Độ cứng Shore là một trong những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá nhanh đặc tính cơ lý của cao su trong sản xuất và kiểm tra chất lượng. Tại Thái Dương Plastics, việc kiểm soát độ cứng luôn được thực hiện theo quy trình chuẩn nhằm đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của sản phẩm. Bài viết dưới đây tổng hợp nguyên lý, quy trình thực hiện và các tiêu chuẩn áp dụng khi đo độ cứng Shore của cao su trong thực tế sản xuất.
Độ cứng Shore là gì?
Độ cứng Shore, còn gọi là durometer hardness, là mức độ vật liệu chống lại biến dạng ấn lõm khi mũi ấn tiêu chuẩn tác động lên bề mặt mẫu dưới lực lò xo của thiết bị. Thang Shore cho giá trị từ 0 đến 100 và không có đơn vị. Thang Shore cho giá trị từ 0 đến 100. Trong báo cáo kỹ thuật, giá trị này được ghi kèm tên thang đo để định danh (ví dụ: 70 Shore A). Giá trị càng cao thường thể hiện vật liệu càng khó bị ấn lõm trong điều kiện đo.
Điểm quan trọng trong cao su là tính đàn hồi nhớt. Cùng một mẫu, số đọc có thể thay đổi theo thời gian giữ tải. Vì vậy, tiêu chuẩn cho phép hoặc yêu cầu quy định thời gian đọc và báo cáo phải nêu rõ đọc tại thời điểm nào.
Chọn thang Shore A/D/AO/AM
Để kết quả có độ phân giải tốt và tránh sai lệch, bạn cần chọn đúng thang ngay từ đầu. Dưới đây là cách dùng phổ biến trong nhà máy cao su và theo hệ tiêu chuẩn quốc tế:
- Shore A: Dùng cho cao su mềm đến trung bình và các elastomer thông dụng như NR, SBR, NBR, EPDM, silicone, TPE… trong dải độ cứng phổ biến.
- Shore D: Dùng cho vật liệu cứng hơn như cao su cứng, nhựa nhiệt dẻo cứng, PU dạng cứng… Thang D phù hợp khi vật liệu đã vượt vùng đo tối ưu của thang A.
- Shore AO: Dùng cho cao su dải thấp và một số vật liệu có cấu trúc xốp. Thang này cho kết quả ổn định hơn với vật liệu rất mềm, vì nếu dùng Shore A, mũi ấn dễ lún quá sâu và làm sai lệch số đo.
- Shore AM: Dùng cho các mẫu thử có kích thước nhỏ, mỏng (thường từ 1.5 mm đến 2.0 mm) nằm trong dải độ cứng của thang A. Đây là lựa chọn thực tế khi không thể tạo mẫu đủ dày theo yêu cầu của thang A tiêu chuẩn.
Quy tắc chuyển thang nên áp dụng trong QC
Để tránh vùng biên gây khó so sánh, bạn có thể áp dụng các quy tắc thực hành sau, đồng thời ghi rõ loại thang trong báo cáo:
- Khi số đo Shore A thường xuyên cao, tiệm cận vùng 90 trở lên, cân nhắc chuyển sang Shore D để tăng độ phân giải vùng cứng.
- Khi số đo Shore D thấp, gần vùng 20 trở xuống, cân nhắc chuyển sang Shore A.
- Khi mẫu mỏng hơn mức tối thiểu của thang A tiêu chuẩn, ưu tiên dùng Shore AM thay vì cố đo bằng A rồi chấp nhận sai số.
- Khi vật liệu quá mềm, có dấu hiệu mũi ấn lún sâu bất thường và độ lặp lại kém, cân nhắc Shore AO.
Trong sản xuất, một câu hỏi hay gặp là Shore A và Shore D có đổi qua lại được không. Câu trả lời là không nên coi đó là chuyển đổi tuyến tính. Hai thang dùng mũi ấn và lực khác nhau, có vùng chồng lấn hạn chế và độ nhạy khác nhau. Vì vậy, nên chọn thang phù hợp và duy trì nhất quán trong tiêu chuẩn nội bộ của sản phẩm.
