大變形壓縮條件下聚氨酯彈性體的力學(xué)性能研究

張瑞杰，張一帆，張 凡，徐 進(jìn)，陳建港，孫寶龍，張慧莉

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.四川奧思特邊坡防護(hù)工程有限公司， 四川 成都 610000)

聚氨酯彈性體是一種介于塑料和橡膠之間的新型高分子材料[1-8]。聚氨酯彈性體具有硬度范圍寬、強(qiáng)度高、富有彈性、耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐輻射、耐低溫等特性，因此在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[9-16]。聚氨酯彈性體具有很好的回彈性能，同時(shí)能夠消除變形帶來(lái)的能量，這給聚氨酯彈性體帶來(lái)了廣闊的應(yīng)用空間，對(duì)聚氨酯彈性體進(jìn)行力學(xué)性能和吸能的研究具有重要意義。在對(duì)聚氨酯彈性體力學(xué)性能的研究中，高拉伸強(qiáng)度且回彈性能效果明顯被許多研究者進(jìn)行研究[17-22]。然而，在壓縮試驗(yàn)中，聚氨酯彈性體表現(xiàn)出同樣優(yōu)秀的緩沖吸能特性。聚氨酯彈性體的抗壓緩沖吸能特性也擁有廣闊的應(yīng)用空間，例如：滑坡、地震等自然災(zāi)害給人們帶來(lái)了極大的危害[23-25]，可以利用聚氨酯彈性體的減振緩沖性能制作減振、吸能材料。

趙華等[26]研究了聚氨酯彈性體材料在壓縮變形時(shí)的應(yīng)變率相關(guān)特性，考慮了不同壓縮應(yīng)變率的響應(yīng)特征，建立了聚氨酯彈性體材料的非線性粘彈本構(gòu)模型。劉高沖等[27]通過(guò)對(duì)聚氨酯彈性體進(jìn)行擬靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載條件下的單軸壓縮試驗(yàn)，從應(yīng)變能密度函數(shù)形式與試驗(yàn)曲線形狀之間的關(guān)系，提出了一種以“三項(xiàng)式”形式的應(yīng)變能函數(shù)得到應(yīng)變率的本構(gòu)模型。信支援等[28]通過(guò)對(duì)改性聚氨酯彈性體性能測(cè)試，對(duì)壓縮永久變形的影響因素進(jìn)行了分析。張英琦等[29]同樣通過(guò)動(dòng)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，考慮了溫度的影響，提出了一種聚氨酯彈性體材料含溫度效應(yīng)項(xiàng)的粘-超彈本構(gòu)模型。Nahuel等[30]通過(guò)對(duì)聚氨酯彈性體進(jìn)行單軸壓縮和循環(huán)單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)比Arruda-Boyce和Bergstrom-Boyce兩種本構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)，兩者都適用于單軸壓縮試驗(yàn)，而后者同樣適用于循環(huán)單軸壓縮試驗(yàn)。對(duì)于聚氨酯彈性體受壓力學(xué)性能主要是強(qiáng)度和永久變形等方面[31-33]，對(duì)于大變形條件下的力學(xué)性能的研究還比較少。

通過(guò)擬靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)得圓柱和立方體兩種不同形狀的聚氨酯彈性體在單次受壓和三次重復(fù)受壓情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及在十次重復(fù)壓縮試驗(yàn)下應(yīng)變?yōu)?.5和0.7的壓力值和吸能值，對(duì)聚氨酯彈性體的力學(xué)性能進(jìn)行研究，并且比較重復(fù)壓縮情況下吸能效果的變化，為以后的相關(guān)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 聚氨酯彈性體材料的合成

原材料：聚己內(nèi)酯多元醇：EG起始，牌號(hào)為2202，質(zhì)量份數(shù)為100；MDI，純MDI和液化MDI按照質(zhì)量比8:1比例進(jìn)行混合，質(zhì)量份數(shù)為52；擴(kuò)鏈劑1,4丁二醇，質(zhì)量份數(shù)為25.5。

制備過(guò)程：將聚己內(nèi)酯多元醇在120℃脫水2 h，溫度降到75℃時(shí)，加入混合好的MDI，攪拌加熱至80℃，抽真空進(jìn)行反應(yīng)4 h，制得預(yù)聚體；在預(yù)聚體中加入1,4丁二醇擴(kuò)鏈劑，加熱到110℃，攪拌均勻后，澆筑入100℃的模具，升溫至120℃，保持72 h。等模具降溫至室溫后拆模，在空氣中后熟化15 d。

1.1.2 聚氨酯彈性體材料的基本特性

本次試驗(yàn)采用的聚氨酯(PU)彈性體是圓柱體和立方體兩種形狀的澆注型聚氨酯彈性體。表1和表2分別是圓柱體和立方體試件的材料參數(shù)(尺寸的誤差范圍在±5 mm，硬度的誤差參數(shù)在±5HA)。

