СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕНОПЛАСТОВ ПРИ РАСТЯЖЕНИЙ

Раздел посвящен экспериментальному изучению влияния ячеистой структуры на прочность пенопластов при растяжении, а также тем- пературно-временной зависимости механических характеристик этих материалов.

Одна из основных особенностей полимерных материалов - ярко вы* раженная температурно-временная зависимость их механических свойств - для монолитных полимерных материалов изучена довольно полно. Однако, специфика этой зависимости у вспененных пластмасс исследована недостаточно. В то же время такие данные крайне необходимы как при рассмотрении специфики механизма разрушения п^е - нополимеров, так и при решении прикладных задач, например, при выборе условий применения пенопластов. Поэтому нами рассмотрено прежде всего на примере эластичного пенополиуретана влияние ско­рости нагружения и температуры на прочность эластичных пеноплас­тов /156/.

На рис.3.II представлены зависимости прочности при растяжении (3^ эластичных пенополиуретанов ППУ«75 и ППУ»»Э«35-0,8 от скорости деформации при температуре 293 +IK. Из рис.3.II видно, что у иссле­дованных ППУ с повышением скорости деформации существенно уве® личивается, причём у ППУ-Э-35-0,8 более резко, чем у ППУ-75. Вели­чина 6р связана со скоростью деформации V степенной зависи­мостью. Более высокая прочность ППУ-Э*.35»0,8 на основе сложных по® лиэфиров при 293К, чем ППУ-75 на основе простых полиэфиров объяс-

Рис. 3*11. Зависимость прочности при растяжении эластичных пенополиуретанов при 293 К от скорости деформации: I - - ППУ-Э-35—0,8; 2 - ППУ-75.

Няется большим влиянием физических связей у ППУ на основе сложных полиэфиров из-за характерного для них повышенного межмолекуляр­ного взаимодействия /17/.

Зависимость прочности эластичных ППУ от температуры при ско-

-2 - I

Рости деформации образцов 1,7.10"" с представлена на рис. 3.12.

Из рис.3.II и 3.12 видно, что в некотором интервале изменения

Температуры зависимость (э_ от температуры в выбранных координа-

Р

Тах выражается отрезками прямых, то-есть описывается уравнением, аналогичным полученному для эластомеров /18/:

V 11 (ЕГп = и *ехР ;

Где: '2/'- скорость деформации; A, V^ - постоянные; Т - темпе­ратура; универсальная газовая постоянная; И - эф­фективная энергия активации. Представленные данные показывают, что ППУ - Э-35*»0,8 и ППУ-75 имеют близкие значения 6^ при пониженных и повышенных темпера­турах. При температурах 233...353К прочность ППУ-3^35-0,8 существ венно выше, чем прочность ППУ-75 из-за отмеченной выше большей суммарной прочности физических межмолекулярных связей в ППУ на основе сложных полиэфиров в отмеченном интервале температур.

Ввиду значительного влияния температуры и скорости деформации на прочность ППУ представлялось необходимым определить изменение свойств материала в более широком временном режиме испытаний. Для этого нами предпринята попытка использовать температурно-временную аналогию для прогнозирования прочности ППУ. Полученная зависимость Q от скорости растяжения if при различных температурах Т в видо­изменённых координатах представлена на рис.3.13. Данные при тем** пературе 293К приняты за стандартные. Оказалось, что в данном случае может быть осуществлена суперпозиция полученных при различ­ных температурах кривых зависимости прочности ППУ-75 от скорости

Рис. 3.12. Зависимость прочности при растяжении эластичных

С

Пенополиуретанов от температуры: I - ППУ—Э—35—О,8; 2 - ППУ-75.

Рис. 3.13. Зависимость прочности ППУ-75 от скорости растяжения при температурах 213 (I), 233 (2), 253 (3), 273 (4), 293 С 5 - обобщенная кривая, приведенная к температуре 293 К ), 313 (б), 333 (7), 353 (8), 373 К (9).

