Hóa chất ảnh hưởng đến vật liệu bánh xe thế nào?

Vì vậy, thuật ngữ “chịu hóa chất” luôn cần gắn với một hóa chất cụ thể và điều kiện tiếp xúc cụ thể. Blickle lưu ý khả năng kháng hóa chất của bánh xe phụ thuộc vào bản chất hóa chất, nồng độ, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ và độ ẩm; hỗn hợp nhiều hóa chất còn có thể tạo tác động khác với từng thành phần riêng lẻ.

Hóa chất làm bánh xe suy giảm bằng những cơ chế nào?

Tác động của hóa chất lên bánh xe không chỉ là hiện tượng “ăn mòn” theo nghĩa thường dùng cho kim loại. Với polymer và elastomer, quá trình suy giảm có thể xảy ra theo nhiều cơ chế khác nhau.

Trương nở xảy ra khi phân tử của dầu hoặc dung môi khuếch tán vào vật liệu. Bánh có thể tăng thể tích, mềm hơn và mất ổn định kích thước. Khi bánh đang chịu tải, sự thay đổi này làm vùng tiếp xúc biến dạng nhiều hơn và có thể làm giảm khả năng lăn ổn định.

Chiết xuất thành phần xảy ra khi hóa chất kéo chất hóa dẻo hoặc một số thành phần phụ gia ra khỏi elastomer. Vật liệu khi đó có thể chuyển từ trạng thái mềm sang cứng, giòn và dễ nứt.

Phá hủy chuỗi polymer nghiêm trọng hơn vì hóa chất trực tiếp tác động đến cấu trúc phân tử. Một ví dụ quan trọng là thủy phân polyurethane nền polyester khi tiếp xúc lâu với nước nóng hoặc hơi ẩm ở nhiệt độ cao. BASF mô tả quá trình này là sự phân cắt không thuận nghịch của chuỗi polyester, kéo theo suy giảm tính chất cơ học; polyurethane nền polyether có khả năng chống thủy phân cao hơn rõ rệt.

Ngoài lớp lăn, hóa chất còn có thể tác động lên thân bánh, ổ bi và các bộ phận kim loại nếu chúng nằm trong vùng bắn tóe hoặc ngâm hóa chất. Vì thế, một bánh có lớp lăn chịu được môi trường chưa chắc cả cụm bánh xe đã phù hợp.

Vì sao vật liệu quyết định khả năng chịu hóa chất của bánh xe?

Mỗi nhóm vật liệu có cấu trúc phân tử khác nhau nên mức độ tương tác với axit, kiềm, nước, dầu và dung môi cũng khác nhau. Do đó, không tồn tại một loại vật liệu bánh xe có thể mặc định là “kháng hóa chất” trong mọi môi trường.

Bảng tương thích của Blickle cho thấy sự khác biệt này rất rõ. Chẳng hạn với acetone, cao su và nylon được đánh giá chịu được trong bảng của hãng, polypropylene cũng chịu được, trong khi polyurethane nền polyester chỉ chịu được có điều kiện và polyurethane nền polyether được đánh giá không chịu được. Ngược lại, với nước ở nhiệt độ đến 80°C, polyurethane nền polyester được đánh giá không chịu được, còn polyurethane nền polyether chịu được.

Điểm quan trọng là tên chung của vật liệu đôi khi vẫn chưa đủ. Hai bánh đều được gọi là “PU” nhưng một loại PU nền polyester và một loại PU nền polyether có thể phản ứng khác nhau trong cùng môi trường. Công thức polymer, phụ gia và độ cứng cũng có thể làm kết quả thay đổi.

Vì thế, khi đánh giá bánh xe chịu hóa chất, nên xác định ít nhất ba lớp vật liệu: lớp lăn tiếp xúc với sàn, lõi hoặc thân bánh và các chi tiết ổ bi–kim loại có nguy cơ tiếp xúc với hóa chất.

Khả năng chịu hóa chất của các vật liệu bánh xe phổ biến

Polyamide hoặc nylon

Polyamide được sử dụng nhiều ở bánh và lõi bánh nhờ độ cứng, khả năng chịu mài mòn và khả năng chịu nhiều loại hóa chất. Tuy nhiên, “nylon chịu hóa chất” không đồng nghĩa với chống mọi axit hoặc kiềm.

Dữ liệu vật liệu của Ensinger đưa ra phạm vi tham khảo cho PA6 và PA66 khoảng pH 4–12 ở nhiệt độ phòng, không có tải cơ học. Trong cùng điều kiện tham khảo, PP có phạm vi rộng hơn, khoảng pH 0,5–13,5.

