Механика композитных материалов 3 1983

ненаполнеиных полиамидах, диффузионно стабилизированных хингидроном, где, несмотря на усовершенствование структуры поверхностного слоя, наблюдалось повышение скорости протекания релаксационных процессов [5].

К неожиданным результатам привела диффузионная стабилизация йодистым калием. Хотя повышение несущественное (см. табл.), по Е(1) видна явная тенденция к замедлению скорости протекания релак­ сационных процессов. Аморфизация поверхностного слоя, сопровожда­ ющая диффузионную стабилизацию йодидами и в случае ненаполненных полиамидов приводящая к ускорению процесса релаксации напря­ жений [6], для стеклонаполненного полиамида имеет меньшее значение. В данном случае, видимо, выявляются структурообразующие свойства йодистого калия, вызывающего образование комплексов [1], что может явиться причиной замедления протекания релаксационных процессов. Такое явление было отмечено при введении йодистого калия в массу [6].

Замеченные изменения вязкоупругого поведения стеклонаполненного ПА6 при диффузионной стабилизации связаны именно с присутствием стабилизатора (хингидрона или йодистого калия) в поверхностном слое, так как термообработка при режимах термофиксации (1 ч. воз­ духа при 160°С) практически не оказывает влияния на Е0 и E(t) (см. табл.).

Диффузионная стабилизация хингидроном и йодом приводит к из­ менению зависимости а(/)~^, в результате чего меняются все пара­ метры ядра релаксации (см. табл.). Как видно из спектров времен релаксации, определенных путем аппроксимации экспериментальных данных узкого временного интервала параболой, и последующего под­

счета /7(1пт) = | Е — , основное влияние диффузионной

стабилизации на вязкоупругие свойства проявляется при малой про­ должительности эксперимента (до 1пт = 2,5), где скорость протекания релаксационных процессов снижается. Большое влияние на временную зависимость вязкоупругих свойств стабилизированного стеклонаполнен­ ного полиамида оказывают релаксационные процессы с временами ре­ лаксации 1пт>9 независимо от способа диффузионной стабилизации (рис. 2). Это тоже косвенно подтверждает образование на поверхност­ ном слое при диффузионной стабилизации более упорядоченных струк­ турных единиц.

Рис. 1. Дифрактограммы стеклонаполненного ПА6 контрольного (7), стабилизирован­ ного хингидроном (2), йодистым калием (3) и в моторном масле (4).

Рис. 2. Спектры времен релаксации стеклонаполненного полиамида, диффузионно ста­ билизированного йодистым калием (У), хингидроном (2 ) и исмодифицнрованного (3).

Рис. 3. Зависимость ударной вязкости стеклонаполненного ПА6, диффузионно ста­ билизированного хингидроном, от скорости охлаждения после термофиксацни.

Существенные отличия в тенденции изменения свойств стеклонапол­ ненного ПА6 при его диффузионной стабилизации по сравнению с ненаполненным отмечены при исследовании ударной упругой вязкости при изгибе. При диффузионной стабилизации хингидроном, приводя­ щей к существенному повышению ударной вязкости ненаполненных полиамидов [1], в случае стеклонаполненного полиамида наблюдается лишь некоторое повышение ударной вязкости при значительном увели­ чении разброса экспериментальных данных (см. табл.). •Дальнейшие исследования показали резкую зависимость ударной вязкости от ско­ рости охлаждения после термофиксации (рис. 3). При резком охлаж­ дении (окунанием, в тающий снег) ударная вязкость падала до

мах поверхностного слоя быстро и медленно охлажденных образцов значительных различий не обнаружено. Однако, как и в случае иссле­ дования вязкоупругих свойств, особенности изменения ударной вязкости связаны с присутствием стабилизатора в поверхностных слоях. Если провести термообработку нестабилизированных образцов в режиме термофиксации, высокая ударная вязкость наблюдается и при быстром охлаждении образцов (см. табл.). В связи с этим нами исследована еще одна система диффузионной стабилизации.