Деформации. В качестве примера в приложении I дано подробное опре­деление прочности ППУ-75 методом температурно-временной аналогии с использованием комплексного дисперсионного анализа данных кратко­временных испытаний. Полученные при различных температурах кривые прочности на рис.3,13 смещаются параллельно вдоль оси скорости без заметного нарушения их подобия, При этом зависимость коэффи­циента температурно-временной редукции Cl^ от температуры выра­жается кривой, представленной на рис,3.14, и хорошо описывается уравнением Вильямса-1андела-#ерри:

П Ст С Т - Т )

Е9 ат = _ 11 — ; ( 3.1 )

С2 + ( т - т0 )

Где: TQ - 293К • температура приведения; Cj и - эмпири­ческие параметры; Т - температура, отличная от темпера­туры приведения, при которой испытывали ППУ. Значения эмпирических параметров в формуле (3.1) равны соот­ветственно Cj ■ -40,1 и С^ = 383 и определены по методике, изло­женной в /73/. Как видно из рис.3.14, данные по определению расчётным и опытным путями согласуются удовлетворительно: среднеква» дрвтичное отклонение экспериментальных данных составляет Полученная по этим значениям обобщенная кривая представлена на рис. 3.13. Опытные точки удовлетворительно совпадают с обобщен-» ной кривой: среднеквадратичное отклонение составляет 5,1$. Таким образом, использование метода температурно-временной аналогии

Позволило расширить временной диапазон оценки прочности на 14 де*

Г II

Сятичных порядков (в интервале изменения скорости от 10 до

Юб с"1).

Зависимость относительного удлинения при разрыве £ от ско»

Jr

Рости растяжения оказалась более слабой в сравнении с изменением

Прочности. В то же время (э и £ у пенополиуретана связаны

Р Р

Между собой определённым образом. Так, представленная на рис.3.15

Ф ar

Т-Го,к

Рис. 3.14. Коэффициент температурно-временной редукции для 1ДО-75: О - эксперимент; Л - аппроксимация по( 3.1 ).

,

Огибающая разрывов ППУ-75 показывает» что зависимость относитель­ного удлинения при разрыве от (5^ носит экстремальный характер и в исследованном температурно-временном интервале испытаний описы* вается единой кривой. Полученные данные согласуются с известным для монолитных полимеров положением о том, что между разрывным напряжением и деформацией при разрыве существует определённое со­отношение, не зависящее от условий испытаний.

Таким образом, выполненные исследования позволили оценить пре­дельные характеристики эластичных ППУ в широком температурно-вре­менном режиме испытаний. Установлено, что для прогнозирования из­менения прочности при растяжении может быть использован метод температурно-временной аналогии. При этом особенности температур­но-временной зависимости прочности полимеров распространяются и на вспененные пластмассы.

Влияние различных параметров макроструктуры пены на поведение пенопластов при растяжении проявляется по-разному. Так, при раз­рушении стенок ячеек ретикуляцией взрывным способом, прочность эластичных ППУ увеличивается в сравнении с прочностью исходных об­разцов. Аналогичное увеличение прочности у эластичных ППУ наблю­далось нами в случае разрушения стенок ячеек при циклических клима­тических воздействиях на образцы /162/, где один цикл длился 48 часов и включал водонасыщение, промораживание, оттаивание и про* сушивание. Оказалось, что уже после 10 циклов испытаний стенки ячеек разрушились, масса образцов снизилась на 1,7$, а прочность при растяжении увеличилась на 39$.

Механизм указанного упрочнения пенопласта при растяжении обусловлен тем, что стенки ячеек являются концентраторами напря­жения при растяжении и в них инициировано начало разрушения об­разцов. У открытопористых образцов эластичных ППУ механизм раз­рушения меняется, так как начало процесса в них инициировано раз*» рушением тяжей.