Tiêu chuẩn áp dụng cho phép đo độ cứng cao su
Để kết quả đo có giá trị nghiệm thu và so sánh giữa các bên, phép thử cần được thực hiện và báo cáo theo tiêu chuẩn cụ thể. Việc ghi rõ tiêu chuẩn giúp đảm bảo thống nhất về cách đo, điều kiện thử và cách đọc kết quả. Trong thực tế ngành cao su, các tiêu chuẩn thường dùng gồm:
- ISO 48-4 (trước đây là ISO 7619-1) hoặc TCVN 1595-1: Đây là các tiêu chuẩn cốt lõi quy định phương pháp xác định độ cứng ấn lõm bằng thiết bị đo Shore cho cao su lưu hóa hoặc nhiệt dẻo.
- ASTM D2240 do ASTM International ban hành: Được sử dụng rộng rãi trong thương mại quốc tế, quy định chi tiết cấu hình thiết bị và cách đọc giá trị.
Trong một số trường hợp, có thể tham chiếu thêm ISO 48 của International Organization for Standardization cho phương pháp IRHD. IRHD cũng đo độ cứng ấn lõm nhưng khác cấu hình tải và cách xác định giá trị, nên không thay thế trực tiếp cho Shore.
Quy trình đo độ cứng Shore của cao su
Dưới đây là quy trình đo độ cứng Shore theo hướng chuẩn hóa cho sản xuất và phòng QC. Khi các bước được thực hiện nhất quán, kết quả sẽ có độ lặp lại tốt, ổn định theo thời gian và so sánh được giữa các ca sản xuất:
Giai đoạn 1: Chuẩn bị mẫu
Trước khi cầm thiết bị lên đo, hãy đảm bảo mẫu đáp ứng các điều kiện cơ bản sau:
- Bề mặt đo
Bề mặt phải phẳng, sạch, không dính dầu mỡ, không bavia, không có vết lõm hoặc đường gân lớn tại điểm đo. Với chi tiết gia công có đường phân khuôn, nên tránh đo sát đường phân khuôn vì dễ làm sai số do bề mặt không đồng đều.
- Độ dày và nền đỡ
Mẫu phải đủ dày để mũi ấn không bị ảnh hưởng bởi nền đỡ phía dưới. Nếu mẫu mỏng, số đo thường cao giả hoặc thấp giả tùy cấu hình và độ lặp lại kém. Khi không thể đáp ứng độ dày chuẩn, ưu tiên chuyển sang thang Shore AM. Trong trường hợp bắt buộc phải chồng các lớp mẫu để đủ độ dày, các bề mặt tiếp xúc phải cực kỳ phẳng, sạch và không có bọt khí ở giữa để hạn chế sai số so với mẫu nguyên khối.
- Điều kiện ổn định
Cao su nhạy với nhiệt độ và thời gian hồi phục sau biến dạng. Nên ổn định mẫu ở điều kiện phòng thử nghiệm đủ thời gian theo quy trình nội bộ hoặc theo tiêu chuẩn bạn viện dẫn, đặc biệt khi mẫu vừa ép, vừa lưu hóa, vừa mài bề mặt, vừa lấy từ môi trường nóng lạnh.
Trong gia công cao su, một tình huống hay gặp là đo ngay sau khi ép ra, sau khi sấy. Việc này làm kết quả lệch đáng kể giữa các lần đo vì vật liệu chưa đạt trạng thái ổn định. Giải pháp là thống nhất thời gian chờ và nhiệt độ đo trong tiêu chuẩn nội bộ.
Giai đoạn 2: Chuẩn bị thiết bị
Thiết bị cần được kiểm tra và chuẩn bị đúng trước khi đo, vì điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và tính lặp lại của kết quả:
- Chọn đúng loại durometer: Xác nhận thang đo A, D, AO, AM phù hợp với dải độ cứng dự kiến.
- Kiểm tra tình trạng cơ khí: Đảm bảo mũi ấn không mòn, mặt tỳ phẳng sạch, lò xo hoạt động trơn, kim hoặc hiển thị số ổn định.