圖1 試驗(yàn)試樣

表1 圓柱參數(shù)

表2 立方體參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

擬靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)的主要儀器有：量程為2 000 kN，精度為0.01 kN的液壓式試驗(yàn)機(jī)和邵氏A硬度計(jì)。前者進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)控制荷載速率為0.2 kN/s，后者測(cè)量硬度。分別對(duì)圓柱和立方體聚氨酯彈性體各進(jìn)行十次重復(fù)壓縮試驗(yàn)，利用前三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算并繪制聚氨酯彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、吸能特性曲線，記錄十次試驗(yàn)應(yīng)變?yōu)?.5和0.7時(shí)的應(yīng)力值，計(jì)算十次試驗(yàn)中應(yīng)變?yōu)?.5和0.7時(shí)聚氨酯彈性體吸收的能量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試樣外觀變化

圖2為聚氨酯彈性體壓縮試驗(yàn)中試樣狀態(tài)。由圖2可知，十次大變形壓縮實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有將試樣破壞。聚氨酯彈性體有很好的彈性，實(shí)驗(yàn)剛結(jié)束，圓柱體試樣就已經(jīng)基本回復(fù)成原樣，而立方體試樣則出現(xiàn)了較明顯的變形。將兩種試樣放置一段時(shí)間，圓柱體試樣和立方體試樣均能基本恢復(fù)為原來(lái)的形狀。

2.2 力學(xué)特性

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變特性

圖3為聚氨酯彈性體前三次受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可知，圓柱體聚氨酯彈性體和立方體聚氨酯彈性體表現(xiàn)出相同的應(yīng)力應(yīng)變特性。聚氨酯彈性體的應(yīng)力在開(kāi)始階段隨著應(yīng)變的變化呈線性增加，而后隨著應(yīng)變的變化呈非線性增加。整體變化分為三個(gè)階段：線性變形階段，應(yīng)變?cè)黾铀俾蚀蠖鴳?yīng)力增加速率??；塑性變形階段，應(yīng)力的增加速率增大而應(yīng)變?cè)黾铀俾式档停粡?qiáng)化壓實(shí)階段，應(yīng)變?cè)黾铀俾蔬M(jìn)一步降低而應(yīng)力增加速率很大。應(yīng)變逐漸增大，直到達(dá)到0.8左右時(shí)不再變化，此時(shí)聚氨酯彈性體被成密實(shí)狀態(tài)。

比較前三次應(yīng)力應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，第一次的應(yīng)力值大于其它兩次的應(yīng)力值，幾乎貫穿整個(gè)受力過(guò)程，直到聚氨酯彈性體試樣被壓實(shí)才發(fā)生變化。這是因?yàn)榫郯滨椥泽w在合成時(shí)，內(nèi)部部分物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成塑性膠結(jié)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，在外力作用下會(huì)發(fā)生破壞，且破壞后無(wú)法恢復(fù)。從圖3可以看出，聚氨酯彈性體內(nèi)部塑性膠結(jié)結(jié)構(gòu)想要被完全破壞需要的試驗(yàn)次數(shù)并不統(tǒng)一，立方體聚氨酯彈性體在經(jīng)歷一次大變形壓縮試驗(yàn)后內(nèi)部的塑性膠結(jié)結(jié)構(gòu)基本被破壞，變成彈性體，其特征是在之后兩次壓縮試驗(yàn)中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合。而圓柱體聚氨酯彈性體經(jīng)過(guò)一次壓縮試驗(yàn)還存在少部分膠結(jié)結(jié)構(gòu)，后兩次試驗(yàn)曲線未完全重合。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2.2 疲勞特性

圖4為聚氨酯彈性體應(yīng)變分別為0.5和0.7的十次重復(fù)壓縮的應(yīng)力變化曲線。聚氨酯彈性體受壓應(yīng)力隨著壓縮次數(shù)的增加而降低，當(dāng)應(yīng)變不同時(shí)應(yīng)力的變化情況又略有不同。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.5時(shí)，第一次壓縮應(yīng)力明顯高于其它幾次，之后幾次試驗(yàn)，隨著壓縮次數(shù)的增加，應(yīng)力降低幅度很??；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.7時(shí)，前兩次試驗(yàn)引力降低幅度很大，之后幾次試驗(yàn)應(yīng)力明顯呈下降趨勢(shì)，立方體試樣在經(jīng)過(guò)多次壓縮(6次)，應(yīng)力有趨于穩(wěn)定的跡象。在大變形壓縮條件下，聚氨酯彈性體中的膠結(jié)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一次(應(yīng)變?yōu)?.5)或者多次(應(yīng)變?yōu)?.7)受力基本被破壞。表3為聚氨酯彈性體十次受壓應(yīng)變?yōu)?.5和0.7對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.5時(shí)，前兩次試驗(yàn)應(yīng)力值降幅為圓柱體49.9%、立方體53.3%，圓柱體和立方體試樣第十次比第二次降低了18.4%，22.2%；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.7時(shí)，圓柱體和立方體前兩次試驗(yàn)應(yīng)力值降幅分別為20.55%、37.93%，圓柱體和立方體試樣第十次比第二次降低了28.46%、40.85%。這說(shuō)明在大變形壓縮條件下，塑性膠結(jié)對(duì)小應(yīng)變影響較大，排除塑性膠結(jié)的影響，則壓縮變形越大，對(duì)材料的損害也越大，材料強(qiáng)度降低也越大?？傮w而言，聚氨酯彈性體受壓低應(yīng)變壓力變化逐漸維持穩(wěn)定，高應(yīng)變有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，表現(xiàn)出了良好的耐疲勞性。

