واشر لاستیکی مقاوم در برابر حرارت: کاربردها در اجاق‌های صنعتی

چرا واشرهای لاستیکی مقاوم در برابر حرارت بدون انتخاب مناسب مواد دچار شکست می‌شوند

تنش حرارتی و شکست در پیوندهای درب اجاق و فلنج‌ها

هنگامی که اجاق‌های صنعتی به‌طور مداوم تحت چرخه‌های گرمایش قرار می‌گیرند، واشرهای لاستیکی در طول زمان آسیب قابل توجهی می‌بینند. صحبت درباره دماهایی است که از دمای محیط به راحتی از ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد فراتر می‌روند و سپس بارها و بارها سرد می‌شوند. بر اساس برخی مقالات تحقیقاتی درباره آب‌بندی‌ها، این نوع شرایط شروع به ایجاد ترک‌های ریز در عرض تنها نیم سال می‌کند. این ترک‌ها معمولاً در نقاطی شکل می‌گیرند که فشار متمرکز است، به‌ویژه هنگامی که عدم تطابقی بین میزان انبساط قطعات فلزی و واشرهای لاستیکی در حین گرم شدن وجود داشته باشد. بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد؟ خب، آب‌بندی بین فلنج‌ها ضعیف‌تر می‌شود. گرما بیشتری نشت می‌کند و این بدین معناست که اجاق دیگر به اندازه قبل کارآمد عمل نمی‌کند (بازدهی حدود ۱۲ تا ۱۸ درصد کاهش می‌یابد) و ایمنی برای اپراتورهای کارخانه نگرانی بیشتری به‌شمار می‌آید.

تخریب ست فشاری بالای ۱۵۰°C: چگونه تمامیت بلندمدت واشرهای لاستیکی را تضعیف می‌کند

عملکرد مداوم بالای 150°C منجر به تخریب غیرقابل برگشت زنجیره‌های پلیمری — که به آن تنظیم فشار نیز می‌گویند — شده و باعث از دست دادن دائمی کشسانی می‌شود. در دمای 200°C، الاستومر‌های استاندارد در عرض تنها 500 ساعت عملکرد (بر اساس آزمون ASTM D395) بین 40 تا 60 درصد از توان بازگشت خود را از دست می‌دهند. این تغییر شکل سطوح ناهموار در محل درزگیری ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد:

• نشت تجمعی گرما (>15% از دست دادن انرژی)
• سه برابر شدن فراوانی تعویض
• ورود آلاینده‌ها در محیط‌های مربوط به مواد غذایی
  از آنجا که تخریب به صورت نامحسوس پیش می‌رود، انتخاب ماده باید عملکرد بلندمدت را پیش‌بینی کند — نه فقط تحمل دمای حداکثری.

مقایسه مواد اصلی واشرهای لاستیکی برای کاربردهای اجاق‌های صنعتی

واشرهای لاستیک سیلیکونی: انعطاف‌پذیری بالا و پایداری متناوب تا 300°C

واشرهای لاستیکی سیلیکونی در اجاق‌هایی که به‌صورت دوره‌ای روشن و خاموش می‌شوند، عملکرد بسیار خوبی در تحمل حرارت دارند. ساختار شیمیایی سیلیکون حتی زمانی که دما به حدود 60- درجه سانتی‌گراد کاهش یابد و یا در دوره‌های کوتاه گرمایش به حدود 300 درجه سانتی‌گراد افزایش پیدا کند، همچنان انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند. این بدین معناست که درب‌ها حتی پس از تعداد زیادی چرخه گرمایش و سرد شدن نیز به‌درستی درزگیری می‌کنند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که پس از قرار گرفتن در معرض دمای 200 درجه سانتی‌گراد، سیلیکون طبق استانداردهای ASTM تنها حدود 15٪ از شکل خود را از دست می‌دهد و این موضوع باعث می‌شود نسبت به سایر مواد در برابر فشردگی دائمی مقاومت بهتری داشته باشد. با این حال یک نکته وجود دارد: اگر این واشرها برای مدت طولانی در معرض بخار با دمای بالای 150 درجه سانتی‌گراد قرار بگیرند، از نظر شیمیایی شروع به تخریب می‌کنند. این موضوع در محیط‌هایی که نیاز به ضدعفونی منظم یا تمیزکاری با رطوبت بالا دارند، مشکل بزرگی محسوب می‌شود.