Điều đó cho thấy nylon phù hợp với nhiều môi trường công nghiệp thông thường nhưng cần thận trọng với môi trường axit mạnh hoặc điều kiện vượt khỏi phạm vi đã thử nghiệm. Bảng của Blickle cũng cho thấy nylon chịu được một số dung môi như acetone nhưng không chịu được axit acetic 30% và sodium hypochlorite 10% trong các điều kiện được liệt kê.

Polypropylene

Polypropylene là một trong những vật liệu đáng chú ý khi cần khả năng kháng axit và kiềm. Ensinger đưa ra phạm vi pH tham khảo của PE/PP ở nhiệt độ phòng là khoảng 0,5–13,5, rộng hơn PA6/PA66.

Bảng của Blickle cũng cho thấy PP chịu được nhiều môi trường như ammonia 20%, ammonium hydroxide 10% và một số dung môi, mặc dù không phải mọi hóa chất đều tương thích. Chẳng hạn PP được đánh giá không chịu được acetic acid 30% theo bảng cụ thể của hãng.

Do đó, ưu thế của PP là khả năng kháng nhiều hóa chất chứ không phải miễn nhiễm với mọi hóa chất.

Polyurethane

Polyurethane thường được lựa chọn khi cần kết hợp khả năng chịu tải, chống mài mòn, bảo vệ mặt sàn và khả năng lăn tốt. Blickle mô tả các lớp lăn polyurethane có độ bền mài mòn cao và chịu được nhiều chất có tính xâm thực.

Tuy nhiên, đây cũng là nhóm vật liệu cần đọc kỹ công thức nhất. PU nền polyester và PU nền polyether khác biệt đáng kể về khả năng chống nước nóng và thủy phân.

Blickle cho biết các polyurethane nền polyester của hãng chịu được nhiều môi trường hóa chất nhưng không phù hợp với nước nóng hoặc không khí nóng có độ ẩm cao; các polyurethane nền polyether như Besthane được thiết kế có khả năng chống thủy phân và chịu nhiều chất xâm thực.

Vì vậy, chỉ ghi “bánh PU” là chưa đủ để xác định khả năng chịu hóa chất.

Cao su và TPE

Cao su tạo độ đàn hồi, giảm rung và vận hành êm nhưng khả năng tương thích hóa chất phụ thuộc mạnh vào loại môi trường. Bảng Blickle cho thấy cao su chịu được một số chất như 1-propanol và acetone trong điều kiện được liệt kê, nhưng không chịu được acetic acid 30%, benzene, xylene hoặc sodium hypochlorite 10%.

TPE cũng không thể được xem là một lựa chọn kháng hóa chất phổ quát. Trong cùng bảng, một số chất được đánh giá chịu được, một số chỉ chịu được có điều kiện và một số không chịu được.

Do thành phần cao su và TPE có thể thay đổi đáng kể giữa các công thức, bảng tương thích của đúng nhà sản xuất và đúng vật liệu có giá trị hơn một kết luận chung như “cao su chịu dầu” hay “TPE chịu hóa chất”.

Thép không gỉ

Nếu hóa chất có thể tiếp xúc với vành, càng, ổ bi hoặc các cấu kiện kim loại, vật liệu của những bộ phận này cũng cần được xét riêng. Trong bảng Blickle, thép không gỉ AISI 304 được đánh giá chịu được nhiều hóa chất mà một số polymer không chịu được, nhưng vẫn có các trường hợp chỉ chịu được có điều kiện hoặc xuất hiện nguy cơ ăn mòn cục bộ, nứt do ứng suất.

Do đó, dùng bánh có lớp lăn kháng hóa chất nhưng lắp với càng hoặc ổ bi không phù hợp vẫn có thể tạo ra điểm hỏng của toàn bộ cụm bánh.

Cùng là polyurethane, vì sao polyether và polyester khác nhau?

Sự khác biệt giữa hai loại PU là ví dụ điển hình cho việc không nên đánh giá bánh xe chỉ dựa trên tên vật liệu ở cấp độ chung.

Ở polyurethane nền polyester, liên kết ester có thể bị nước phá vỡ thông qua phản ứng thủy phân khi có đủ nhiệt độ và thời gian. BASF cho biết việc tiếp xúc kéo dài với nước nóng, hơi nước hoặc khí hậu nóng ẩm có thể làm chuỗi polyester bị phân hủy không thuận nghịch và làm giảm tính chất cơ học. Trong khi đó, TPU nền polyether có khả năng chống suy giảm do thủy phân tốt hơn nhờ cấu trúc hóa học khác.

Sự khác biệt này cũng xuất hiện trực tiếp trong dữ liệu bánh xe. Blickle đánh giá polyurethane nền polyester không chịu được nước đến 80°C, trong khi polyurethane nền polyether chịu được điều kiện này.

