硬质聚氨酯在不同因素下的力学性能研究_刘松涛.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 1.0 0 1硬质聚氨酯在不同因素下的力学性能研究刘松涛1,郝 闪1,李思瑶2(1.黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨1 5 0 0 8 0;2.黑龙江大学建筑工程学院,哈尔滨1 5 0 0 8 0)摘 要:为了探究硬质聚氨酯在不同因素下的力学性能,设计单轴压缩实验,得到了两种表观密度、四种温度和四种加载速率下的聚氨酯应力-应变曲线。结果表明:聚氨酯的密度越大,其弹性模量和抗压强度越大;随着热处理温度升高,聚氨酯的抗压强度与弹性模量都逐渐降低;在一定范围内,加载速率对聚氨酯力学性能影响较小。关键词:硬质聚氨酯;单轴压缩实验;应力-应变曲线;抗压强度S t u d yo nS t r e s s-s t r a i nR e l a t i o n s h i po fR i g i dP o l y u r e t h a n eU n d e rD i f f e r e n tF a c t o r sL I US o n g-t a o1,HA OS h a n1,L IS i-y a o2(1.C o l l e g eo fH y d r a u l i ca n dE l e c t r i cP o w e r,H e i l o n g j i a n gU n i v e r s i t y,H a r b i n1 5 0 0 8 0,C h i n a;2.C o l l e g eo fA r c h i t e c t u r ea n dE n g i n e e r i n g,H e i l o n g j i a n gU n i v e r s i t y,H a r b i n1 5 0 0 8 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r i g i dp o l y u r e t h a n eu n d e rd i f f e r e n t f a c t o r s,a na x i a l c o m-p r e s s i o ne x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d,a n dt h es t r e s s-s t r a i nc u r v e so fp o l y u r e t h a n eu n d e r t w oa p p a r e n t d e n s i t i e s,f o u r t e m-p e r a t u r e sa n df o u r l o a d i n gr a t e sw e r eo b t a i n e d.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t:t h eh i g h e r t h ed e n s i t yo f p o l y u r e-t h a n e,t h eg r e a t e r i t se l a s t i cm o d u l u sa n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h;w i t ht h ei n c r e a s eo fh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e,t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u so fp o l y u r e t h a n eg r a d u a l l yd e c r e a s e;a n dt h e l o a d i n gr a t eh a sa l i t t l ee f f e c t o nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fp o l y u r e t h a n e i ns o m ee x t e n t.K e yw o r d s:r i g i dp o l y u r e t h a n e;a x i a l c o m p r e s s i o n;s t r e s s-s t r a i nc u r v e;c o m p r e s s i v es t r e n g t h收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 1.作者简介:刘松涛(1 9 9 6-),硕士生.E-m a i l:l i u s o n g t a o 9 61 6 3.c o m硬质聚氨酯因其重量轻、隔热性能好和高强度等特点,在机械、交通和医疗器械等众多领域被广泛运用1-4,在建筑领域的应用更是普遍5。近几年,中国直埋供热管道建设的不断发展,聚氨酯因具有良好的保温隔热性能被大量用于供热管道中,在降低管道热损耗的同时还能很好吸收管道释放的位移,但由于聚氨酯是注浆发泡而成,发泡质量难以控制;与此同时,由于与钢管外壁直接接触,聚氨酯会受到高温作用,因此该环境下的力学性能备受关注。众多研究表明,温度、表观密度和应变率都会影响聚氨酯的力学性能6,7,当聚氨酯需要承受荷载时,经常因为其材料力学性能达不到设计要求被舍弃,极大地限制了聚氨酯的应用。综上所述,聚氨酯在各种条件下的力学性能一直是高分子材料领域研究的热点,尤其表观密度、温度和应变率等各种因素对聚氨酯的力学性能影响受到众多学者的关注。董全霄等8研究了温度对聚氨酯的拉伸性能、黏结性能和动态力学性能的影响,并就聚氨酯各项力学指标的最适宜温度提出了探讨。张兆峰等9基于实验研究了环境温度对聚氨酯复合板力学性能的影响。