Механика композитных материалов 4 1982

ного компонента в продукте реакции, а также косвенно измерениями вяз­ кости. Эти измерения показывают, что при концентрациях полиуретана >2,5% и при температурах обработки 170—182° С молекулярная масса увеличивается [6]. Наблюдаемая здесь наибольшая прочность на растя­ жение, полученная при температуре 190° С и содержании полиуретана 5%, объясняется также реакцией сшивания, развивающейся главным об­ разом с участием функциональных групп, принадлежащих полиуретану. Реакция сшивания, результатом которой является резкое увеличение жесткости структуры, может быть схематически представлена следую­ щим образом:

Наличие такой структуры подтверждается экспериментальными дан­ ными, полученными при исследовании растворимости этих веществ. При граничных условиях данной экспериментальной программы (добавка полиуретана = 5%; Г=190°С) выделяются нерастворимые продукты с ог­ раниченным набуханием в обыкновенных растворителях ПВХ (циклогек­ санон) [6].

Выдвинутые ранее предположения о природе химических реакций подтверждаются при рассмотрении взаимосвязи между показателями ударной вязкости и параметрами процесса обработки. Зависимость удар­ ной вязкости аъ. от некоторых переменных *ь *2, *з выражается как

гать, что реакции сшивания отсутствуют и реакции прививки и блок-со- полимеризации протекают неинтенсивно. В результате увеличиваются показатели ударной вязкости полиуретана.

С увеличением температуры реакция между компонентами идет бо­ лее интенсивно, что должно, казалось бы, привести к увеличению удар­ ной вязкости. Но так как в этих условиях создаются благоприятные условия для реакции сшивания, то наблюдается обратное явление: по­ казатели ударной вязкости уменьшаются с увеличением концентрации полиуретана (при Г=190°С) или же сохраняются неизменными (при Т= 170°С), что в свою очередь указывает на относительно слабое сши­ вание продукта реакции.

При температуре 150° С увеличение продолжительности вальцевания приводит к линейному росту ударной вязкости а/*, тем более очевидному, чем выше содержание полиуретана (рис. 4). Это объясняется тем, что при относительно низких температурах реакция сшивания, вызывающая повышение жесткости структуры, не протекает. В то же время созда­ ются благоприятные условия прививки и блок-сополимеризации, что и обусловливает возрастающую частоту ввода остатков полиуретанового типа в виде линейных отрезков или ответвлений от главной цепи. Судя по данным эксперимента, увеличение продолжительности обработки благоприятствует указанным реакциям.

При увеличении температуры обработки наблюдается обратное явле­ ние: с повышением концентрации полиуретана и продолжительности об­ работки показатели ударной вязкоупругости уменьшаются. По-види­ мому, при достаточно высоких температурах создаются благоприятные условия для протекания реакций сшивания, обусловленных главным об­ разом присутствием полиуретана. Чем его больше и чем больше продол­ жительность вальцевания, тем выше степень сшивания, что и приводит к повышению жесткости структуры и к увеличению прочности на растяже­ ние (см. рис. 2).

Следовательно, существует некоторая взаимосвязь между характе­ ром изменения прочности на растяжение и ударной вязкостью. Получен­ ные экспериментальные данные подтверждают высказанное предположе­ ние об основных принципах структурообразования.

Уравнения (1) и (2), выражающие взаимосвязь между механиче­ скими свойствами полученного материала и параметрами, характеризую­ щими технологический процесс, позволяют установить оптимальные условия последнего. Для этого необходимо определить собственные зна­ чения матрицы коэффициентов регрессии второго порядка [4], и если все они, без исключения, отрицательны, то в исследуемой нами эксперимен­ тальной области существует абсолютный максимум.

Анализ уравнений показывает, что поверхность отклика полученных функций не имеет абсолютного максимума в исследуемой нами области,.

Рис. 4. Влияние продолжительности обработки на ударную вязкость при температуре 150 (а) н 190°С (б) и различном содержании полиуретана (указано на рисунке).