- Hiệu chuẩn và kiểm tra nhanh: Thực hiện kiểm tra theo lịch hiệu chuẩn của phòng QC hoặc theo yêu cầu tiêu chuẩn. Trong vận hành hằng ngày, nên có bước kiểm tra nhanh bằng miếng chuẩn nếu đơn vị có trang bị.
- Giá đỡ đo khi cần độ ổn định cao: Nếu sản phẩm yêu cầu sai số nhỏ hoặc có tranh chấp số liệu, nên dùng giá đỡ để kiểm soát lực đặt và độ vuông góc. Đo cầm tay phụ thuộc nhiều vào thao tác, đặc biệt với vật liệu mềm.
Giai đoạn 3: Các bước đo và cách đọc kết quả
Dưới đây là trình tự đo khuyến nghị theo thực hành QC và phù hợp tinh thần tiêu chuẩn:
- Bước 1: Đặt mẫu
Đặt mẫu lên mặt phẳng cứng, sạch, không rung. Tránh đặt lên vật liệu mềm như cao su, gỗ mềm, mút.
- Bước 2: Đặt thiết bị vuông góc
Đặt durometer sao cho mũi ấn hướng vuông góc bề mặt và mặt tỳ tiếp xúc đều.
- Bước 3: Tác động lực ổn định
Hạ thiết bị xuống bề mặt bằng tốc độ đều, tránh giật, tránh dằn mạnh. Khi mặt tỳ đã áp sát, giữ ổn định.
- Bước 4: Đọc kết quả theo thời gian quy định
Đây là chìa khóa kỹ thuật mà nhiều đơn vị thường bỏ qua, dẫn đến sai lệch số liệu giữa các bên. Do đặc tính đàn hồi nhớt, cao su sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng chậm và thư giãn ứng suất ngay khi mũi ấn tác động. Vì vậy, giá trị trên đồng hồ sẽ giảm dần theo thời gian giữ tải. Để kết quả có giá trị đối chiếu, bạn cần tuân thủ:
- Thống nhất thời gian đọc: Tùy theo tiêu chuẩn áp dụng, thời gian đọc có thể là ngay lập tức, sau 1 giây theo ASTM D2240 hoặc 3 giây hay 15 giây theo ISO 48-4. Phải dùng duy nhất một mốc thời gian cho toàn bộ lô hàng.
- Vật liệu đặc thù: Với cao su nhiệt dẻo hoặc các yêu cầu kỹ thuật riêng, thời gian giữ tải có thể dài hơn để số đo ổn định. Mốc thời gian này bắt buộc phải được ghi rõ trong báo cáo.
Tại sao cùng một điểm đo, số đọc ngay lúc ấn và sau vài giây lại khác nhau? Đây hoàn toàn là đặc tính tự nhiên của vật liệu cao su, không phải lỗi thiết bị. Cách xử lý duy nhất là chuẩn hóa thời gian đọc trong quy trình kiểm soát chất lượng để đảm bảo tính khách quan khi so sánh kết quả.
Giai đoạn 4: Số điểm đo và xử lý kết quả
Để kết quả phản ánh đúng đặc tính của chi tiết cao su, đặc biệt với sản phẩm có độ cứng không đồng đều hoặc độ dày thay đổi theo vị trí, cần quy định rõ số điểm đo trên mỗi mẫu:
- Số điểm đo
Khuyến nghị tối thiểu 5 điểm cho một mẫu và một chi tiết, phân bố đều trên vùng phẳng đủ lớn. Với tấm mẫu chuẩn, có thể tăng số điểm nếu cần đánh giá độ đồng nhất.
- Khoảng cách giữa các điểm đo
Mỗi điểm đo phải cách đủ xa để không ảnh hưởng bởi vết lõm trước đó. Nếu đo quá sát, kết quả thường lệch do vật liệu chưa hồi phục.
- Xử lý số liệu
- Ghi lại toàn bộ giá trị từng điểm.
- Tính trung bình.
- Theo yêu cầu QC, có thể ghi thêm min, max và độ lệch.