Диффузионная стабилизация в масле ДП-11 [5] (1 ч. при 180°С без термофиксации) приводит к формированию а-кристаллической мо­ дификации в поверхностном слое (кривая 2 рис. 1) и по влиянию на вязкоупругие свойства аналогична диффузионной стабилизации хингид­ роном, но по влиянию на ударную прочность гораздо менее эффективна. Влияние скорости охлаждения на ударную вязкость отмечено и для этого случая стабилизации, а также при стабилизации йодистым ка­ лием (см. табл.). Если рассматривать значения ударной вязкости, по­ лученные диффузионной стабилизацией с малой скоростью охлаждения после термофиксации, можно заметить, что системы диффузионной ста­ билизации, содержащие активные структурообразователи, эффективнее.

Проведенные исследования подтвердили, что диффузионная стаби­ лизация стеклонаполненного полиамида имеет свои особенности. Вопервых, присутствие армирующего наполнителя — стекловолокна — влияет на процессы структурообразования при диффузионной стабилизации. При стабилизации хингидроном наблюдались более глубокие структурные превращения, в результате чего повысилось зна­ чение EQ и не наблюдалось ожидаемого увеличения E(t). При стабили­ зации йодистым калием отмечены даже некоторые изменения тенденции структурных изменений — во-первых, наблюдалась не столь глубокая аморфизация кристаллической структуры поверхностного слоя, судя по изменению вязкоупругих свойств (сдвиг спектра' времен релаксации) — формирование более упорядоченной, хотя и дефектной (низкие значе­ ния йь) структуры. Во-вторых, присутствие наполнителя создает усло­ вия возникновения при модификации внутренних напряжений, как температурных, связанных с перепадами температур во время термо­ фиксации, так и связанных со структурными превращениями у границы раздела полимер—наполнитель. Именно в связи с этим и наблюдалось влияние скорости охлаждения после термофиксации. Подтверждение влияния внутренних напряжений получено при выдержке образцов в течение 16 мес. За это время ударная вязкость контрольных образцов повышалась и достигла 24±1,3 кДж/м2. Если провести диффузионную стабилизацию хингидроном таких образцов, то даже при медленном охлаждении после термофиксации из-за структурных превращений воз­

никают внутренние напряжения и ударная вязкость снижается до 13, 15 кДж/м2. При выдержке после стабилизации из-за релаксации внут­ ренних напряжений ударная вязкость восстанавливалась и после 3 мес достигала 24±1,1 кДж/м2.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что диффузионная стабилизация создает возможность модификации деформационных и прочностных свойств стеклонаполненных полиамидов, хотя прогнозиро­ вать протекание процессов структурообразования на разных уровнях и, тем самым, регулировать свойства в заданном направлении на дан­ ном этапе из-за сложности композитного материала довольно трудно.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Мачюлис А. И., Торнау Э. Э. Диффузионная стабилизация полимеров. Вильнюс,

1974. 254 с.

2. Гвалда А.-К. В., Сапрагонас И. И., Крейнин О. П. Влияние диффузионной стабилизации на релаксационную стойкость стеклонаполненного полиамида. — В кн.: Сопротивление материалов (Материалы конф. «Автоматизация и механизация про­ изводственных процессов и управления»). Вильнюс, 1980, с. 29—30.

3. Марма А. И., Банявичюс Р. Б., Нагиневичене JI. П., Нагиневичюс В. В. Уста­ новка АУРМП-1 для исследования некоторых механических характеристик жестких полимеров. — В кн.: Сопротивление материалов. Вильнюс, 1977, с. 13— 14.

4.Колтунов М. А. Ползучесть и релаксация. М., 1976. 277 с.

5.Мачюлис А. Н., Сапрагонас И. И. Исследование структурных особенностей и прочности диффузионно-стабилизированных полимеров. — Механика полимеров, 1975,

№5, с. 200—213.

6.Баушис Я. П., Мачюлис А. М., Сапрагонас И. И., Удренас А. К. Исследование

прочностных и деформационных свойств некоторых модифицированных полиамидов. —

М осковское научно-производственное объединение по механизированному инструменту и отделочным работам

Институт физико-технических проблем энергетики АН Литовской ССР, Каунас

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, № 3, с. 518—522

УДК 678.2:620.178

Н. П. Жмудь, П. И. Солодовник, В. А. Якушин

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖЕСТКОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА В БЛОКАХ, ПОЛУЧЕННЫХ СВОБОДНЫМ ВСПЕНИВАНИЕМ

