книги из ГПНТБ / Павлов В.А. Пенополистирол

рых партий исходного сырья и несоблюдением опти­ мальных режимов технологии изготовления пенополи­ стирола.

Для пенопластов ПСБ и ПСБ-с установлена26 ана­ литическая зависимость предела прочности при растя­ жении о от кажущейся плотности р. Испытания прово­

Рис. IV. 17. Зависимость преде­ ла прочности при растяжении от кажущейся плотности пено­ полистирола ПСБ.

Скорость изменения прочности в зависимости от кажу­ щейся плотности пенопластов пропорциональна значе­ нию прочности.

Для установления вида аналитической зависимости о от р пенопластов была использована теория механи­ ческих свойств хрупкой пористой среды, основанная на концепции накопления повреждений в теле. Расчет по­ ведения модели, представляющей собой хрупкую среду с макроскопическими пустотами, равномерно распреде­ ленными в теле, при воздействии внешних растягиваю­ щих напряжений приводит к уравнению степенного типа, которое можно записать в виде

где 0 и 0 о — пределы прочности при растяжении пенопласта и мо­ нолитной полимерной композиции, составляющей основу пенопласта, соответственно; р и ро — кажущиеся плотности пенопласта и поли­ мерной композиции соответственно; k —. константа, значение ко­ торой зависит от состава полимерной композиции.

Выражая р с помощью параметров ячеистой струк­ туры (диаметра ячеек — d и постоянных, характеризу­ ющих устойчивость структуры,— dKр и бкр), можно »pu­

ll 0

вести это уравнение к виду:

Уравнения (1) и (2) использовали для выражения количественной взаимосвязи между прочностью, кажу­ щейся плотностью пенопластов и параметрами их ячеи­ стой структуры. Вычисление параметров (о», k) пено­ пластов ПСБ и ПСБ-с проводили по методу наимень­ ших квадратов. Значения этих параметров следующие:

деления прочности пенопласта ПСБ, близко к зна­ чению прочности монолитного блочного полистирола (295 кгс/см2). Пониженное значение о0 для полимерной композиции, на основе которой получают пенопласт ПСБ-с, по-видимому, объясняется отрицательным влия­ нием антиииреновой добавки. Сравнение эксперимен­ тальных значений а и значений, вычисленных по урав­ нению (1), показывает удовлетворительное соответствие между ними. Например, при р = 0,09 г/см3 пенопластов ПСБ и ПСБ-с максимальные отклонения эксперимен­ тальных данных от расчетных составляют соответствен­ но 16 и 20%.

Таким образом, при использовании уравнений сте­ пенного типа можно определять прочность при растя­ жении пенопластов в широком диапазоне их кажущих­ ся плотностей. Предлагаемая методика определения прочностных показателей беопреосовьгх полистирольных пенопластов позволяет определять качество готовой продукции в зависимости от кажущейся плотности пе­ нопластов.

При определении механических характеристик пено­ полистирола наблюдается повышенное рассеяние экспе­ риментальных данных (рис. IV. 18). Параметры рассея­ ния показателей прочности беспрессового пенополисти­

111

Коэффициент вариации прочности различных партий беспрессового пенополистирола колеблется в пределах от 3 до 16%. Путем отбора образцов с заданной кажу­ щейся плотностью удается снизить коэффициент вариа­ ции прочности пенополистирола до 4—8%.

плотности я прочности пенополистирола показало, что колебания показателей прочности не могут быть объ­ яснены только полидисперсностыо структуры этого ма­ териала. Существенное влияние, на рассеяние прочност­ ных характеристик оказывает неоднородность структур­ ных дефектов и наличие остаточных напряжений.

Испытания на сжатие нескольких партий пено­ полистирола показали близкие значения коэффициента вариации прочности: 10,5; 8,3; 11,4; 13,6; 11,7; 11,9. Анализ опытных данных свидетельствует о нормальном характере распределения показателей прочности пено­ полистирола (ом. рис. IV. 18). Параметры рассеяния значений прочности и модуля упругости пенополистиро­ ла представлены в табл. ІѴ.12. Механические показа­ тели пенополистирола зависят от кажущейся плотности: с повышением кажущейся плотности прочность и жест­ кость возрастают. В небольших диапазонах колебаний кажущейся плотности имеется линейная корреляцион­ ная связь между прочностью, модулем упругости и ка­ жущейся плотностью пенополистирола. В широком диа­ пазоне изменения кажущейся плотности эта связь имеет параболический характер.

