Nam châm cao su: Tính chất, các loại và ứng dụng chủ yếu

Nam châm cao su thực chất là gì

Một cửa hàng làm biển tại Gdańsk đã chuyển từ vinyl dán sang dùng tấm nam châm để dán lên các tấm thân xe sau khi một khách hàng phàn nàn về tình trạng trầy xước sơn trên một chiếc xe van thuê. Hiện nay, cửa hàng luôn dự trữ hai loại cuộn nam châm cao su với độ dày khác nhau và cắt tấm theo yêu cầu. Vật liệu này không phải là một nam châm đặc như những miếng nam châm nhỏ dán tủ lạnh: nó gồm bột ferrite stronti hoặc barium được phân tán trong chất kết dính nitrile hoặc PVC, sau đó được cán hoặc ép đùn thành dạng tấm. Vì pha ferrite là thành phần tạo từ và polymer chỉ đóng vai trò chất mang, nên nam châm cao su giữ được tính linh hoạt và khả năng chống ăn mòn, đồng thời sinh ra lực từ thấp hơn nhiều so với một khối nam châm neodymium đã qua nung kết trên cùng một đơn vị thể tích. Chính sự kết hợp này khiến nam châm cao su phù hợp cho ứng dụng làm biển quảng cáo chứ không dùng để nâng vật nặng. Việc hiểu rõ cấu trúc này giúp giải thích vì sao nam châm cao su lại có hành vi hoàn toàn khác biệt so với một khối nam châm cứng đã qua nung kết.

Một cửa hàng làm biển tại Gdańsk

Các tấm ốp xe van, bảng hiệu tại công trường và biển hiệu bán lẻ tạm thời đều được cắt từ cùng hai cuộn vật liệu. Quy tắc của xưởng rất đơn giản: dùng vật liệu mỏng cho các tấm thép phẳng, sạch, đã sơn, gia công ở tốc độ thấp; dùng vật liệu dày hơn có tính dị hướng cho mọi ứng dụng chịu tải gió hoặc các tấm cong. Chỉ một quyết định duy nhất này đã loại bỏ phần lớn công việc phải điều chỉnh lại sau khi lắp đặt, bởi vì một tấm nam châm cao su quá mỏng so với yêu cầu sẽ bị bong lên đầu tiên ở mép trước, và một khi đã bong lên, tấm đó sẽ hoàn toàn rời khỏi vị trí. Hiện nay, mỗi tấm nam châm cao su do xưởng cắt ra đều được lựa chọn phù hợp với bề mặt cụ thể và tải trọng cụ thể, chứ không còn dựa trên giá thành.

Những trường hợp vật liệu nam châm linh hoạt không đáp ứng được yêu cầu

Bốn kiểu hỏng hóc chiếm phần lớn khiếu nại. Tấm bị bong lên ở một góc do bề mặt sơn không phẳng. Bản in phai màu vì nam châm cao su thiếu lớp phủ trên chống tia UV, và nam châm cao su không có lớp phủ bảo vệ cũng bị phấn hóa dưới tác động của tia UV, biểu hiện bằng lớp bột trắng trên bản in. Tấm trở nên cứng và cong vênh trong thời tiết lạnh do chất kết dính không được chỉ định phù hợp với dải nhiệt độ sử dụng. Và tấm bị trượt xuống dưới trên bề mặt thẳng đứng do lực giữ không tương xứng với tải trọng — đây là kiểu hỏng hóc mà nam châm cao su dày hơn có thể ngăn ngừa hiệu quả nhất với chi phí thấp nhất.

Các đặc tính và hai loại chính

So sánh nam châm đẳng hướng và dị hướng

Một nam châm cao su đẳng hướng có các hạt ferit được định hướng ngẫu nhiên trong quá trình cán, tạo ra các đặc tính vừa phải và đồng đều theo mọi hướng trên toàn bộ tấm. Một nam châm cao su dị hướng có các hạt được căn chỉnh nhờ từ trường trong quá trình sản xuất, làm tăng gần gấp đôi hiệu suất từ tính theo hướng đã căn chỉnh. Việc lựa chọn giữa nam châm cao su đẳng hướng và nam châm cao su dị hướng là quyết định kỹ thuật quan trọng nhất. Sự đánh đổi nằm ở chi phí và độ cứng: vật liệu dị hướng đắt hơn và ít uốn cong hơn một chút, nhưng bám dính tốt hơn nhiều trên các tấm cong hoặc rung động, và đa số khách hàng nâng cấp từ nam châm cao su đẳng hướng lên loại dị hướng đều không quay lại dùng loại đẳng hướng.