郑新国等1 0探究了表观密度对聚氨酯的材料力学性能的影响,并通过电子显微镜观察了不同表观密度下聚氨酯内部气泡的数量。范俊奇等1 1为了研究高应变率下聚氨酯的力学性能,通过实验获得了相对应的应力-应变曲线,对其本构关系进行了拟合。通过单轴压缩实验,得到了两种密度、四种温度和四种应变率下聚氨酯的应力-应变曲线,并就聚氨酯的破坏过程和各因素对其力学性能的影响进行了探讨,为聚氨酯的实际工程应用和研究提供参考。1建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期1 实验概况1.1 试件制备图1为发泡后的成品聚氨酯大块试样经切割打磨而成的标准试样,左边是密度为6 0k g/m3的聚氨酯,表面粗糙,孔隙较多;而右边是密度为8 0k g/m3的聚氨酯,其表面相对光滑,密实紧凑。根据G B 8 8 1 32 0 0 8 硬质泡沫塑料压缩性能的测定 中规定,试样厚度选为(5 01)mm,受压面积尺寸为1 0 0mm1 0 0mm,上、下面都经砂纸打磨,两平行面的平行度公差不超过1%。1.2 主要实验设备微机控制电子式万能试验机:WDW-1 0 0 E型,济南时光有限公司;电热鼓风干燥箱:G Z X-9 2 4 0 MB E型,杭州良宇有限公司;自动切石机:S C Q-6型,姜堰先科机电制造公司。1.3 实验方法将制作好的试样分别放置在室温(2 32)、5 0、7 5和1 0 0四种环境温度下,为了使聚氨酯温度尽可能接近实验温度,在该环境中至少放置6h。如图2所示,将经过温度处理的试件放在MT S万能试验机进行单轴压缩实验,控制加载速率分别为0.5mm/m i n、1.0mm/m i n、1.5mm/m i n和2.0mm/m i n,观察实验过程中试件形态变化,同时绘制两种密度、不同温度和不同加载速率下的压缩应力-应变曲线。2 实验结果分析2.1 试件压缩时的形态变化特征如图3所示,随着轴向荷载的增大聚氨酯试块的变形越来越明显,主要破坏形式表现为试件的四侧出现折痕、外鼓内凹,且随着荷载的增加愈加明显,局部形变相当严重,但整个实验过程中试件始终没出现破裂。当轴向荷载撤去时,试块的部分变形逐渐恢复到初始状态,表明聚氨酯是一种良好的弹塑性材料。2.2 表观密度对聚氨酯力学性能的影响通过单轴压缩实验,获得两种密度聚氨酯在室温、加载速率为2mm/m i n下的应力-应变曲线如图4所示。可以看出,两种密度的聚氨酯应力-应变曲线变化规律基本相同,大致可划分为以下3个阶段:1)致密压实阶段。由于聚氨酯是一种多孔的材料,在轴向压力的作用下,孔隙被压缩使聚氨酯分子之间更加紧凑密实,该阶段应力-应变特征表现为随着轴向压力的增加其弹性模量也逐渐增加。2)线弹性阶段。当体内孔隙被完全压缩后,应力-应变关系呈线性变化。3)屈服阶段。随着应变的增加,聚氨酯应力基本保持不变,接近为一条水平线。其次,密度为8 0k g/m3的聚 氨 酯 抗 压 强 度 达 到6 5 0k P a左 右,而 密 度 为6 0k g/m3的聚氨酯其抗压强度只有4 0 0k P a,下降了近4 0%,线弹性阶段的弹性模量也明显更小,说明聚氨酯的力学性能受发泡水平影响,发泡越充分,其孔隙越多,弹性模量和抗压强度反而越低。2建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期2.3 温度对聚氨酯力学性能的影响图5为密度为8 0k g/m3、加载速率为1mm/m i n时分别在室温、5 0、7 5 和1 0 0 下的轴向压缩应力-应变曲线。可见,温度对聚氨酯应力-应变曲线仍可大致分为前文三个阶段。但经过高温处理后的聚氨酯,致密压实过程明显更加短暂,这可能是由于聚氨酯受热发生膨胀,孔隙体积被压缩,聚氨酯内部比较充实,从而很快进入了线弹性阶段。提取聚氨酯在不同温度下的极限抗压强度与弹性模量,总结其规律如图6、图7所示。随着温度的升高,聚氨酯抗压强度逐渐降低,当经过1 0 0 的高温处理后,抗压强度从常温的6 5 0k P a降到了4 5 0k P a,降幅约为3 0%;而弹性模量同样下降明显,从2 0.5MP a降到了1 2MP a,下降了近4 0%。可见,聚氨酯的力学性能受温度影响较大。2.4 加载速率对聚氨酯力学性能的影响图8为常温下密度为8 0k g/m3的聚氨酯在0.5mm/m i n、1.0mm/m i n、1.5mm/m i n和2.0mm/m i n四种加载速率下的应力-应变曲线,相比于温度的影响,加载速率对聚氨酯弹性模量与抗压强度影响较小,表明在一定范围内加载速率的影响可以忽略。3 结 论通过单轴压缩实验,得到了两种密度、四种温度和四种加载速率下的应力-应变曲线,总结其受压破坏特征和应力-应变曲线变化规律,得出以下结论。a.聚氨酯在轴向压力下不会出现明显破裂,其破坏形式主要为试件的四侧出现折痕,折痕外鼓内凹,呈现出良好的弹塑性材料力学特性。b.不同密度的聚氨酯应力-应变曲线形式大致相同,但弹性模量和抗压强度相差较大,聚氨酯的密度对力学性能影响很大。c.随着温度增加,聚氨酯抗压强度与弹性模量逐渐减小;在一定范围内,加载速率的影响可以忽略。3建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期参考文献1 刘厚钧,孙清峰,陈海良.我国聚氨酯合成材料运动场地面层的发展和现状J.聚氨酯工业,2 0 2 2,3 7(1):4-7.2 S h a r i f p o o rS,L a b o w RS,S a n t e r r eJP.S y n t h e s i sa n dC h a r a c t e r i z a t i o no fD e g r a d a b l eP o l a rH y d r o p h o b i cI o n i cP o l y u r e-t h a n eS c a f f o l d s f o rV a s c u l a rT i s s u eE n g i n e e r i n gA p p l i c a t i o n sJ.