحمل ثابت

يُقاس سمك العينة وصلابتها (قيم IFD) قبل الاختبار وبعده وفق ISO 2439، ثم تُقارن القياسات ويُبلّغ عن نسب الفقدان بوصفها مؤشرات إلى أداء الرغوة في مقاومة التعب ومتانتها. ومع ذلك، عند قياس IFD بعد اختبار التعب، تُحسب نسبة الانفعال البالغة 40% اعتماداً على السمك الأصلي المقاس قبل الاختبار. ويوضح الشكل 14 هذا الشرط تخطيطياً.

الشكل 14 – رسم تخطيطي لإجراء قياس الصلابة بعد اختبار تعب الرغوة

4- متطلبات الخواص الفيزيائية لرغوات البولي يوريثان المرنة في تطبيقات تحمل الأحمال

تُصنّف الرغوات بحسب نوعها وأدائها في اختبار التعب وقوة الانغراز عند تشوه محدد (IFD) المستخدمة أساساً لتحديد الدرجة. وعلى أساس هذا التصنيف، يحدد ISO 5999 متطلبات الخواص الفيزيائية والميكانيكية ويوصي بتطبيقات لكل مجموعة وفق أدائها في اختبار التعب.

4-1- تصنيف رغوات البولي يوريثان المرنة

وفق ISO 5999 (أو المعيار الوطني الإيراني INSO 8135:2026)، تُصنّف الرغوات حسب النوع والفئة والدرجة.

4-1-1- النوع

الشكل 15 – أنواع رغوات البولي يوريثان

تُقسم رغوات البولي يوريثان المرنة إلى مجموعات بحسب نوع المواد الأولية والبنية الخلوية وعملية الإنتاج. ويشكل هذا التصنيف وفق ISO 5999 أساساً لتحديد خصائص الأداء والمتطلبات الفيزيائية وتطبيقات كل نوع، كما يرد في الجدول 1.

الجدول 1 – أنواع الرغوات

تختلف الرغوات التقليدية والرغوات عالية الارتدادية (HR) في سلوك خواصها الفيزيائية. ويكمن الفرق الرئيسي في نسبة الارتدادية ومعامل الترهل، وهما مؤشرين مهمين للراحة ودعم الجسم والأداء العام. وعموماً، تتجاوز ارتدادية رغوات HR نسبة 60% ويتراوح معامل الترهل فيها بين 2.2 و3.0، بينما تقل ارتدادية الرغوات التقليدية عن 60% ويتراوح معامل الترهل بين 1.7 و2.0. ويشير ارتفاع معامل الترهل في رغوات HR إلى قدرتها الأكبر على الجمع بين ليونة ابتدائية مناسبة ودعم أفضل للجسم عند التشوهات الأعلى، مما يحسن الراحة والمتانة مقارنة بالرغوات التقليدية.

4-1-2- الدرجة

الشكل 16 – صلابة الرغوة (IFD) معياراً للتقييم

تُحدد درجات رغوة البولي يوريثان بقوة الانغراز عند تشوه محدد (IFD)، المقاسة بالطريقة A من ISO 2439، كما هو موضح في الجدول 2.

الجدول 2 – درجات الرغوة بحسب الصلابة الابتدائية

4-1-3- الفئة

باستثناء رغوات MM وRE، تُصنّف الأنواع الأخرى إلى خمس فئات بحسب أدائها في اختبار التعب بالطرق تحت حمل ثابت وفق ISO 3385. وتمثل كل فئة متانة الرغوة وقدرتها على الاحتفاظ بالصلابة بعد اختبار التعب. وترد ظروف الخدمة لكل فئة ونسب فقدان الصلابة المسموح بها في الجدول 3.

الجدول 3 – فئات الرغوة وأنواع التطبيقات المناظرة

إضافة إلى الجدول 3، يوفر ISO 5999 رسوماً بيانية لتحديد فئة الرغوة، يظهر بعضها في الشكل 17. ويمكن تحديد الفئة بيانياً من مؤشر الصلابة الابتدائية (Initial IFD) وفقدان الصلابة (H − F) بعد اختبار التعب؛ حيث يشير H إلى مؤشر الصلابة الابتدائية وF إلى مؤشر الصلابة بعد الاختبار.

الشكل 17 – تصنيف الرغوة حسب الصلابة الابتدائية وفقدان الصلابة

4-2- التطبيقات الموصى بها لكل فئة من رغوات البولي يوريثان المرنة

نظراً إلى أن فئات رغوات البولي يوريثان تُحدد بناءً على نتائج اختبار التعب بالطرق تحت حمل ثابت، فإن كل فئة تشير إلى مقاومة الرغوة لظروف خدمة مختلفة. وبعبارة أخرى، يمكن استخدام الرغوة التي تُظهر فقداناً أقل للصلابة بعد اختبار التعب وتُصنّف ضمن فئة أعلى في ظروف أشد، مع متانة أكبر. ومع ذلك، لا تكفي الفئة وحدها لاختيار الرغوة المناسبة؛ إذ ينبغي النظر أيضاً في الصلابة الابتدائية (IFD) وسمك الرغوة، لأن الأداء الفعلي يعتمد على اجتماع هذه العوامل الثلاثة. فعلى سبيل المثال، قد تنتمي رغوتان إلى الفئة نفسها لكن يختلف سلوكهما في التطبيق النهائي بسبب اختلاف صلابتهما الابتدائية أو سمكهما. ويعرض الجدول 4 توصيات للتطبيقات المعتادة لكل فئة (وفق ISO 5999 أو INSO 8135:2026). والفئة المحددة لكل تطبيق هي الحد الأدنى الموصى به؛ ويمكن استخدام رغوات من فئات أعلى، وهي توفر عموماً متانة أفضل واحتفاظاً أكبر بالخواص طوال مدة الخدمة.

الجدول 4 – التطبيقات الموصى بها

4-3- ترميز رغوات البولي يوريثان المرنة

يمكن ترميز رغوات البولي يوريثان المرنة وتصنيفها وفق النوع والفئة والدرجة. وفي هذا النظام يُذكر نوع الرغوة أولاً، ثم فئتها، وأخيراً درجتها. فمثلاً يشير HB-V-170(I) إلى رغوة كتلية عالية الارتدادية مناسبة لظروف الخدمة الشديدة جداً، بمؤشر صلابة ابتدائية يبلغ 170 نيوتن.

الشكل 18 – ترميز رغوة البولي يوريثان

4-4- متطلبات الخواص الفيزيائية

بعد تحديد نوع الرغوة وفئتها ودرجتها، يجب أن تستوفي خواصها الفيزيائية متطلبات المعيار. فوفق ISO 5999 أو المعيار الوطني الإيراني INSO 8135:2026، يُحدد نطاق مقبول للخواص الفيزيائية لكل نوع وفئة. ويجب أن تفي الرغوة بهذه المتطلبات التي تُعد أساساً لتقييم الجودة وضمان الأداء المناسب في التطبيقات المختلفة. وترد القيم المسموح بها للأنواع المختلفة في الجدول 5.

تجدر الإشارة إلى أن متطلبات تصنيف رغوات البولي يوريثان المرنة المعدّلة لتحسين سلوكها عند الاحتراق وترميزها وخواصها الفيزيائية ترد في المعيار BS 3379.

الجدول 5 – متطلبات الخواص الفيزيائية لأنواع رغوات البولي يوريثان المرنة