Độ dày, lực hút và giới hạn nhiệt độ

Lực giữ tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc và độ dày, do đó một tấm nam châm cao su dày 1,5 mm có khả năng giữ gấp nhiều lần so với tấm dày 0,4 mm trên cùng một diện tích. Loại vật liệu đẳng hướng tiêu chuẩn thường đạt khoảng 20–40 gram trên mỗi centimet vuông, trong khi loại dị hướng đạt 60–90 gram. Một tấm nam châm cao su mỏng đặt trên bề mặt thô ráp sẽ giảm diện tích tiếp xúc, mà chính diện tích tiếp xúc mới là yếu tố thực sự tạo ra lực giữ. Nhiệt độ ảnh hưởng theo cả hai chiều: ferrite mất vài phần trăm công suất đầu ra trên mỗi mức tăng 10 °C, đồng thời hầu hết chất kết dính trở nên cứng hơn dưới khoảng trừ 20 °C và mềm hơn trên khoảng 80 °C, vì vậy nam châm cao su dùng cho cửa kho lạnh cần loại chất kết dính khác với loại dùng cho xe giao hàng.

Tiêu chuẩn và phương pháp thử nghiệm

IEC, Khả năng chịu thời tiết và Tuân thủ vật liệu

Các đặc tính từ tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu được đo theo loạt tiêu chuẩn IEC 60404, trong đó quy định cách thử nghiệm độ cảm ứng từ dư, lực khử từ và tích năng lượng; yêu cầu các giá trị được đo theo phương pháp này giúp so sánh dễ dàng khi báo giá, và không nên mua nam châm cao su chỉ dựa trên một con số lực hút. Báo cáo thử nghiệm lô đối với nam châm cao su cần nêu rõ độ cảm ứng từ dư và lực khử từ thay vì chỉ đưa ra một giá trị lực hút duy nhất. Sự lão hóa của chất kết dính polymer được đánh giá theo ISO 4892 và ASTM G154 về phơi sáng tia UV tăng tốc — đây là phép thử phù hợp cho biển quảng cáo ngoài trời. Các quy định REACH và RoHS bao trùm chất làm dẻo và kim loại nặng trong chất kết dính cũng như lớp in; EN 71-3 áp dụng khi sản phẩm có thể tiếp xúc với trẻ em; và ISO 9001 đảm bảo tính ổn định trong quá trình sản xuất.

Lựa chọn, cắt và bảo quản vật liệu tồn kho

Cách xác định thông số kỹ thuật cho nam châm cao su

Bắt đầu với bề mặt: thép sơn phẳng, tấm cong hoặc thép không gỉ. Kiểm tra bằng nam châm thông thường, vì thép không gỉ austenit hoàn toàn không giữ được nam châm cao su nào cả. Sau đó xác định tải trọng: giấy và bìa chỉ cần lực nhỏ, trong khi tấm in đặt ngoài trời có gió cần loại nam châm cao su dị hướng. Hỏi xem nam châm cao su có lớp phủ trên in được hay không, vì in trực tiếp lên vật liệu thô hiếm khi bền ngoài trời. Chỉ định đồng thời độ dày, cấp chất lượng, lớp phủ trên và dải nhiệt độ, bởi vì nam châm cao su là một hệ thống gồm chất kết dính, ferit và lớp phủ chứ không phải một thông số đơn lẻ.

Cắt, lắp đặt và bảo quản

Cắt bằng lưỡi dao sắc hoặc máy cắt guillotine thay vì dùng kéo, vì kéo sẽ kẹp và làm bong lớp cạnh của nam châm cao su. Dán lên bề mặt sạch, khô và đã được tẩy dầu mỡ; sau đó cán từ tâm ra ngoài để đẩy hết không khí ra. Bảo quản cuộn vật liệu nằm ngang và được nâng đỡ đầy đủ—tuyệt đối không treo lơ lửng chỉ bằng một mép, bởi nam châm cao su sẽ từ từ biến dạng dưới trọng lượng riêng của nó theo thời gian; nếu nam châm cao su bị cong vênh trong quá trình bảo quản, thường có thể làm phẳng lại bằng cách đặt dưới tấm ván nặng trong khoảng một ngày. In trực tiếp lên vật liệu là một thông số kỹ thuật riêng biệt. Mỗi phương pháp in—bao gồm in lụa, in phun dung môi và in phun UV-curable—kết dính khác nhau với lớp phủ bề mặt trên cùng; do đó, nếu in nam châm cao su bằng hệ mực không phù hợp, lớp mực sẽ nứt khi tấm vật liệu bị uốn cong trong quá trình dán. U&U Magnetic Technology cung cấp nam châm cao su dạng tấm và dạng cuộn theo tiêu chuẩn ISO 9001, kèm tài liệu chứng nhận REACH và RoHS, với hai loại đẳng hướng (isotropic) và dị hướng (anisotropic).

