ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Особенности механического поведения пенополиуретана при испытаниях пеиетрацией

В строительных изделиях пенополиуретан может подвергаться обмятию (пенетрации).

Ткд

Испытания проводили на образцах марок Изолан 210-1 и Владипур ППУ-СП с внешним защитным покрытием и без него, при действии постоянных нагрузок и различных температур на установке, показанной на рисунке 2.6а. Форма образцов и методика проведения эксперимента описаны в пунктах 2.1.3 и 2.4.1. Экспериментальные результаты обрабатывали согласно пункту 2.4.2, по программе «Grafdifer. exe».

В результате испытаний длительной пенетрацией были определены константы, характеризующие скорость внедрения индентора в поверхность материала.

Зависимости логарифма скорости от обратной температуры для обеих марок пенополиуретана без наружного покрытия линейны (рисунки 3.11а и 3.15 а) и сходятся в одной точке. Это подтверждает термоактивационную природу деформирования пенопласта при пенетрации. Тогда как для
материалов с внешним наружным покрытием эти зависимости представляют собой семейство параллельных прямых (рисунки 3.13а и 3.17а).

Из зависимостей (рисунки 3.11а, 3.13а, 3.15а, 3.17а) определяли величину температурно-силового фактора Uo(TB) и структурно-механическую константу '/(тв).

На зависимостях (рисунки 3.11а и 3.15а) наблюдается явление смещения температуры полюса (Тт(ТВ)) от оси ординат. В этом случае они будут описываться не уравнением Аррениуса (2.17), а с учётом смещения температуры полюса уравнением:

V = Vmexp

Зависимости с параллельными прямыми (рисунки 3.13а и 3.17а) описываются следующим уравнением

(з. з)

Где Vm(TB), У*т(тв) (начальная кажущаяся скорость внедрения индентора в поверхность материала), U^), U*0(TB) (начальная энергия активации), У(те) и (3(тв) (структурно-механический факторы), Тт(тВ) (предельная температура разложения материала) - физические константы материала; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура; Н(тв) - твёрдость материала, которая определяется по формуле: Н<ТВ) = N/(7t-D-h), в которой N - сила, приложенная к шарику (индентору); D - диаметр индентора; h - глубина внедрения индентора в поверхность материала.

Значения констант, рассчитанные по методике описанной в пункте 2.4.2, приведены в таблице 3.4 и 3.5.

Полученные в ходе исследования константы имеют физический смысл, и позволяют подробнее рассмотреть механизм работоспособности пенополиуретанов.

Как видно из таблицы 3.4 предельная температура разложения материала Тт(тв) для трехкомпонентного Изолан 210-1 на 60 °С больше чем для двухкомпонентного Владипур™ ППУ-СП, что говорит о его меньшей термостойкости. Это подтверждается и технической документацией на эти материалы, так для Изолан 210-1 максимальная температура эксплуатации 145 °С, тогда как для Владипур™ ППУ-СП она составляет 130 °С.

Начальная энергия активации Uo(TB) для трехкомпонентного Изолан 210-1 немного выше, чем для двухкомпонентного Владипур™ ППУ-СП, что связано с различным химическим составом полимера основы [4, 5].

Структурно-механический коэффициент у(ТВ), который связан с видом напряженного состояния, практически не меняется, т. е. процесс пенетрации мало зависит от ячеистой структуры пенополиуретанов.

0.006 0.005 0.004 0.003 0.002

Рисунок ЗЛО - Определение температурно-силового фактора при длительной пенетрации пенополиуретана Изолан 210-1 кажущейся плотности 60 кг/м3 (г. Воронеж): [а] - зависимость глубины погружения от времени (1 - 36; 2 - 31; 3 - 26 Н; а - 290; 6 — 313; в. — 333 К); [б] - скорости погружения от глубины.

U. кдж/моль

40

Рисунок 3.11 - Зависимости логарифма начальной скорости внедрения индентора от обратной температуры [а]; эффективной энергии активации от нагрузки [б] пенополиуретана Изолан 210-1 кажущейся плотности 60 кг/м3 (г. Воронеж).

Рисунок ЗЛЗ - Зависимости логарифма начальной скорости внедрения индентора от обратной температуры [а]; эффективной энергии активация от нагрузки [61 пен ополи) ретана Изолан 210-1 кажущейся плотности b0 кг/м с наружным покрытием бумш и (г. Воронеж).