112

ному сжатию,, т. е. за разрушающую нагрузку условно ■принята нагрузка, соответствующая 10% -ной деформа­ ции образца.

Изменение механических показателей пенополисти­ рола с повышением температуры определяется в основ­ ном "свойствами полимерной основы — полистирола. Пенополистирол «имеет довольно' высокую стабильность прочностных и деформационных характеристик при по­

С уменьшением кажущейся плотности при повышенных температурах более заметно снижается формоустойчи­ вость пенопластов. Например, предел прочности при растяжении пенополистирола ПСБ с кажущейся плот­ ностью 19, 40 и 65 кг/м3 при повышении температуры до 80° С снижается на 72 и 49% соответственно (рис. IV. 19).

Пенополистирол как конструкционный материал мо­ жет применяться до температур 60—75° С. При ""более высоких температурах он ведет себя "как Нелинейное вязкоупругое тело, способное к «необратимому течению. Увеличение эластичности «при повышенных темпер ату-.

ИЗ

Т а б л и ц а IV. 13. Механические характеристики пенополистирола при различных температурах

рах проявляется в возрастании ударной вязкости пено­ полистирола. Повышение разрывного удлинения с воз-

Рис. IV.20. Температурная зави­ симость относительного удлине­ ния при разрыве пенополисти­ рола ПС-1 с кажущейся плот­ ностью 100 кг/м3.

растанием температуры свидетельствует о развитии ре­ лаксационных процессов (рис. IV.20). Характер разру­ шения образцов зависит от температуры испытаний.

114

При отрицательных температурах имеет место хрупкое

.разрушение пенополистирола. При повышенных темпе­ ратурах наблюдается квазихрупкое разрушение, сопро­ вождающееся вынужденно-эластическими деформа­ циями элементов ячеистой структуры. При 60° С меха­ нические характеристики пенополистирола снижаются по сравнению с 20° С на 30—40%. Несколько большую стабильность механических показателей имеет самозатухающий пенополистирол ПСБ-с.

При понижении температуры 1прочность и упругость пенополистирола увеличиваются на 20—30%. Вслед­ ствие увеличения хрупкости полимерной основы при от­ рицательных температурах наблюдается некоторое сни­ жение предела прочности при .растяжении, причем это снижение носит линейный характер. Отмечается27 по­ вышение коэффициента Пуассона с понижением темпе­ ратуры для пенополистирола с кажущейся плотностью

шение при растяжении образцов беслрессовых пенопо­ листиролов происходит ‘без заметного образования шей­ ки в месте разрыва. Прочностные характеристики пено­ полистирола ПСБ при повышенных температурах24

Как видно из данных таблицы, онижение прочности пенополистирола при 40° С не превышает 29% и при 60° С — 42%, причем значения снижения пределов прочности при растяжении и сжатии довольно близки.

Характеры изменения деформационных и прочност­ ных показателей пенополистирола при повышенных тем-

ператуpax довольно схожи. Зависимость модуля' упругости от температуры может 'быть выражена поли­ номом второго порядка24. Однако по сравнению со снижением прочностных характеристик изменение де­ формационных показателей при повышенных темпера­ турах происходит несколько в большей степени. Так, снижение пределов прочности при растяжении и сжатии пенополистирола ПСБ при 60°С- равнялось соответ­ ственно 31 и 21%, а модуля упругости при растяже­ нии— 44%.

