Файл: Свойства и применение вспененных пластических масс [сборник статей]..pdf

макроструктуры на теплоизоляционные свойства пеноматериалов [37—38] удовлетворительно согласовывались с результата­ ми, полученными расчетным путем. Например, при изоляции хо­ лодильников жестким 11ПУ толщиной 5 см через 10 лет службы было обнаружено увеличение коэффициента теплопроводности на 16% [39].

Таким образом, к настоящему времени накоплено довольно много экспериментальных данных по оценке свойств отдельных рецептур ППУ. Однако, из-за недостаточного учета специфики ячеистой структуры, связанной с необходимостью контроля мно­ гих её параметров, неоднородности пеноматериалов и т. п., час­ то вносится неопределенность в их интерпретацию, в результа­ те чего до сих пор влияние ячеистой структуры на свойства ППУ остается мало изученным. Поэтому задача установления связи между характеристиками макроструктуры и свойствами ППУ до сих пор сохраняет свою актуальность.

Макроструктуру ППУ образуют ячейки, изолированные друг от друга, или сообщающиеся между собой и с окружающей ат­ мосферой. В обычном ППУ низкого об. в. ячейки имеют форму почти правильного многогранника. Исследователи часто назы­ вают их 14-гранными [42]. Некоторые грани имеют форму четы­ рехугольника, другие—шестиугольника. Часть граней изогнуты. Тяжи не искривлены и входят своими концами в общие узлы. Из одного узла выходит обычно 4 тяжа. Преобладающая доля полимера — основы сосредоточена в тяжах и незначительная — в оболочках ячек. Ориентация тяжей в различных направлениях довольно равномерная (беспорядочная). Анизотропия пеноплас­ та обеспечивается вытянутостью ячеек в направлении вспени­ вания, что вызвано удлинением тяжей в этом направлении.

Объёмное содержание полимера в ППУ, размеры и степень замкнутости ячеек, их вытянутость могут меняться в больших пределах. Причем, в настоящее время возможно направленное регулирование параметров ячеистой структуры.

У ППУ повышенного об. в. (с объёмным содержанием поли­ мера— основы>30%) стержневая структура выражена слабее и ячейки имеют, в основном, овальную форму.

Одной из основных особенностей ячеистой структуры ППУ, как и других пенопластов, является довольно значительная не­ однородность её параметров. Это вызывает чато дополнитель­ ные трудности в определении параметров макроструктуры и свойств пенопластов.

Знание механизма деформирования элементов макрострукту­ ры и характера ее разрушения позволяет не только качествен­ но правильно интерпретировать особенности механического по­ ведения ППУ, но и дает предпосылки для разработки расчетной

модели.

На рис. 1 представлены основные виды диаграмм сжатия образцов, характерные для жестких пенопластов.

76

Анализ диаграмм сжатия показывает, что у легких жестких ППУ наблюдается, как правило, три четко выраженных участ­ ка зависимости сгСж = /(е ): 1) крутой начальный участок, 2) па­ дение нагрузки, плато, либо небольшой рост ее на втором участ­ ке и 3) последний участок сильного возрастания нагрузки (на

Рис. 1. Характерные виды разрушения жестких пенопластов при одноос­ ном сжатии (при температуре 20°С).

а) пеноизовинил ( у —0,062 г/см8);

б) ППУ-3 (V™0,049 г/см8);

в) вннипор полужесткий*(V —0,128 г/см8);

г) ПЭ-5 (V —0,41 г/см8); д) ППУ-3 ( у —0,56 г/см8)

рис. 1 он не представлен). Экспериментальные данные позво­ ляют интерпретировать их следующим образом: 1-й участок отражает сжатие и изгиб тяжей и стенок ячеек до достижения ими потери устойчивости; на 2-ом участке тяжи теряют устой­ чивость и разрушаются, либо изгибаются за счет вынужденно­ эластической деформации, что приводит к резкому падению нагрузки в первом случае и возникновению плато, или некото­ рому росту нагрузки во втором случае; на 3-м участке происхо­ дит окончательное смятие разрушенных ячеек и постепенный переход к сжатию полимера. Поведение пенопластов повышен­ ной плотности более близко к поведению монолитных пласт­ масс.