واشرهای لاستیکی ویتون® (FKM): مقاومت شیمیایی و عملکرد پیوسته در دمای 204°C (400°F)

هنگامی که با شرایطی مواجه هستیم که دمای بالا با مواد شیمیایی خورنده ترکیب می‌شود، واشرهای فلوروپلیمر ویتون® نسبت به رقبا برجسته می‌شوند. پیوند منحصربه‌فرد فلوئور-کربن این ماده به آن اجازه می‌دهد که حتی در دمای پیوسته 204°C نیز بدون تجزیه شدن در برابر روغن‌ها، اسیدهای مختلف، حلال‌ها و گازهای جانبی کاتالیستی مقاومت کند. به عنوان مثال، در اجاق‌های کاتالیستی؛ پس از 1000 ساعت کار در چنین شرایط اسیدی، این واشرها همچنان حدود 90٪ استحکام کششی اولیه خود را حفظ می‌کنند. این مقدار طبق مشخصات فنی دوپانت تقریباً سه برابر بهتر از عملکرد معمول واشرهای سیلیکونی است. برای کاربردهای صنعتی مانند اجاق‌های تمپر کردن فلز که به طور مداوم با بخارات روغن کوئنچ و محیط‌های بخار تحت فشار دست و پنجه نرم می‌کنند، این سطح از دوام توسط هیچ یک از مواد دیگر موجود در بازار امروز قابل رقابت نیست.

واشرهای لاستیکی EPDM: مقرون‌به‌صرفه تنها در دماهای پایین‌تر از 150°C — خطرات اکسیداسیون حرارتی در کارهای طولانی‌مدت در اجاق

واشرهای EPDM از نظر اقتصادی برای کاربردهای آب‌بندی مناسب هستند، اما فقط در صورتی که دماها در حدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد باقی بمانند. ساختار شیمیایی اشباع‌شده آنها باعث می‌شود که در برابر ازن و بخار مقاوم باشند، اگرچه پس از عبور از این حد دمایی به سرعت تخریب می‌شوند. بر اساس یافته‌های اخیر مجله Rubber World در سال ۲۰۲۳، این واشرها بیش از ۴۰ درصد از کشسانی خود را پس از حدود ۵۰۰ ساعت کارکرد در دماهای بالاتر از ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد از دست می‌دهند. این فرآیند تجزیه منجر به ترک‌های سطحی و در نهایت نشت آب‌بندی در مکان‌هایی مانند اجاق‌های نانوایی می‌شود که در آنها قرارگیری در معرض حرارت اهمیت زیادی دارد. برای قطعات ثانویه مانند اتصالات کانال‌های تهویه، EPDM همچنان مناسب است. با این حال، استفاده از آن به عنوان ماده اصلی آب‌بندی در درب‌ها یا فلنج‌های اجاق به احتمال زیاد در آینده با مشکلاتی همراه خواهد بود.

تطابق مشخصات واشرهای لاستیکی با محیط‌های واقعی اجاق‌های صنعتی

اجاق‌های فرآوری مواد غذایی: واشرهای لاستیکی سیلیکونی که درزگیری مطابق با FDA و صحت اتمسفر خلا را تضمین می‌کنند