но при другом режиме обработки: время обработки увеличивается, но температура уменьшается до 150° С. И, наконец, относительно большая ударная вязкость и прочность на растяжение, близкая к обычной для ПВХ-С, характерны для материала, полученного в режимах с малой продолжительностью вальцевания (7 мин), высокой температурой обра­ ботки (190°С) и с небольшой добавкой полиуретана (1%).

Следует добавить, что для практических целей наибольший интерес представляют материалы, получаемые по второму варианту.

Выводы. 1. Интенсивные тепловые и механические воздействия, кото­ рым подвергаются во время вальцевания смеси ПВХ-С и полиуретана, способствуют протеканию химических реакций между этими двумя поли­ мерами.

2.Присутствие отрезков полиуретана в цепи ПВХ-С определяет из­ менение механических свойств последнего.

3.Параметры режима обработки существенным образом влияют на механические свойства получаемых продуктов: увеличение температуры, способствующее протеканию реакций сшивания, ведет к увеличению прочности на растяжение сгр, в то время как увеличение продолжитель­ ности обработки при небольших значениях температуры способствует протеканию реакций прививки — блок-сополимеризации и ведет к уве­ личению ударной вязкости а/г.

4.Наилучшим сочетанием механических свойств — сгр, аь — обладает материал, получаемый при относительно высоких концентрациях поли­

уретана (5%) путем обработки в течение 21 мин при температуре 150° С.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Deanin R. D. Polymers. Structure, Properties and Applications. Colmer’s Practical

Plastics Series. 1972. 365 p.

2.Vasiliu-Oprea Cl., Popa M. Mechano-chemische Reaktionen des Poly(Vinylchlorids).

3. Onpea К., Петрован С., Попа M. Оптимизация прочности на растяжение поливи­

нилхлорида с добавкой бензидииа. — Механика композитных материалов, 1979, № 6,

с.977—981.

4.Cochran W. G.t Сох G. М. Experimental Designs. New York; London; Sydney,

1968.611 р.

5.IBM System В 60 (360A-CM-03 X) Scientific Subroutine Packager. Programmer’s Manuel, Version III. H20-0205-3, 1968, 428 p.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 4, с. 685—689

УДК 611.08:620.1

В. А. Касьянов, Д. Д. Мунгалов, В. М. Витиньш, Д. Э. Паблак

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕПЕСТКОВ АОРТАЛЬНОГО КЛАПАНА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

1. В настоящее время ведутся поиски оптимальной конструкции и наиболее соответствующих материалов для изготовления надежных и долговечных искусственных клапанов сердца. Все известные клапаны сердца могут быть разделены на три основных типа — шариковые, дис­ ковые и лепестковые. Последние в свою очередь подразделяются на искусственные клапаны из синтетических материалов, аллоклапаны, ксеноклапаны и клапаны из различных биологических материалов.

Лепестковые биологические клапаны имеют несомненное преиму­ щество перед остальными типами искусственных клапанов вследствие сохранения центрального потока крови через клапан, свободы от тром­ боэмболии, отсутствия внезапного разрыва лепестков клапана, бесшум­ ного их закрытия. Поскольку в настоящее время долговечность алло­ клапанов и ксеноклапанов недостаточна [1]. актуальной проблемой является создание надежного и долговечного искусственного лепестко­ вого клапана сердца из синтетического материала. Для успешной раз­ работки такого искусственного клапана необходимо знание не только гемодинамических характеристик природного аортального клапана [2], но и механических свойств материала лепестков. Необходимость изу­ чения механических свойств природного материала для правильного подбора его заменителя подчеркивалась неоднократно [3, 4].