Các câu hỏi thường gặp

Nam châm cao su được làm từ chất gì?

Một nam châm cao su là bột ferrit stronti hoặc barium được phân tán trong chất kết dính nitrile hoặc PVC, sau đó được cán hoặc ép đùn thành tấm hoặc dải linh hoạt. Ferrit tạo ra từ trường, còn polymer mang lại độ linh hoạt và khả năng chống ăn mòn. Vì phần lớn thể tích là chất kết dính, nên nam châm cao su yếu hơn rất nhiều trên mỗi đơn vị thể tích so với nam châm neodymium đã được nung kết.

Sự khác biệt giữa cấp độ đẳng hướng và dị hướng là gì?

Nam châm cao su đẳng hướng có các hạt ferrit định hướng ngẫu nhiên và có tính chất vừa phải, đồng đều trên toàn bộ tấm. Nam châm cao su dị hướng có các hạt được căn chỉnh theo một hướng nhất định trong quá trình sản xuất, làm tăng gần gấp đôi hiệu suất từ ở một hướng duy nhất. Vật liệu dị hướng đắt hơn và cứng hơn một chút, nhưng lại là lựa chọn phù hợp cho các bảng cong, biển hiệu phương tiện và mọi ứng dụng tiếp xúc với rung động.

Nam châm cao su có thể chịu được trọng lượng bao nhiêu?

Loại vật liệu từ tính cao su đồng hướng điển hình giữ được khoảng 20 đến 40 gam trên mỗi centimet vuông tiếp xúc; loại vật liệu từ tính cao su dị hướng đạt mức 60 đến 90. Các con số này giả định điều kiện tiếp xúc phẳng hoàn toàn và bề mặt thép sạch. Bất kỳ khe hở, độ cong, bụi bẩn hay kết cấu sơn nào cũng làm giảm lực giữ một cách đáng kể, do đó luôn cần chọn nam châm cao su có dự phòng lực giữ lớn hơn tải trọng thực tế.

Có thể sử dụng nam châm cao su ngoài trời không?

Có thể, nếu chọn đúng thông số kỹ thuật. Tia UV làm bạc màu nam châm cao su trần và làm phai mờ lớp in, vì vậy hãy chọn loại vật liệu ổn định dưới tác động của tia UV kèm lớp phủ trên cùng có thể in được. Khả năng chịu thời tiết được kiểm tra theo tiêu chuẩn ISO 4892 và ASTM G154. Đối với biển báo gắn trên phương tiện, lực giữ phải đủ để chịu được tốc độ di chuyển trên đường, thường nghĩa là dùng loại vật liệu dị hướng có độ dày tối thiểu 0,75 mm.

Nhiệt độ có ảnh hưởng đến nam châm cao su không?

Có, ở cả hai chiều. Ferrite mất vài phần trăm công suất đầu ra trên mỗi 10 °C tăng nhiệt độ, và chất kết dính polymer trở nên cứng hơn dưới khoảng trừ 20 °C và mềm hơn trên khoảng 80 °C. Một nam châm cao su dùng cho cửa kho lạnh hoặc khí hậu nóng cần loại chất kết dính được chỉ định riêng cho dải nhiệt độ đó, chứ không phải loại thông dụng.

Cách cắt và bảo quản nam châm cao su như thế nào?

Cắt bằng lưỡi dao sắc hoặc máy cắt guillotine; dùng kéo sẽ làm méo và bong lớp cạnh của nam châm cao su. Bảo quản cuộn vật liệu nằm ngang và được nâng đỡ thay vì treo lơ lửng bằng một mép, vì vật liệu sẽ từ từ biến dạng dưới trọng lượng bản thân theo thời gian. Vật liệu bị cong vênh thường có thể làm phẳng lại bằng cách đặt lên tấm ván có tải trọng trong vòng một ngày trước khi sử dụng.