Рисунок 3.14 - Определение температурно-силового фактора при длительной пенетрации пенополиуретана Владипур 1 ПГ1У-СП кажущейся плотности 50 кг'м (г. Тамбов)* )а| - зависимость глубины погружения от времени (1 - 31; 2 - 26; 3 - 21 II; а - 290; б - 313; в - 333 К.); [б] - скорости погружения от глубины.

Lg г, [wcj

IS, кД^ иоль

3 Ш'/Т. 1Ж

Рисунок 3.15 - Зависимости Логарифма начальной скорости внедрения индентора от обратной температуры [а]; >ффекгивноГт энергии активации от нагрузки [б] пениполиуретана Владипур'и I! ПУ-С11 (г. Тамбов).

Рисунок 3.16 - Определение температурно-силового фактора при длительной пенетрации пенополиуретана Владипур1 1 ПГ1У-СП кажущейся плотности 50 ki/r - с наружным покрытием стеклотканью (г. Тамбов) [а] - зависимость глубины погружения от времени (J — 36:2 — 31:3 — 26 Н; а — 290: б - 313; в - 333 X); [б] - скорости погружения от глубины

Рисунок З. П - Зависимости логарифма начальной скорости внедрения индентора от обрагной температуры fa]; эффективной энергии активации от нагрузки f6j пенополиуретана Влади кур™ ППУ-СП кажущейся тотиосги 50 кг'м' с наружным покрытием етеклотканью (г, Воронеж).

Процесс пенетрации ППУ с внешним защитным покрытием (бумага и стеклоткань) происходит по более сложному термофлуктуационному механизму. По-видимому, при внедрении твердого индентра в тело образцов помимо одновременного разрушения и деформирования пенополиуретана возникают дополнительные напряжения за счет сил адгезии.

В [9] отмечается, что скорость внедрения индентора прямо пропорциональна твёрдости материала и не зависит от величины нагрузки. Поэтому мы приняли Я(тв) = N. Таким образом, по уравнениям (3.2) и (3.3) можно определить скорость внедрения индентора в поверхность тела в широком диапазоне нагрузок и температур. 3.7 Выводы

1. Представления термофлуктуационной концепции разрушения и деформирования сложных композиционных материалов дают основу для прогнозирования долговечности строительных изделий из пенопластов.

2. Установлено, что пенополиуретан подчиняется термофлуктуационной концепции разрушения и деформирования твёрдых тел. Однако полученные экспериментальные зависимости для долговечности при поперечном изгибе и сжатии отличаются от классических и описываются уравнениями (2.6) - (2.8), которые могут использоваться для прогнозирования долговечности, прочности (предела вынужденной эластичности) и термостойкости (теплостойкости) в широком диапазоне нагрузок, температур и времени эксплуатации.

3. Длительное деформирование при сжатии в процессе эксплуатации не приводит к разрушению образцов, и в широком диапазоне нагрузок и температур подчиняется кинетической концепции. Установлено, что диаграмма сжатия состоит из «докритической области», которая включает в себя два участка: предел упругости (до деформации 5 %) и предел вынужденной эластичности (до 10 %) и «закритической области» - выше деформации 20 % (её достижения при эксплуатации утеплителя необходимо избегать).

4. Анализ эмпирических коэффициентов, характеризующих деформационную долговечность ППУ, показал различие в механизмах деформирования мелкопористых и крупнопористых пенополиуретанов.

5. С помощью уравнений (2.9) - (2.11) можно прогнозировать предел вынужденной эластичности, теплостойкость и деформационную долговечность пенополиуретана при различных величинах деформации.

6. Получена линейная зависимость величины термофлуктуационного коэффициента у (характеризующего эффективность и направление силового поля) от геометрического коэффициента Кр (характеризующего ячеистую структуру исследуемых пенополиуретанов) при разрушении поперечным изгибом.

7. При длительной пенетрации подтверждена кинетическая природа процесса деформирования пенополиуретана. При наличии защитного слоя на ППУ или без него предложены уравнения (3.3) и (3.2) для описания скорости внедрения индентора в поверхность материалов при любых нагрузках и температурах.