СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ

РАСЧЁТ ДИАГРАММ СЖАТИЯ ЭЛАСТИЧНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ С РАЗЛИЧНОЙ ОСТАТОЧНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

Особенностью макроструктуры эластичных пенопластов является возможность остаточного искривления тяжей ячеек, что имеет принци­пиальное значение при оценке их структурно-механических свойств.

Длительное применение эластичных пенопластов в нагруженном состо­янии (при хранении и транспортировке в сжатом состоянии, при при­менении в качестве сидений в мебельной и автомобильной промышлен­ности и т. д.) сопровождается изменением физико-механических свойств пеноматериала, характеризуемым уменьшением его жесткости, возник­новением остаточной деформации, изменением вида деформационных кривых. Возникающее при этом изменение ячеистой структуры должно оказать специфическое влияние на механические свойства эластичных пенопластов, поскольку параметры макроструктуры оказывают опреде­ляющее влияние на характер деформации пористых полимерных матери­алов. Поэтому нами исследована связь деформативных свойств эластш - ных пенопластов с изменением макроструктуры при длительном пребы­вании их в нагруженном состоянии /195/.

Ниже представлены результаты расчёта на основе предложенной нами модели ячейки зависимости свойств эластичных пенопластов от параметров ячеистой структуры при испытаниях в условиях сжатия, поскольку сжимающие нагрузки наиболее характерны для условий эксп­луатации этих материалов. Для простоты расчёта рассмотрим поведе­ние изотропного пенопласта с первоначальным отношением продольных размеров ячеек к поперечным, равным единице. Модель использован­ной для расчёта ячейки аналогична представленной на рис. Ч,2 и от­личается лишь искривлением тяжей в исходном состоянии /195/. Яче­истую структуру этого типа образуют тяжи (отержни), соединённые в квадраты. Все со&едние квадраты соединяются друг с другом по углам только во взаимно перпендикулярных плоскостях. При сжатии имеет место кооперативный, энергетически наиболее выгодный изгиб тяжей, что эквивалентно работе тяжей по схеме с одним защемлённым концом.

Непосредственные наблюдения показали, что изменение ячеистой структуры заключается главным образом в изгибе силовых элементов макроструктуры (силовых тяжей) и сохранении их в изогнутом состо­янии. Считаем, что начальная кривизна тяжа I/P постоянна по его длине. Тогда с помощью метода упругих параметров /222-223/ были оценены большие перемещения тяжей и, соответственно, уравнение

TOC o "1-3" h z диаграммы сжатия пенополимера /195/: сжимающая ячейку сила вычис­ляется по формуле о

4р • Е •! Су*

Ряч. . (4.9)

О

Где: р = Jr™P/Ej - параметр силы; Т / 12 - момент инер­

Ции сечения тяжа; о ~ начальная длина тяжа;

А степень сжатия образца 8'по отношению к исходной высоте (до ис­пытания его под нагрузкой) на начальном участке диаграммы состав­ляет л

, ( О ) + Ч,

£ = 7; (4Л0)

где: £ - Snnv +8 ~ введенное обозначение;

О 01

£ост относительная остаточная деформация образца;

£ - относительная деформация образца при сжатии;

^и ^ - координаты конечной точки искривлённого тяжа,

Связанные с параметром силы р выражением 8 Гт 2 2 7

= Е(^ ) - -2- + I; = ---(I - Sin1*);

О m p mZ о. /яр. 4

Tn - модуль эллиптического интеграла;

- табличная амплитуда эллиптического интеграла. Поскольку поперечные размеры открытопористого образца после ис­пытания под нагрузкой практически не меняются, эффективное сечение исходной и видоизменённой ячейки останется одним и тем же:

5г = 2 ( 2В + (4.II)

Тогда, используя (4.9) и (4.II) можно определить напряжение сжа-

Тия: о и С77

6 = J&S J^SSUUh - ; (4.12)

24 ( I + fi/Z )2

Ch

Где: J> ~ / в - постоянная отношения толщины тяжа к его длине. При этом, исходя из геометрических рассмотрений, легко получить для исходного образца соотношение для определения J$ :

1 3 ^ f f С 2 + J5 )2 Таким образом, уравнения 4.9 - 4.12 позволили записать в пара­метрическом виде формулу диаграмм сжатия эластичных открытопорис - тых пенопластов после испытания их под нагрузкой.

Используемая в расчётах (4.10) кривизна тяжей видоизменённых

Образцов связана с остаточной деформацией выражением:

Т А 2. sin2 fr/g £ . ______________________ .

I ♦ Я/г

Где: 1/£ - начальная кривизна тяжей;

- - введённое обозначение.

Можно ожидать, что после однотипного изгиба перекрещивающихся

Тяжей до взаимного их соприкосновения, то-есть при

Fi

£ + £0ст > 1 ~ *

( I + fi/4

Наступит процесс смятия тяжей. В этом случае можно оценить увели­

Чение напряжения сжатия на няня конечном участке диаграммы:

^ г Т , С т fi

(I + -)CosiL 4

Где: кажущаяся плотность исходного пенопласта (до испы­тания под нагрузкой); р~ плотность полимера-основы.

Диаграмма сжатия исходного образца расчитывается по более простой формуле (4.3). В случае испытания закрытопористых пеноплас­тов может быть введена поправка на упругое действие газа в замк­нутых ячейках, как это сделано, например, в /160/.

Таким образом, выполненные расчёты показывают, как влияет яче­истая структура на изменение характера деформации эластичных пено­пластов при предварительном испытании их под нагрузкой.