Легкие эластичные пенопласты имеют три основных вида диаграмм сжатия. Первый вид диаграмм характерен для пено­ пластов типа открытопористого эластичного ППУ и отличается наличием: 1) крутого начального участка, 2) плато на втором участке, 3) последний участок — сильного возрастания нагруз­ ки. Второй вид диаграмм сжатия характерен для эластичных пенопластов типа эластичного пенополивинилхлорида и отлича­ ется от предыдущего лишь довольно медленным ростом нагрузки на втором участке (вместо плато). Третий вид диаграмм сжатия характерен для эластичных пенопластов типа пеноэласта и от­ личается от предыдущих диаграмм непрерывным, довольно

77

плавным ростом нагрузки, в результате чего практически не­ возможно выделить какие-либо участки на диаграмме. Экспери­ ментальные данные позволяют интерпретировать особенности хода кривых на диаграммах. Начальный участок кривой на диаграмме первого вида объясняется сжатием и изгибом тяжей и стенок ячеек пенопласта до достижения ими потери устойчи­

дополнительное упругое действие газа внутри замкнутых ячеек. У пенопластов, имеющих третий вид диаграмм сжатий, жест­ кость полимерной основы значительно меньше упругого дейст­ вия давления газа внутри замкнутых ячеек, что резко меняет характер диаграмм.

Иначе ведут себя при сжатии эластичные пенопласты по­ вышенного об. в. Так, с увеличением объёмного содержания полимера-основы до ^30% , 2-й участок на диаграммах сжатия вырождается совсем.

Таким образом, экспериментальное рассмотрение характе­ ра деформации пенопластов при сжатии показало определяю­ щее влияние параметров ячеистой структуры на механические свойства этих материалов.

В работах Гента и Томаса [44—45] была предпринята одна из первых попыток теоретического рассмотрения механизма деформирования пеноматериалов на примере пенокаучука. Вы­ полненный ими расчет модели в виде кубической решетки по­ зволил установить зависимость сжимающей нагрузки от дефор­ мации образца в следующем виде:

разцов, причем модель в форме кубической решетки принципи­ ально не отражает анизотропии механических свойств этих ма­ териалов. Поэтому авторами [23] была предложена 6-гранная модель ячейки, у которой стержни, расположенные в двух вза­ имно перпендикулярных направлениях, могут иметь начальную

78

кривизну. Расчет этой модели позволил определить зависимость механического напряжения при сжатии от деформации образца:

а2 — 1

/

У "(а 2+ 1)2 — 4а2 (1— е)2

Рис. 2г Моделирование ячеистой структуры пено­ полиуретанов.

а) 1.4 — гранная модель ячейки; б) взаимное расположение тяжей при образовании

структуры 14*гранных ячеек.

Дальнейшее сопоставление опытных и расчетных данных об­ наружило, что хотя усовершенствованная 6-гранная модель учитывает анизотропию ППУ и объясняет некоторые особен­ ности характера деформации этих материалов, она в ряде слу­ чаев не дает удовлетворительных результатов, например, упру­ гие и прочностные характеристики оказываются завышенными; расчетные диаграммы имеют одинаковый вид (плато на 2-м участке диаграмм сжатия).

. Учитывая изложенное, нами была предложена [46—47] 14-гранная модель ячейки ППУ (рис. 2). Отличительным приз­ наком её является возможность изгиба тяжей даже при докритических нагрузках. Как видно из рис. 2, ячеистую структуру этого типа образуют стержни, соединенные в квадраты. Сосед­ ние квадраты соединяются друг с другом по углам только во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 26). При этом у анизотропного ППУ диагонали ромбов в направлении вспени­ вания удлиняются. Были выполнены расчеты диаграмм сжатия изотропных Г1ПУ.

79

Предполагалось, что тяжи квадратного сечения заделаны в

потерю устойчивости тяжей, входящих своими концами в один узел, считаем, что тяжи работают в режиме продольно-попереч­ ного изгиба по схеме с одним защемленным концом. Расчеты 14-гранной ячейки ППУ позволяют записать обобщенную фор­ мулу диаграмм сжатия:

18

1-----В -_ ! (,+^ L P )

\ Узакр/

80