1.БЛОКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

1.Расширение сферы применения жестких пенополиуретанов (ППУ)

иувеличение объемов исследовательских работ по созданию новых ре­ цептур делают необходимым получение объективных, сопоставимых оценок механических свойств этих материалов. Особенность жестких пенополиуретанов, как и многих других полимерных материалов, за­ ключается в том, что они образуются только в процессе получения изделия. Известно, что ППУ может быть неоднородным и анизотроп­ ным как за счет неравномерного распределения массы полимера в блоке [1], так и вследствие переменных по объему эффектов ориента­ ции элементов структуры ППУ и полимера в них [2—4]. Свойства материала, таким образом, определяются не только химическим соста­

вом его основных и вспомогательных компонентов и их сочетанием, но и особенностями структуры ППУ, связанными с условиями вспенива­ ния и геометрией формы. Поэтому оценка и сравнение свойств ППУ при создании новых композиций представляют известную методическую сложность. В настоящее время при проведении механических испыта­ ний ППУ учитывается, что этот материал анизотропен. Считается также, что неоднородность ППУ по плотности приводит к разбросу механических характеристик, определяемых на образцах, вырезанных из различных мест блока [1]. Поэтому методические рекомендации по испытанию ППУ предлагают оговаривать в каждом случае место вы­ резки образцов из блока, не давая, однако, никаких рекомендаций по выбору формы блока. Систематические исследования неоднородности механических свойств ППУ в блоках различной формы отсутствуют. Таким образом, установление закономерностей влияния формы блока ППУ на характер изменения механических свойств в его объеме пред­ ставляет интерес как с точки зрения оценки свойств изделий различной конфигурации, так и для обоснованного выбора формы блока для про­ ведения механических испытаний ППУ.

2. Для вспенивания блоков ПГ1У с целью последующего определе­ ния свойств материала применяют разнообразные формы. Как правило, это коробки прямоугольного поперечного сечения с различным отноше­ нием высоты к поперечному размеру. В данной работе для облегчения анализа распределения свойств ППУ в объеме блоки вспенивали в тонкостенных алюминиевых цилиндрах. При этом предполагалось, что вследствие симметрии формы для получения достоверной картины рас­ пределения свойств ППУ в объеме достаточно исследовать свойства только в продольном сечении блока. Полученные таким образом ре­ зультаты, очевидно, будут применимы и к блокам с некруговым сече­

нием, исключая области вблизи углов, образованных боковыми стен­ ками.

в работе приняты: кажущаяся плотность ППУ у, жесткость Е, определимая по отно­ сительному укорочению образца на линейном участке зависимости напряжение—пере­ мещение, прочность при сжатии П~\ Индексами z и г обозначены характеристики ППУ в направлении, совпадающем с осью и радиусом цилиндра соответственно.

как прочность при растяжении. Однако сложность испытания, чувствительность проч­ ности при растяжении к наличию дефектов в материале и, что наиболее существенно, большой объем образца (h = 4-Jr5d) делают испытание на сжатие в данной работе более предпочтительным. Тем более, что исследуется материал из разных областей одного и того же блока и, следовательно, характер разрушения не должен сущест­ венно изменяться.

Для определения искомых характеристик в разных точках объема из блока труб­ чатым сверлом вырезали образцы. При этом для каждого образца фиксировалось положение его центра в относительных координатах R' и Н' (см. рис. 1). Нагруже­ ние осуществлялось на испытательной машине 1253-У-2 с регистрацией диаграммы нагрузка—перемещение. Скорость перемещения опор составляла согласно ГОСТ 23206—78 ~0,1 h мм/мии, где h — высота образца. Результаты предварительного экс­ перимента показали (рис. 2), что предположение о симметрии распределения свойств ППУ в исследуемых блоках вполне оправдано. Диаметр образца в диапазоне от 15 до 30 мм, как видно из табл. 2, не влияет на величины Е и П“ . Поэтому все

вспенивания в блоках 1—4 по высоте показан на рис. 3—а. Как видно,

Рис. 3. Изменение плотности и прочности ППУ в направлении оси блоков. Цифры у кривых — номера блоков в соответствии с табл. 1.