واشرهای لاستیکی سیلیکونی با استانداردهای FDA مبنی بر 21 CFR 177.2600 در خصوص موادی که با مواد غذایی تماس دارند، سازگار هستند و به همین دلیل برای کاربردهایی مانند پخت، پزشدن و بسته‌بندی خلاء در اجاق‌های صنعتی مناسب‌اند. این واشرها قادر به تحمل فرآیندهای تمیزکاری با بخار تا دمای 150 درجه سانتی‌گراد در دوره‌های کوتاه هستند بدون آنکه هیچ ماده مضری آزاد کنند. چیزی که واقعاً توجه را جلب می‌کند، توانایی آن‌ها در حفظ شکل خود در طول زمان است. پس از قرار گرفتن در دمای 177 درجه سانتی‌گراد به مدت 168 ساعت متوالی، تنها حدود 15٪ فشردگی دائم نشان می‌دهند. این ویژگی بدین معناست که حتی پس از صدها بار باز و بسته شدن درب اجاق، همچنان فشار مناسبی را حفظ می‌کنند. برای تولیدکنندگان محصولات گوشتی یا شیرینی‌های آشپزخانه‌ای، این ثبات کاملاً ضروری است، زیرا به حفظ درزهای خلاء مناسب کمک می‌کند و از ورود میکروارگانیسم‌های ناخواسته به مواد غذایی بسته‌بندی‌شده در طول فرآیند تولید جلوگیری می‌کند.

فرسایش فلزات و اجاق‌های کاتالیستی: واشرهای لاستیکی ویتون® مقاوم در برابر بخار، بخارات روغن و گازهای اسیدی

واشرهای ویتون® (FKM) در شرایط سخت پردازش حرارتی قادر به کارکرد مداوم در دمای حدود 204°C هستند. این واشرها در برابر مشکلاتی مانند متورم شدن یا سخت شدن ناشی از میست روغن سردکننده، بخارات اسیدی و جت‌های قوی بخار که اغلب در عملیات فرسایش آلومینیوم و سیستم‌های تصفیه دود خروجی دیده می‌شوند، مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهند. پس از حدود 1000 ساعت قرارگیری در دماهای بالغ بر 230°C، این واشرها همچنان شکل خود را حفظ کرده و کمتر از 20٪ تنفس فشاری دارند. این بدین معناست که آن‌ها در علی‌الخصوص محیط‌های پر از مواد سمی یا تحت فشار نیز به درستی آب‌بندی را حفظ می‌کنند. علاوه بر این، توانایی آن‌ها در مقاومت در برابر تغییرات ناگهانی دما باعث می‌شود تا از تشکیل ترک جلوگیری شود، زمانی که قطعات سرد در محفظه‌های داغ حدود 400°F قرار داده می‌شوند.

عوامل مهم غیرحرارتی در انتخاب و نصب واشرهای لاستیکی

وقتی به این موضوع که واشرها چقدر دوام می‌آورند فکر می‌کنیم، دما همیشه نگرانی اصلی نیست. سازگاری شیمیایی معمولاً به همان اندازه یا حتی بیشتر اهمیت دارد. بسیاری از محیط‌های صنعتی تجهیزات را در معرض مواد شیمیایی خشن قرار می‌دهند که با گذشت زمان باعث تخریب آن‌ها می‌شوند. به قلیاها فکر کنید، حلال‌های آلی که همه آن‌ها را می‌شناسیم، یا مواد اسیدی که در طول فرآیندهای پردازش غذا و تیمار فلزات تجمع می‌یابند. این مواد می‌توانند حتی زمانی که دما در محدوده قابل قبول است، به مواد آسیب بزنند. برای مثال، اجاق‌های کاتالیستی غنی از بخار آب به مواد مقاوم در برابر واکنش‌های مبتنی بر آب نیاز دارند. و سپس مشکل سیستم‌های خروجی اسیدی وجود دارد که به پلیمرهای خاصی مثل ویتون نیاز دارند که در شرایط اسیدی ذوب نشوند. رعایت این نکات تفاوت بزرگی در هزینه‌های تعمیر و نگهداری و عمر کلی تجهیزات ایجاد می‌کند.

عوامل استرس زا محیطیاز جمله اشعه UV و اوزونهمچنین استالومرها را به ویژه در نزدیکی هواپیمای تهویه و یا اجاق های نصب شده در فضای باز تخریب می کنند. در حالی که سیلیکون مقاومت بسیار خوبی در برابر اوزون (بر اساس ASTM D1149) نشان می دهد، به سرعت در مایعات مبتنی بر نفت تورم می کند. برعکس، Viton® در برابر روغن ها مقاوم است اما در شرایط بخار بالا رنج می برد.

