1、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。
2、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
3、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
4、 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
5、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
6、 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、-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
12、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-
13、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 0
14、k 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
15、 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
16、,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.