Снижение предела прочности ори сжатии беспрессового пенополистирола ПСБ после увлажнения в

сжатии пенополистирола ПС-1 и ПС-4 после 25 циклов испытаний24’25 снижается на 16—28%• Периодическое замораживание увлажненных образцов также умень­ шает прочность пенопластов. После 25 циклов замора­ живания — оттаивания снижение прочности при сжатии пенополистирола составляет 13—15%. Изменение удар­ ной вязкости24 пенополистирола ПС-1 после 90 циклов испытаний не превышает 4%. Изменение механических

Как видно из приведенных в таблице данных, прочность при растяжении сухих и увлажненных в воде образцов пенополистирола ПСБ практически не изме-

116

ияется. Снижение прочности при сжатии образцов при увлажнении составляет 7—8%, а прочности ' при сдвиге — 8—18%. В большей степени увлажнение ска­ зывается на стабильности формы изделий из пенопла­ стов. Модуль упругости при сжатии пенополистирола ПСБ после увлажнения в указанных условиях снижает­ ся на 25—30%■•

Та б л и ц а IV. 16. Изменение механических характеристик пенополистирола в различных климатических условиях

•При длительном пребывании пенополистирола ПС-1

ватмосферных условиях его механические характерис­ тики повышаются І4’28. Однако ударная вязкость пено­

существенно не изменяет его механических характерно тик, при выдержке этого пенопласта в условиях тропи­ ческого климата его прочностные показатели ухудша­ ются 30.

Сопротивление длительному воздействию статических нагрузок бесстрессовых пенополистиролов при испыта­ ниях на растяжение, сжатие и кручение характеризует-

117

оя значением напряжения, гарантирующего работу ма­ териала во времени без разрушения, а также значением напряжения, ограниченного требованием сохранения деформаций при ползучести в заданных допустимых пределах. Длительные испытания беслреосового пенопо­ листирола ПСБ с кажущейся плотностью 55—60 кг/м3 при статической нагрузке позволили выявить повышен­ ную склонность этого материала к ползучести. Однако по сравнению с 'результатами испытаний на сжатие и сдвиг испытания на растяжение показывают понижен­ ную ползучесть пенополистирола ПСБ. Длительное со­ противление растяжению пенополистирола ПСБ состав­ ляет 0,45—0,5 кратковременной прочности аЕр. По ха­ рактеру ползучести образцы условно можно разделить на две группы. Для первой группы образцов характерно затухание темпа роста деформаций под напряжением 0,1—0,4 оВр. При этих напряжениях значение макси­ мальных деформаций составляет 1,2% (рис. IV.21).

Рис. IV.21. Деформация ползучести при растяжении и сжатии образцов пенополистирола ПСБ с кажущейся плотностью 55—60 кг/м3:

1 0 , 1 П 0 р ; 2 - 0 , 2 7 а в р ; 3 - 0 , 3 О в р ; 4 -0 ,4 Ов р ; 5 - 0 , 5 ( Т в р .

Для второй группы образцов, -испытываемых при на­ пряжении более 0,4 сгВр, характерна постоянная скорость ползучести, приводящей к разрешению образцов.

Испытания на сжатие позволили определить измене­ ния характера развития деформаций образцов при на­ пряжениях больших и меньших, чем 0,35 сгВрПри напря­ жении меньшем этого предела ползучесть образцов сравнительно невелика. После испытаний в течение ІО4 ч значение максимальной деформации составляет

118

Рис. IV.22. Деформация ползучести при сжатии образ- ' цов пенополистирола ПСБ с кажущейся плотностью 55—60 кг/м3:

і - 0.2 < ѵ 2~ ° ’3 < Ѵ 3- ° - 4 < ѵ

3% (рис. ІѴ.22). При больших напряжениях на­ блюдается значительное развитие деформаций. Напря­ жение, соответствующее 0,35 авр, можно принять рав­ ным долговременному сопротивлению при сжатии беепрессового пенополистирола ПСБ. При испытаниях на кручение пенополистирола значения деформаций пол­ зучести сравнительно невелики. Однако в процессе длительных испытаний происходит постепенное раз­ витие деформаций даже при низких напряжениях (рис. ІѴ.23) 31.

Рис. ІѴ .23. Деформация при кручении образцов пенополисти­ рола ПС-1 при ступенчато возрастающей нагрузке:

119.