В вопросе влияния размеров ячеек на прочность пенопластов наи­более распространённой являлась точка зрения авторов /80-81/ об увеличении прочности при уменьшении диаметра ячеек пенопластов, Андертон и Виттакер получили /80-81/, что прочность ППУ связана с длиной надреза образцов соотношением Гриффитса:

/ I £/2

Где: Q - прочность при растяжении; Е - модуль Юнга;

Длина надреза; постоянная, характеризующая энер» гию распространения трещины; до значений надреза, близкого к диаметру ячейки й/, и в дальней­шем к надрезу нечувствительная. Отсюда ими сделан вывод, что прочность пенопластов связана с величиной диаметра ячеек зависи­мостью & ~ 0 Другой стороны, теоретические расчёты различных моделей указывают на независимость прочности от размеров ячеек /I, 4, 160/. Поэтому нами были проведены более тщательные иссле­дования по оценке влияния надреза на прочность пенопластов /197/, На экспериментальную точку при испытаниях брали по 30 образцов, что обеспечивало точность определения прочности до 4,4$ при до® верительной вероятности 0,95. Оказалось, что зависимость от величины надреза t близка к установленной в работах/80-81/. В результате можно определить величину критического надреза £ , чувствительного к разрушению. Результаты испытаний, полученные нами, представлены в таблице 3,1, Как видно из табл. 3.1, зна­чение Р у жесткого пенополиуретана ППУ-309 оказалось в 3..,7 раз меньше максимального размера ячеек образцов. Более того, только у 13$ ненадрезанных образцов ( д ^ ) разрушение происхо­дило с включением хотя бы одной из 10 наиболее крупных ячеек каждого из образцов. Аналогичные результаты получены также у жесткого пенополиуретана ППУ-ЗС и пенополиизоцианурата ПЦУ-1,

Табл.3.1, Физико-механические свойства образцов пенопластов с надрезом.

Параметр

Кажущаяся плотность кг/У?

Средний диаметр ячеек с/, мм

Длина каждой из 10 наибольших ячеек образцов, Д, мм

Степень вытянутости ячеек, К

Прочность при растяжении <31,МПа

.г

Критическая величина надреза

£кр' мм

Количество образцов, разрушившихся не менее чем по одной из 10 наи­больших ячеек, А N 9 %

TOC o "1-3" h z ГШУ-309 ППУ-ЗС ПЦУ-1

32 42 98

0,65 0,54 0,24

5,6-2,2 3,0-2,1 4,0-1,1

1,8 1,6 1,7

0,24 0,44 0,59

0,79 0,86 0,82

13

Это указывает, что в общем случае £ не совпадает ни со средним, ни с максимальным диаметром ячеек,

С другой стороны, полученные результаты позволяют выявить осо­бенности разрушения пенопластов /I, 197/. В нагруженном пенопласте возникает концентрация напряжений на одиночных тяжах, либо стенках ячеек. Неравномерность распределения напряжений по тяжам обуслов» лена в основном неоднородностью ячеистой структуры (распределение по степени замкнутости доеек, их направлениям, степени вытянутос­ти и кажущейся плотности пенопласта» формы ячеек, формм тяжей» со* отношением полммера-основы в тяжах, узлах и стенках ячеек)» свя­занным с ней различием в механических характеристиках областей пенопласта (прочности, упругости, пластичности). Зона таких пере»

Напряженных тяжей или стенок ячеек формирует дискретные поверхнос*» ти разрушения по этим перенапряженным элементам макроструктуры,

То-есть полный разрыв сплошности макроструктуры пеноматериала про» исходит за счёт разрыва тяжей и стенок ячеек при распространении разрушения по слою концентрации напряжений из-за неоднородности пенопласта по различным параметрам ячеистой структуры.

Таким образом, экспериментальные исследования позволили оце­нить особенности разрушения пенопластов при растяжении. Научные результаты исследований, изложенные в данном разделе, заключаются в том» что получена систематическая информация о механических свойствах пенополимеров при растяжении. Показано, что механические свойства полимера-основы, связанные с их температурно-скоростной зависимостью, переносятся на свойства пенополимеров. Уточнены представления о механизме разрушения пеноматериалов на уровне ячеистой структуры.