раза меньше, чем в нижней. Существенно, что наблюдаемое падение прочности не сопровождается изменением плотности ППУ, соответст­ вующим известным эмпирическим зависимостям [5, 6]. Полученные ре­ зультаты убедительно показывают, что большая* неоднородность по прочностным свойствам не позволяет использовать блоки рассмотрен­ ного типа (#/£>>2,0) для оценки свойств различных рецептур ППУ.

.Исследование диапазона относительных высот #/£)<1,5 выполнено на блоках 5—8 (рис. 3—б); изучали характер изменения свойств ППУ по всему продольному сечению, причем для блоков 5 и 7 определяли характеристики не только в направлении вспенивания — Ег и П2“, но и в перпендикулярном направлении — Ег и Пг“. На рис. 3—б приве­ дены зависимости у, П2~ от Н' при R' = 0. Кривая 4, соответствующая изменению свойств ППУ в блоке диаметром 73 мм, перенесена с рис. 3—а для оценки влияния диаметра блока при постоянном #/£>. Как видно, увеличение диаметра не влияет на распределение плотно­ сти. Общий характер зависимости П2~ от # ' также остается неизмен­ ным, хотя величина П2~ в блоке большего диаметра выше, причем раз­ личие уменьшается от дна к верху блока. Можно предположить, что переход к блокам большего диаметра не изменяет, по крайней мере, качественную оценку распределения П2~ по высоте.

Увеличение диаметра наиболее заметно сказалось на прочности ППУ в придонной части блоков — она возросла по сравнению с со­ ответствующими значениями П2“ в блоках малого диаметра. Это, по всей видимости, связано с увеличением плотности ППУ. Когда #/£><1, П2~ непрерывно снижается от дна к верху блока. Отношение макси­ мальной и минимальной величин П2~ уменьшается с уменьшением от­ носительной высоты блока от 3,3 при H/D = 0,85 до 1,6 при #/£) = 0,37. В последнем случае изменение Пz~, как видно из рис. 3—б, хорошо согласуется с изменением плотности. Приведенные экспериментальные зависимости позволяют предположить, что изменение П2~ в направле­ нии вспенивания в блоках 1—7 с #/D >0,6 определяется не только из­ менением плотности, но и ориентационными эффектами, связанными со стесненным расширением вспенивающейся массы в форме с верти­ кальными стенками. В блоках меньшей относительной высоты для дан­ ной рецептуры прочность ППУ целиком определяется его плотностью.

Для оценки влияния средней плотности блока ППУ на закономер­ ности изменения свойств на рис. 4 сопоставлены зависимости П2~ от

ложить, что с увеличением средней плотности увеличивается высота блока, начиная с которой проявляется влияние боковых стенок. На ос­ новании полученных результатов можно считать, что представленные экспериментальные закономерности характерны для жестких ППУ со средней плотностью 50— 100 кг/м3.

На рис. 5 показаны линии равной прочности для половины продоль­ ного сечения блоков 5 и 7. Как видно, изменение П2“ в направлении радиуса менее значительно, чем в осевом направлении. Установлено, что увеличение П2~ при приближении к стенке формы связано глав­ ным образом с увеличением плотности ППУ, а изменение П2~ по вы­ соте блока не сопровождается соответствующим изменением плотности. Сравнение характера распределения П2~ в обоих блоках показывает, что с увеличением высоты величина прочности в нижней части блока незначительно уменьшается, а расположение линий равной прочности остается практически неизменным, т. е. происходит как бы достройка верхней части распределения. Это совпадает с результатами, получен­ ными для блоков малого диаметра. Зависимости отношений EzIEr и П2/Пг, характеризующих анизотропию ППУ в блоке, от высоты И' приведены на рис. 6. Оказалось, что в пределах от R' = 0 до ^' = 0,75 эти отношения одинаково меняются с высотой Н'. Как видно, умень­ шение относительной высоты блока приводит к снижению степени анизотропии ППУ, особенно в средней части блока. Можно предполо­ жить, что обнаруженное изменение анизотропии связано с ориентаци­ онными эффектами в структуре ППУ.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, № 3, с. 523—529

