Введение
Благодаря своей низкой плотности пенопласты имеют широкий спектр применения. Мягкие пенопласты используются, например, в качестве амортизирующего материала, для акустического демпфирования или защиты от дребезга. Жесткие пенопласты, в частности, используются в качестве изоляционных материалов, в подошвах обуви или в качестве наполнителей в композитных структурах. Когда основное внимание уделяется теплоизоляционному эффекту или стойкости материала к различным условиям окружающей среды, обычно используются пенопласты с закрытыми порами. Мягкие пенопласты, с другой стороны, обычно имеют открытые ячейки, что позволяет газу выходить из отдельных ячеек и, таким образом, позволяет пенопласту подвергаться большему упругому сжатию.
Как правило, многие полимеры подходят в качестве исходных материалов для пенопластов. Особенно широко используются пенопласты на основе вспененного полистирола или полиуретана (PUR-). В зависимости от способа производства различные полиуретановые пенопласты могут обладать совершенно разными свойствами. Плотность и степень сшивки пенопластов сильно зависят от количества пенообразователя (воды), добавления дополнительных добавок, а также от длины цепи исходных материалов, что позволяет получить широкий диапазон от мягких до очень жестких пенопластов.
Для определения механических свойств хорошо зарекомендовали себя испытания с помощью универсальных разрывных тестеров classic. Наряду с поведением при статической деформации, демпфирование пенопласта часто имеет большое значение для применения. Здесь DMA может внести ценный вклад, регистрируя все вязко-упругое поведение пены. В данном материале в качестве примера исследуется мягкая полиуретановая пена с открытыми порами.
Статические испытания
При статических (квазистатических) испытаниях с помощью высокосильного DMA GABO Eplexor® 500 N, как в универсальном тестере, прикладывается медленно меняющаяся нагрузка и измеряются возникающие усилия и деформации. В соответствии с обычными ситуациями при монтаже пенопластов, измерения обычно проводятся в режиме сжатия.
На рис. 1 показан ненагруженный образец слева и сжатый образец справа, в разделе Eplexor®. Можно заметить, что происходит только относительно small поперечная деформация, и в начальном приближении можно предположить, что материал полностью сжимаемый.
Сначала записываются кривые статического напряжения и деформации. Чтобы исключить разовые эффекты, образец пенопласта обычно нагружают и разгружают дважды, поэтому на рисунке 2 показан только второй цикл нагружения.
Здесь показана трехсторонняя кривая "напряжение-деформация", типичная для мягкоупругих пенопластов; например, сравните с (Keller, 2019). При относительно small деформациях ячейки деформируются незначительно, и материал ведет себя приблизительно линейно-упруго. С увеличением деформации ячейки пенопласта с открытыми порами разрушаются. Поскольку при этом из ячеек должен выходить воздух, результаты зависят от скорости деформации. В этой области плато напряжение, необходимое для деформации, увеличивается медленно. При очень высоких уровнях деформации (здесь начиная примерно с 50 %) ячейки, которые уже разрушились, еще больше сжимаются, и напряжение снова возрастает более резко. При последующей разгрузке требуемые напряжения лишь немного снижаются из-за произошедшей за это время диссипации энергии, и возникает типичный гистерезис.
Согласно ISO 3386, твердость при сжатии определяется как необходимое напряжение при увеличении деформации на 40 %; в данном случае твердость при сжатии составляет σd 40 = 0,12 МПа. Область гистерезиса позволяет грубо оценить демпфирование материала. Демпфирующая способность пенополиуретанов значительно различается.
На рисунке 3 схематично показаны различные кривые гистерезиса. В соответствии с их демпфирующей способностью пенополиуретаны можно разделить на medium демпфирующие (тип A), сильно демпфирующие (тип B) и слабо демпфирующие (тип C). Соответственно, исследуемый образец может быть отнесен к типу С.
В качестве альтернативы нагружению всей поверхности, используемому здесь, часто проводятся испытания пенопластов на проникновение. В этом случае вместо верхнего стержня в образец вдавливается меньшее тело. Сила, необходимая для этого, называется твердостью вдавливания.
Динамическое тестирование
При статической развертке DMA на каждом шаге прикладывается статическая нагрузка, а затем в этом состоянии проводится эксперимент по динамическим колебаниям. Таким образом, модуль Юнга может быть измерен непосредственно в этой точке и, следовательно, демпфирование также может быть локально определено.