درست انجام دادن نصب به اندازه هر چیز دیگری مهم است. وقتی در حین مونتاژ فلنج‌ها بیش از حد سفت شده و فشرده می‌شوند، پدیده‌ای به نام فشردگی زودرس (premature compression set) ایجاد می‌شود که مطابق استانداردهای ASTM می‌تواند نیروی آب‌بندی را تقریباً به نصف کاهش دهد. نکته کلیدی در اینجا، اعمال گشتاور مناسب است که باید بر اساس سختی واشر و ضخامت واقعی آن تنظیم شود. این امر به جلوگیری از مشکلاتی مانند خارج شدن مواد (extrusion) یا تغییرات دائمی شکل کمک می‌کند. برای نگهداری مداوم، بازرسی‌های منظم ضروری است. به دنبال نشانه‌هایی مانند ترک‌های ایجاد شده روی سطوح، تغییر در درجه سختی ماده (برحسب واحد Shore A)، و تأخیر در بازگشت به شکل اولیه پس از رفع فشار باشید. این علائم، هشداردهنده آن هستند که در صورت عدم رسیدگی به موقع، وضعیت ممکن است به سمت خرابی پیش برود.

ملاحظات کلیدی شامل:

• پروفایل قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی (اسیدها، قلیاها، حلال‌ها، بخار)
• تحمل مجاز فشردگی زیر بار پایدار
• رتبه‌بندی مقاومت در برابر UV/اُزون بر اساس ASTM D1149
• مشخصات گشتاور متناسب با دوومتر و هندسه واشر

سوالات متداول

چرا واشرهای لاستیکی مقاوم در برابر حرارت خراب می‌شوند؟

واشرهای لاستیکی مقاوم در برابر حرارت عمدتاً به دلیل تنش حرارتی، انتخاب نادرست ماده و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی خراب می‌شوند. در طول زمان، این عوامل منجر به ترک‌خوردگی، کاهش کشسانی و ضعیف شدن قابلیت آب‌بندی می‌شوند.

تخریب ست فشاری و اثرات آن چیست؟

تخریب ست فشاری زمانی رخ می‌دهد که لاستیک پس از قرار گرفتن طولانی‌مدت در دمای بالا، کشسانی خود را از دست داده و تغییر شکل دائمی پیدا کند. این موضوع می‌تواند منجر به سطوح آب‌بندی نامنظم و افزایش احتمال نشتی شود.

چرا لاستیک سیلیکونی برای واشرهای استفاده‌شده در اجاق‌های فرآوری مواد غذایی ترجیح داده می‌شود؟

واشرهای لاستیکی سیلیکونی استانداردهای FDA را رعایت می‌کنند و تماس ایمن با مواد غذایی را تضمین می‌نمایند. این واشرها پس از چرخه‌های مکرر حرارتی نیز شکل خود را حفظ کرده و می‌توانند بدون آزاد کردن مواد مضر، در برابر تمیزکاری با بخار مقاومت کنند.

چه چیزی واشرهای لاستیکی ویتون® را برای استفاده در اجاق‌های بازپخت فلز مناسب می‌کند؟

واشرهای ویتون® در برابر دماهای بالا، روغن‌ها و شرایط اسیدی مقاومت می‌کنند و بنابراین برای محیط‌های سخت فرآیند حرارتی ایده‌آل هستند. این واشرها حتی پس از قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض شرایط سخت، شکل و خواص آب‌بندی خود را حفظ می‌کنند.

نصب صحیح واشرهای لاستیکی چقدر مهم است؟

نصب صحیح برای جلوگیری از مشکلاتی مانند فرسودگی زودرس به دلیل فشار دائمی و بیرون‌زدگی ماده ضروری است. این امر شامل اعمال گشتاور مناسب بر اساس سختی و ضخامت واشر است تا نیروی آب‌بندی بهینه تامین شود.