圖4 重復(fù)壓縮應(yīng)力變化曲線

表3 重復(fù)壓縮應(yīng)力值

3 吸能特性

聚氨酯彈性體是一種優(yōu)秀的吸能材料，受壓時(shí)可以像彈簧一樣發(fā)揮作用。為了能夠反映聚氨酯彈性體的吸能效果，本次試驗(yàn)通過(guò)分析聚氨酯彈性體在受壓時(shí)吸能特性，繪制了圓柱體和立方體聚氨酯彈性體受壓過(guò)程中吸能特性曲線以及在十次重復(fù)壓縮下應(yīng)變?yōu)?.5和0.7吸能值(W0.5、W0.7)變化曲線。圖5分別為圓柱體和立方體聚氨酯彈性體前三次受壓吸能特性變化曲線。聚氨酯彈性體的吸能值隨著應(yīng)變的增加呈非線性增加。能量的吸收主要發(fā)生在后兩個(gè)階段，這是由于試樣受壓有較長(zhǎng)的塑性變形平臺(tái)和強(qiáng)化壓實(shí)區(qū)，變形較小即可吸收大量能量。由于聚氨酯彈性體中存在不穩(wěn)定的塑性膠結(jié)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)受壓破壞時(shí)吸收大量能量，造成了第一次受壓吸能值明顯要大于其它幾次。

圖5 吸能特性曲線

表4 重復(fù)壓縮吸能值

圖6為聚氨酯彈性體應(yīng)變?yōu)?.5和0.7的十次重復(fù)壓縮吸能變化曲線。大變形壓縮條件下，隨著壓縮次數(shù)的增加，聚氨酯彈性體吸能逐漸減少，但降低幅度逐漸減小。應(yīng)變較小時(shí)，吸能隨著壓縮次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定或者降低很少。無(wú)論是圓柱體還是立方體聚氨酯彈性體第一次壓縮吸能效果明顯好于其他幾次，且前兩次吸能值降幅最大：當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.5時(shí)，圓柱體試樣吸能降幅為58.95%，立方體試樣吸能降幅為60.09%；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.7時(shí)，圓柱體試樣吸能降幅為50.88%，立方體試樣吸能降幅為52.85%。第二到第十次吸能變化幅度逐漸減小，第二次受壓吸能到第十次受壓吸能的降幅為：圓柱體降幅21.53%(應(yīng)變?yōu)?.5)、20.37%(應(yīng)變?yōu)?.7)；立方體試樣33.62%(應(yīng)變?yōu)?.5)、37.73%(應(yīng)變?yōu)?.7)。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)大變形壓縮試驗(yàn)，聚氨酯彈性體仍能保持良好的吸能特性。

圖6 重復(fù)壓縮吸能變化曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)圓柱體和立方體聚氨酯彈性體進(jìn)行大變形重復(fù)壓縮試驗(yàn)并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1) 大變形重復(fù)壓縮條件下，聚氨酯彈性體表現(xiàn)出了優(yōu)秀的彈性、力學(xué)性能和吸能特性。

(2) 不同形狀的聚氨酯彈性體表現(xiàn)出的力學(xué)性能一致，表現(xiàn)出明顯的非線性；重復(fù)壓縮試驗(yàn)可以破壞聚氨酯彈性體中不穩(wěn)定的塑性膠結(jié)，此后應(yīng)力應(yīng)變特性保持統(tǒng)一。

(3) 聚氨酯彈性體有良好的耐疲勞性能。低應(yīng)變(應(yīng)變?yōu)?.5)在重復(fù)試驗(yàn)下應(yīng)力趨于穩(wěn)定；高應(yīng)變(應(yīng)變?yōu)?.7)在重復(fù)實(shí)驗(yàn)下應(yīng)力逐漸減小，因試驗(yàn)次數(shù)較少而無(wú)法判定是否會(huì)像低應(yīng)變一樣趨于穩(wěn)定。

(4) 聚氨酯彈性體吸能主要發(fā)生在塑性變形階段和強(qiáng)化壓實(shí)階段；塑性膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞能為聚氨酯彈性體吸收大量能量；多次重復(fù)試驗(yàn)聚氨酯彈性體吸能特性趨于穩(wěn)定，且仍能吸收大量能量。