- 179 -

Были экспериментально оценены свойства эластичных пенопластов в условиях сжатия. Испытания в нагруженном состоянии заключались в сжатии образцов эластичного ППУ на основе сложных полиэфиров (ППУ - - Э-35-0,8) размерами 50 х50 хЗО мм до 70$ от их первоначальной вы­соты (30 мм) и выдержке материала в течение различных периодов времени при Ю0°С. Параллельно оценивались механические свойства ППУ-Э-35-0,8 на 3-х образцах, причём отклонение отдельных значений контролируемых характеристик от среднего не превышало 8$, В резуль­тате испытаний было обнаружено, что поперечные размеры образцов ме­няются не более чем на 2% при значениях остаточной деформации 0... 60/ош С увеличением длительности испытаний £ возрастает. Однако, после продолжительного "отдыха" в свободном состоянии при той же температуре 100°С образцы в значительной мере восстанавливали свои первоначальные размеры. Следовательно, развитие релаксационных процессов в полимере-основе является причиной изменения ячеистой структуры ППУ-Э-35-0,8, а это, как показывают расчёты, должно при­вести к специфическому изменению механических характеристик мате­риала.

На рис. 4.6 представлены характерные для эластичных ППУ диаграм­мы сжатия образцов с различной остаточной деформацией. Диаграммы были получены на испытательной машине ZM-20 при скорости деформа­ции образцов 30 мм/мин. Экспериментальные данные позволяют интер­претировать характер диаграмм сжатия ППУ, представленных на рис. 4.6, следующим образом: крутой начальный участок, соответствующий росту нагрузки, отражает прогиб тяжей, когда потеря устойчивости их ещё не достигнута; второй участок, соответствующий возникнове­нию плато на диаграмме или незначительному росту нагрузки при больших деформациях образца (до 60$), отражает изгиб тяжей после потери ими устойчивости; 3-й участок, соответствующий дальнейшему значительному росту нагрузки, отражает сжатие ППУ, уплотнённого до взаимного соприкосновения перекрещивающихся тяжей.

Экспериментально: I - исходный образец; 2 - = 20$; 3 -60$,

U vi

- 181 -

Оказалось, что деформационные кривые исходных образцов, полу^- ченные при их циклическом сжатии и разгрузке, сильно видоизменя­ются после 1-го цикла. В дальнейшем значительных изменений дефор­мационных кривых не наблюдается (при снятии петель гистерезиса через интервалы времени 20с). Поэтому на рис. 4.6 представлены ди­аграммы сжатия образцов, полученные при снятии 3-й петли гистере­зиса. Очевидно, изменение кривой деформации 2-го цикла связано с развитием релаксационных процессов в полимере-основе, так как пос­ле длительного отдыха образцов первоначальная жесткость материала практически полностью восстанавливается.

Из рис. 4.6 видно, что изменение свойств ППУ после длительного сжатия характеризуется увеличением остаточной деформации, причём

Одновременно уменьшаются условный предел прочности ( &' ) и модуль

Кр

Упругости при сжатии, а критическая деформация £Кр увеличивается.

Второй участок диаграммы (плато) сокращается на величину £оот» В

То время как у исходного образца при значительных закритических

Деформациях (£ > £ ) напряжение на диаграмме сжатия сохраняется

Кр

Постоянным, после испытания под нагрузкой напряжение на диаграмме сжатия растёт при закритических деформациях, хотя и значительно меньше, чем на начальном участке диаграммы. Последний участок диа­граммы сжатия, соответствующий смятию тяжей, не меняет своего поло­жения. При значениях £ ^ 60% первые два участка диаграммы вы-

О С!

Рождаются совсем.

Было сделано сопоставление данных, полученных расчётным и опыт­ным путёа. Расчётные диаграммы сжатия тех же образцов ППУ представ­лены на рис. 4.7, Из рис. 4.6 и 4.7 видно, что качественно характф изменения свойств ППУ оказался в обоих случаях одинаковым, что под­тверждает определяющее влияние изменения параметров ячеистой струк­туры на характер деформации пенополимеров. Количественная оценка изменения условной прочности пенопласта в зависимости от величины остаточной деформации (рис.4.8) показывает довольно близкое соот-

Рис, 4,8. Зависимость услозного предела прочности при сжатии ППУ-Э ( 46 кг/м3) от величины остаточной деформации. Обозначения: О - расчёт; А - эксперимент.

Обозначения: О - расчёт; А - эксперимент.

- 183 -

Ветствие результатов, полученных расчётным и опытным путём. Нес­колько более резкое уменьшение критического напряжения сжатия (5^ с ростом остаточной деформации при снятии зависимости эксперимен­тальным путём обусловлено, вероятно, дополнительным наложением ре­лаксационных процессов в полимере-основе, что снизило несколько его жесткость. Подтверждением этого является более близкое соответ­ствие расчётных и опытных данных при оценке <5*Кр (рис.9), посколь­ку расчёты показывают, что эта характеристика определяется лишь па­раметрами ячеистой структуры и не зависит от свойств полимера-осно­вы. Наконец, расчёты предсказывают (рис.4.7) и эксперимент подтвер­ждает (рис. 4.6), что положение конечного участка диаграммы сжатия, соответствующего смятию тяжей, остаётся без изменения.

Таким образом, представленные в настоящем разделе данные позво­ляют при оценке деформативных свойств эластичных пенопластов опре­делить, в какой мере изменение параметров ячеистой структуры за счёт остаточной деформации влияет на зависимость (3"= ;/"(£) в условиях одноосного сжатия.