Nếu có điểm lệch bất thường, không nên tự ý loại bỏ nếu không có quy tắc. Hãy kiểm tra nguyên nhân như bề mặt cong, bavia, lẫn khí, vùng thiếu lưu hóa, thao tác đặt không chuẩn… Sau đó đo lại ở điểm hợp lệ.
Cách ghi báo cáo thử nghiệm độ cứng Shore của cao su
Khi hoàn tất phép đo, kết quả cần được ghi lại theo đúng cấu trúc và tiêu chuẩn áp dụng. Một báo cáo đo độ cứng Shore nên bao gồm các nội dung sau:
- Tiêu chuẩn viện dẫn: TCVN 1595-1, ISO 7619-1, ASTM D2240.
- Loại thang: Shore A, Shore D, Shore AO, Shore AM.
- Thời gian đọc: Ví dụ đọc tại 3 giây hoặc đọc tại 15 giây.
- Điều kiện môi trường: Nhiệt độ, độ ẩm nếu có yêu cầu.
- Thông tin mẫu: Vật liệu, mã lô, trạng thái bề mặt, độ dày, phương pháp chuẩn bị mẫu.
- Thiết bị: Mã thiết bị, tình trạng hiệu chuẩn, có dùng giá đỡ hay không.
- Kết quả: Từng điểm đo, giá trị trung bình, tiêu chí chấp nhận.
Cách ghi gọn thường dùng trong QC:
- 65 Shore A, đọc tại 3 giây, n bằng 5, 23 độ C.
- 38 Shore D, đọc tại 1 giây, n bằng 5, 23 độ C.
Lỗi thường gặp và cách khắc phục
Trong quá trình đo có thể phát sinh một số sai sót ảnh hưởng đến độ chính xác. Dưới đây là các lỗi phổ biến và cách xử lý:
Mẫu quá mỏng hoặc nền đỡ không đạt
- Dấu hiệu: Số đo dao động lớn, thay đổi mạnh theo vị trí, hoặc lệch so với lịch sử lô.
- Khắc phục: Dùng tấm mẫu đủ dày, chồng lớp theo quy định nếu được phép, hoặc chuyển sang thang AM cho mẫu mỏng.
Đo trên bề mặt cong hoặc gồ ghề
- Dấu hiệu: Số đo không ổn định, có xu hướng thấp giả do mặt tỳ không áp đều.
- Khắc phục: Chọn vùng phẳng, chuẩn bị bề mặt, tạo mẫu phẳng từ cùng vật liệu. Nếu bắt buộc đo trên chi tiết cong, cần nêu rõ hạn chế và dùng đồ gá phù hợp theo tiêu chuẩn liên quan.
Không kiểm soát thời gian đọc
- Dấu hiệu: Cùng một mẫu nhưng mỗi người đọc ra một số khác nhau.
- Khắc phục: Quy định rõ thời gian đọc kết quả trong quy trình thao tác chuẩn, sử dụng đồng hồ bấm giờ, thiết bị có chức năng giữ giá trị theo thời gian để đảm bảo mọi người đọc tại cùng một thời điểm.
Thao tác tay không ổn định
- Dấu hiệu: Lặp lại kém giữa ca, giữa người đo.
- Khắc phục: Đào tạo thao tác đặt vuông góc, dùng giá đỡ cho sản phẩm quan trọng, kiểm soát tốc độ đặt.
Điểm đo quá gần nhau
- Dấu hiệu: Các điểm đo sau thường thấp hoặc cao bất thường do vật liệu chưa hồi phục.
- Khắc phục: Tăng khoảng cách điểm đo, đo theo sơ đồ cố định, tránh đo lại đúng vết lõm cũ.
Độ cứng Shore là chỉ tiêu quan trọng trong kiểm soát chất lượng cao su, nhưng chỉ thực sự có giá trị khi được thực hiện đúng phương pháp và theo tiêu chuẩn rõ ràng. Việc chuẩn hóa quy trình đo và cách báo cáo giúp doanh nghiệp duy trì tính ổn định sản phẩm, giảm sai lệch giữa các lô và nâng cao độ tin cậy trong làm việc với khách hàng.
Tham khảo: Giải Pháp Ép Cao Su Công Nghiệp Theo Yêu Cầu