Образец пены снова статически растягивается с шагом до 70 %. На рисунке 4 видно то же поведение, что и в статических испытаниях: При деформации small образец ведет себя примерно линейно, но затем с увеличением деформации развивается дегрессивная пружинная характеристика. Окончательное сжатие снова характеризуется жесткостью пружины, которая увеличивается с ростом статической деформации и поэтому может быть охарактеризована как прогрессивная жесткость пружины.
С помощью DMA можно измерить модуль Юнга в каждой точке в результате динамических колебаний. Как и ожидалось, модуль первоначально падает в области small деформаций, затем становится относительно постоянным и, наконец, снова возрастает при увеличении сжатия. Таким образом, модуль, измеренный с помощью DMA, ведет себя точно так же, как и касательный модуль после статического испытания.
При использовании оборудования для механических испытаний модуль Юнга образца не измеряется напрямую, а сначала определяется коэффициент жесткости на основе измеряемых усилий и деформаций. В зависимости от геометрии образца и модели материала рассчитывается модуль Юнга. Поскольку пена ведет себя как в значительной степени сжимаемый материал, площадь поперечного сечения при деформации заметно не изменяется. Соответственно, можно рассчитать напряжение, действующее на образец; оно всегда выражается как:
σ = F/A0
Здесь F - сила, а A0 - номинальное начальное поперечное сечение.
Поскольку длина образца значительно изменяется, динамическая деформация всегда должна быть связана с текущей длиной образца, т.е,
ε = ΔL/Lm
с деформацией ΔL и текущей длиной образца Lm. Это дает геометрический фактор для расчета модуля упругости как Lm / A0.
Этот коэффициент обычно действителен для сжимаемых материалов и может быть выбран непосредственно в программе Eplexor®.
При статических испытаниях можно охарактеризовать демпфирующее поведение пены на основе гистерезиса всей деформации. DMA позволяет получить более точные характеристики, так как локальное демпфирование может быть определено для каждой статической нагрузки. Становится ясно, что пена обладает лишь низкой демпфирующей способностью в диапазоне деформаций small. Демпфирование (здесь tan δ) остается относительно постоянным в области плато, а затем снова увеличивается в области сжатия. Таким образом, DMA позволяет правильно определить демпфирующую способность в нагруженном состоянии.
Нелинейное поведение материала полностью аналогично при увеличении амплитуды динамических колебаний. На рисунке 5 показан соответствующий гистерезис цикла динамических колебаний (с амплитудой динамической деформации 10 %) при различных уровнях статической деформации. Модуль Юнга снова определяется по наклону диаграммы "напряжение-деформация". Видно, что жесткость сначала уменьшается в диапазоне small статических деформаций (дегрессивная жесткость), а затем снова увеличивается при large деформациях (прогрессивная жесткость). При large динамических амплитудах это поведение также проявляется в деформации гистерезиса. Увеличение демпфирования при статической предварительной нагрузке также можно заметить в large области гистерезиса.
Температурное поведение
Наряду с измерением механического нелинейного поведения материала, DMA GABO Eplexor®, в частности, позволяет проводить термомеханический анализ. Таким образом, анализы, проведенные ранее, также возможны при повышенных температурах или температурах ниже точки замерзания. Термическая характеристика в основном проводится в линейном диапазоне амплитуд small. Из-за сильного изолирующего эффекта пены была выбрана низкая скорость нагрева - 2 К/мин.
Наряду с непосредственным температурным поведением часто интерес представляют свойства материала на частотах, недоступных для непосредственного измерения. Это относится, например, к использованию пены для акустического демпфирования. Здесь для построения эталонных кривых может быть использован метод временно-температурной суперпозиции. Это также позволяет сделать выводы о поведении материала на гораздо более высоких частотах.
Резюме
DMA GABO Eplexor® 500 N обладает достаточным запасом силы для измерения пенопластов значительных размеров, чтобы можно было охарактеризовать нелинейное и зависящее от времени механическое поведение. В дополнение к информации, получаемой с помощью диаграммы "напряжение-деформация", DMA можно использовать для определения жесткости и демпфирования в сжатом состоянии. Кроме того, с помощью DMA можно определить температурные характеристики, а также модуль Юнга на высоких частотах. Это позволяет определять характеристики пенопластов для различных сценариев применения.