Điều này có ý nghĩa thực tế trong nhà máy thực phẩm, khu vực vệ sinh bằng nước nóng hoặc môi trường thường xuyên ẩm ướt: lựa chọn PU chỉ theo độ cứng hoặc tải trọng có thể chưa đủ. Loại hóa học của polyurethane cũng là thông số cần xác định.

Nồng độ, nhiệt độ và thời gian tiếp xúc thay đổi kết quả ra sao?

Một bảng kháng hóa chất chỉ có giá trị khi điều kiện thực tế tương đương điều kiện mà bảng dùng làm cơ sở.

Nồng độ quyết định mức độ xâm thực. Vật liệu có thể chịu dung dịch loãng nhưng không chịu cùng hóa chất ở nồng độ cao hơn.

Nhiệt độ thường làm quá trình khuếch tán và phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn. Vì vậy, kết quả ở nhiệt độ phòng không thể tự động áp dụng cho dung dịch nóng. Ensinger lưu ý rằng các thông số quan trọng khi đánh giá tương thích hóa học gồm nhiệt độ, nồng độ, thời gian tiếp xúc và tải cơ học.

Thời gian tiếp xúc cũng tạo khác biệt giữa tình huống bắn tóe vài phút và ngâm liên tục nhiều giờ. Một vật liệu có thể không biểu hiện hư hỏng trong lần tiếp xúc ngắn nhưng suy giảm dần khi tiếp xúc lặp lại.

Tải cơ học làm bài toán phức tạp hơn. Một bánh xe chịu tải đồng thời tiếp xúc hóa chất có thể xuất hiện biến dạng hoặc nứt ứng suất mà mẫu vật không tải không thể hiện. Ensinger vì vậy chỉ xem bảng pH của mình là hướng dẫn trong điều kiện nhiệt độ phòng và không có tải cơ học.

Cuối cùng là hỗn hợp hóa chất. Blickle và Schwalb đều cảnh báo rằng hỗn hợp nhiều hóa chất có thể tạo tác động khác với dữ liệu của từng hóa chất riêng biệt; Schwalb khuyến nghị thử nghiệm riêng với ứng dụng mới hoặc chưa được kiểm chứng.

Cách đánh giá đúng bánh xe chịu hóa chất trước khi sử dụng

Không nên bắt đầu bằng câu hỏi “loại bánh nào chịu hóa chất tốt nhất?”. Cách đánh giá đáng tin cậy hơn là bắt đầu từ môi trường thực tế rồi đối chiếu ngược với vật liệu.

Trước tiên, cần xác định chính xác tên hóa chất và nồng độ. “Chất tẩy rửa”, “dung môi” hay “axit” là những mô tả quá rộng để kết luận khả năng tương thích.

Tiếp theo là xác định nhiệt độ cao nhất, thời gian tiếp xúc và kiểu tiếp xúc: bắn tóe, rửa định kỳ hay ngâm liên tục. Nếu bánh làm việc dưới tải trong quá trình tiếp xúc, điều kiện tải cũng phải được tính đến.

Sau đó cần kiểm tra riêng từng bộ phận có thể tiếp xúc với môi trường: lớp lăn, lõi bánh, ổ bi, trục và càng bánh. Chỉ cần một bộ phận không tương thích, tuổi thọ của toàn bộ cụm có thể bị giới hạn bởi bộ phận đó.

Cuối cùng, đối chiếu đúng bảng tương thích hóa chất của nhà sản xuất thay vì suy luận từ tên vật liệu. Các bảng của Blickle và Schwalb đều xem dữ liệu tương thích là giá trị tham khảo và khuyến nghị kiểm tra riêng khi điều kiện chưa được xác nhận.

Với ứng dụng có hóa chất đậm đặc, nhiệt độ cao, hỗn hợp hóa chất hoặc tiếp xúc lâu dài, thử mẫu bánh trong chính môi trường vận hành là bước có giá trị nhất trước khi tiêu chuẩn hóa cho số lượng lớn.

Khả năng chịu hóa chất của bánh xe trước hết phụ thuộc vào loại vật liệu và công thức vật liệu, sau đó mới có thể đánh giá trong mối quan hệ với hóa chất, nồng độ, nhiệt độ, thời gian và tải cơ học. Polypropylene, polyamide, cao su, TPE và polyurethane đều có vùng tương thích riêng; ngay cả hai loại polyurethane nền polyester và polyether cũng có thể cho kết quả rất khác nhau.

Vì vậy, một bánh xe chịu hóa chất không phải là bánh có nhãn vật liệu “tốt” nhất, mà là bánh có vật liệu phù hợp với đúng môi trường hóa chất mà nó thực sự phải tiếp xúc.