Изучению механических свойств лепестков аортального клапана че­ ловека посвящено всего несколько работ. Исследование характера за­ висимости напряжение—деформация при одноосном растяжении образ­ цов проведено в работах [4—6]. Но поскольку аортальный клапан in vivo работает в динамическом режиме нагружения, интерес пред­ ставляет знание динамических характеристик материала при периоди­ чески изменяющемся напряженно-деформированном состоянии лепе­ стка. Поэтому настоящая работа посвящена изучению динамической упругости аортального клапана сердца человека в условиях, близких к физиологическим, с целью определения изменения механических свойств материала при различных частотах нагружения.

2. Для линейного вязкоупругого материала, подверженного действию напряжения, изменяющегося по определенному закону (например, синусоидальному), при установившемся режиме результирующие де­ формации также будут изменяться по этому закону, но будут запазды­ вать на определенную фазу Дфд, величина которой зависит от механи­ ческих свойств исследуемого материала. Комплексный динамический модуль упругости для такого материала может быть определен как Е*ъШ1 = Е' + jE" Здесь Ег — упругий модуль, а Е" — модуль потерь, определяемые по известным формулам E'=(o*/el)cosAcp./<. и Е" = = (a7e*)sin Дф/i, где а* и в* — максимальное напряжение и деформа­ ция соответственно. Следовательно, если а*, в* и Дфд для данного за­ кона нагружения могут быть определены экспериментально, то упругая и вязкая части динамического модуля упругости могут быть найдены для заданной частоты изменения нагрузки.

Для этой цели был создан стенд (рис. 1), на котором проводили испытания образцов 1 аортального клапана человека по методу выдувания мембран. Диаметр

отверстия определялся размером лепестка аортального клапана и был равен 0,7 см.

дили измерения величины прогиба мембраны h с помощью телевизионного площадемера 8 по величине перемещения флажка 9,

опирающегося на центр мембраны. Масса флажка составила 0,5 г. В качестве измери­ тельного элемента использовали телевизионную камеру КТП-67 10 с ахроматическим объективом от микроскопа ОМ-12 11 и набором удлинительных колец 12 для получе­

ния 50—70% перекрытия поля измерения на экране видеоконтрольного устройства ВК50В60 13. Одновременно проводили измерение давления, действующего на образец /, с помощью тензометрического манометра ТМ-1 14. Преобразование аналогового сигнала от тензометрической модульной системы М-1000 15 проводили с помощью цифрового вольтметра Ф-203 16, синхронно телевизионному площадемеру [7]. Точность

измерения давления составила 0,066 кПа, время одного измерения 20 мс. Весь испы­ тательный комплекс позволяли проводить двухпараметровую синхронную запись экспе­ риментальных данных на ЭВМ.

В качестве экспериментального материала использовали лепестки аортального кла­ пана человека, взятые при аутопсии у лиц в возрасте от 40 до 50 лет, погибших от различных травм, не связанных с сердечными заболеваниями. Эксперименты проводи­ лись не позднее, чем через 6 ч после забора материала, который хранился в физиоло­ гическом растворе при / = 20±Г С . Исследовали четыре аортальных клапана. Образцы подвергали периодическому нагружению по закону, близкому к физиологическому за­ кону изменения давления. Нагружение образцов проводили с частотой до 3,5 Гц.

При периодическом нагружении мембранных образцов изменение давления находилось в пределах от 10,7 до 21,3 кПа. При приложении максимального давления визуально наблюдали, что выдуваемый пу­ зырек имеет сферическую поверхность. Толщину лепестка измеряли с помощью катетометра К.М-6 с точностью 0,001 мм. Для определения амплитудно-фазовых характеристик материала использовали метод дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Ограниченный по полосе сигнал x(t) преобразованием Фурье Р(ы) можно описать эквидистант­ ной последовательностью отсчетов х(пТ), где Т — интервал дискрети­ зации по времени, п — номер отсчета сигнала [8]. Эта последователь­ ность определяет периодически продолженный спектр FT(ш) как его разложение в ряд Фурье:

Г(ш) = J * ( 0 exp (-jat)dt; FT(co) = ^ х ( п Г ) exp ( —/ипГ);

Fr (<o)=F(o>); |(0| < i [ 2 Jt/7’].