УДК 620.17:678:611

В.М. Парфеев, И. В. Грушецкий, А. А. Дробьииев,

Г.В. Гайдамакина

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛАСТОМЕРОВ ДЛЯ ИСКУССТВЕННЫХ ЖЕЛУДОЧКОВ СЕРДЦА

В конструкциях искусственного сердца (ИС) [1—7] широко приме­ няют эластомеры, из которых изготавливают детали искусственных желудочков сердца (ИЖС), работающие как мягкие оболочки (пневмо- и кровяные камеры, диафрагмы). К эластомерам для ИЖС предъяв­ ляют высокие требования в отношении биосовместимости [1, 8]. Для решения проблем, связанных с обеспечением функциональных и гемо­ динамических характеристик ИС, их приводом, энергетикой и управле­ нием, проводят специальные исследования и испытания создаваемых конструкций [1—4, 9]. Ряд требований к ИЖС [1] нельзя удовлетво­ рить без учета данных по механике материалов [10— 12]. В целях снижения опасности тромбообразования ИЖС не должны содержать застойных зон, а диафрагма должна быть гибкой и равномерно дефор­ мироваться. Недопустимо соприкосновение диафрагмы с корпусными деталями, травмирующее кровь. ИЖС должен обладать достаточным ресурсом (106— 107 циклов для средств вспомогательного кровообраще­ ния, 107 и более циклов для имплантируемого ИС). При конструирова­ нии необходимо проделать прочностные расчеты, основываясь на дан­ ных по сопротивлению усталости, определить деформации, размеры и объем камер ИЖС с учетом упругих свойств и ползучести материалов. Получение и анализ таких данных и являются целями настоящей ра­ боты.

Заготовки для образцов изготовлены в Научно-исследовательском институте трансплантологии и искусственных органов Министерства здравоохранения СССР из медицинского полиуретана (ЧССР) и кремнийорганической резины РКМ. Пленки из полиуретана толщиной 0,1—0,3 мм получены из раствора заливкой в ванночки и имели размеры 50X200 мм или диаметр 80 мм. Резина РКМ отпрессована в виде пластин с размерами (0,8— 1,2) X 120X 120 мм; часть из них армирована лавсановым сетчатым полотном с ортогональными ячейками. Наряду с материалами испытаны мембраны, изготовленные в виде фигур вращения с сегментальной сферическом и цилиндрической (для крепления к испытательной камере) поверхностями. Мембраны из полиуретана получены методом окунания и имели толщину 0,2—0,3 мм, радиус сферической поверхности — 40 мм, высоту сегмента — 20 мм. Мем­ браны из армированной резины РКМ получены натяжением ре­ зины на шаблон с вулканизацией.

Рис. 1. Установка для цикличес­

Материалы испытывали на одноосное и двухосное растяжение с одновременным измерением светопропускания [13]. Усталостные испытания проводили в отнулевом режиме, поддерживая максимальную нагрузку на постоянном уровне [14]. Мембраны для ИЖС испытаны при гидростатическом нагружении со скоростью возрастания давления « 0 ,5 кПа/с. Усталостные испытания мембран проводили с помощью пульта управления ПУ-7М, питаемого от сети сжатого воздуха. В одном варианте (рис. 1) индукционным датчиком и прибором ИП-1204, разработанными в специализирован­ ном КБ научного приборостроения Института механики полимеров АН Латвийской ССР, измеряется перемещение полюса мембраны. В другом — деформации и светопропускание [13].

Результаты статических испытаний на растяжение представлены в таблице и на рис. 2. Как видно, упругопрочностные характеристики полиуретана в несколько раз выше, чем у изотропной и армированной резины РКМ. Армирование, как и следовало ожидать, увеличивает мо­ дуль упругости материала, особенно по отношению к двухосному рас­ тяжению.

Многие детали ИЖС изготавливают путем формования и вулкани­ зации. От армирующего материала требуется достаточная растяжи­ мость, тем большая, чем сложнее конфигурация детали. Такому требованию удовлетворяют некоторые материалы трикотажного пере­ плетения. Перед вулканизацией трикотажная сетка неоднородно дефор­ мируется, и механические свойства готового материала в разных дета­ лях и в разных точках одной детали различаются. Например, на рис. 2—а кривые <3, 6, 7 относятся к растяжению вдоль основы мате­ риала с соответственно недеформированными и предварительно дефор­ мированными параллельно или перпендикулярно основе ячейками. Анализ этих кривых показал, что в первом приближении упругопроч-