книги из ГПНТБ / Павлов В.А. Пенополистирол

участок be соответствует линейной зависимости меж­ ду напряжением и деформацией;

участок cd, на котором линейная зависимость нару­ шается, деформации образца значительно увеличивают­ ся. При некотором напряжении наблюдается «течение» образца — увеличение деформации без увеличения на­ пряжений.

Так как в исследованном диапазоне значений кажу­ щейся плотности ПСБ не имеет ярко выраженного пре­ дела прочности при сжатии, определяли5 условный пре­ дел прочности (Т-5 , соответствующий деформации сжа­ тия е= 5%-

Испытания пенополистирола на трехосное сжатие проводили при различных значениях напряжения, рав­ ных 2; 4; 6; 8 и 10 дин/см2 при скорости нагружения 0,5 дин/см2 в минуту. Скорость деформации на линейном участке іфивой составляет 0,01—0,05%/мин. Характер диаграмм трехосного сжатия такой же, как и при одно­ осном сжатии. На рис. ІѴ.32 приведена зависимость ус­ ловного предела прочности о_ 5 и предела пропорцио­ нальности Стпц от напряжения. При повышении напряже­ ния 37 происходит некоторое увеличение a s и с г П ц - Из результатов проведенных экспериментов37 следует, что при выбранной скорости нагружения в случае трехос­ ного сжатия пенополистирола относительная роль высо-

130

коэластической деформации меньше, чем при одноосном сжатии.

Использование пенополистирола в качестве конструк­ ционного материала требует детального изучения его прочностных свойств при различных видах напряженно­ го состояния 20’32' 38' 39. При этом важно знать, как из­ меняется прочность во времени при различных темпера­ турах. В работе 40 описано изучение длительной прочно­ сти пенополистирола при различных температурах в ус­ ловиях растяжения и сдвига41' 42 при различной плотно­ сти материала. Образцы для испытания на долговеч­ ность в условиях растяжения имели толщину 3 мм, а по форме не отличались от образцов, предназначенных для определения прочностных характеристик эластичных пеиоматериалов 43.

Рис. ІѴ .ЗЗ. Долговечность при растяжении пенополистирола кажу­ щейся плотности 31—34 кг/м3 (а); 42—46 кг/м3 (б); 62—66 кг/м3 (в)

II 157— 164 кг/м3 (г) :

1— 80°С; 2—60°С; 3 —23°С.

На рис. ІѴ.ЗЗ приведены диаграммы, характеризую­ щие долговременную прочность исследованных пенопо­ листиролов в условиях растяжения. Графики построены в координатах Igt—а, где т — время до разрушения об­ разца (долговечность). Как видно из этого рисунка, за­ висимость Igt (а) для всех образцов пенополистирола при температурах выше комнатной нелинейна, причем отклонение от линейности увеличивается с повышением температуры. Таким образом, диаграммы долговечности пенополистирола при повышенных температурах имеют иной вид, чем аналогичные диаграммы для изотропного полистирола, у которого зависимость Igt (а) сохраняет­ ся линейной в широком температурном интервале44;45.

Поскольку ячейки в объеме образца ие обладают правильной геометрической формой, то в любом сечении этого образца имеются ячейки, у которых стенки искрив­ лены незначительно. Можно допустить, что наибольшая нагрузка приходится на стенки малой кривизны. Таким образом, в образце появляются перенапряженные участ­ ки, подвергаемые разрушению в первую очередь. После первичного разрыва происходит перераспределение на­ грузок на соседние участки с последовательным разру­ шением наиболее сильно деформированных стенок. Про­ цесс разрушения образца носит почти лавинный харак­ тер. Зависимость lgt(o) в этом случае практически линейна. С ростом температуры явление хрупкого разру­ шения становится меиее вероятным, так как увеличи­ вается вынужденно-эластическая деформация. Процесс деформирования в этом случае также начинается с наи­ менее искривленных стенок. С развитием вынужденно­ эластических деформаций усиливается ориентация мак­ ромолекул. Наименее искривленные стенки, принимая на себя большее усилие, вытягивают выше и ниже рас­ положенные стенки ячеек. В связи с этим происходит перераспределение напряжений по стенкам ячеек во всем объеме образца, которое приводит к тому, что появляются трещины и надрывы. Все это подготавлива­ ет материал к разрушению, наступающему, вероятно, в сечении с наибольшим числом стенок малой кривизны, имеющих развитые трещины. При повышенных темпера­ турах, когда хрупкость материала уменьшается, почти исключается вероятность лавинного разрушения образ­ ца. После разрушения наименее искривленных стенок ячеек вытягиваются по всему объему образца более ис­ кривленные. Конечный результат — разделение образца на части — является следствием разделения по сечению, состоящему, вероятно, из минимального числа стенок ячеек примерно одинаковой степени вытянутости.

Если экстраполировать графики зависимость lgt(cr) для пенополистирола различной кажущейся плотности при данной температуре к оси lgt, то они сходятся при­ мерно в одной точке, что соответствует классическим представлениям о зависимости долговечности от напря­ жения при изменении структуры материала 46’47. Линей­ ность зависимости lgt от а при комнатной температуре для пенополистирола различной кажущейся плотности

132

Приложение к материалу внешних механических на­ пряжений способствует развитию релаксационных про­ цессов, снижающих стабильность формы образцов пено­ пласта. Для исключения влияния колебаний кажущейся плотности в объеме материала на его прочность при установлении характера зависимости долговечности пе­ нопластов от приложенных статических растягивающих напряжений используется показатель «нормированной прочности», т. е. прочности, отнесенной к единице кажу­ щейся плотности материала. Полученные таким образом временные зависимости прочности для пенополистирола ПС-4 линейны в полулогарифмической системе коорди­ нат и временном интервале ІО2—ІО7 с (рис. ІѴ.35) 53. На­ блюдаемая линейность графика позволяет методом экстраполяции сравнительно быстро и достаточно на­ дежно определять долговечность пенопластов при раз­ личных растягивающих напряжениях.

Адгезия пенополистирола

При изучении адгезии пенополистирола используют следующую методику57. Из металлического прутка диа­ метром 7—8 мм вытачивают конус с образующей около 20 мм и углом 8—10°. Поверхность конуса тщательно шлифуют тонкой наждачной бумагой, полируют войло­ ком, промывают ацетоном, высушивают фильтровальной бумагой и вставляют в форму (рис. ІѴ.36). Навеска

Рис. ІѴ .36. Форма для вспенивания гранул поли­ стирола.

гранул пенополистирола берется с таким расчетом, что­ бы кажущаяся плотность вспененного материала была

поверхности от кажущейся плотности и от температуры вспенивания представлена на рис. ІѴ.37. Из данных, приведенных на рисунке, видно, что адгезия пенополи­ стирола линейно зависит от кажущейся плотности. Это

134

объясняется тем, что при вспенивании гранул пленка по­ лимера на границе с металлом не образуется, пустоте­ лые гранулы пенополистирола обладают большой меха­ нической прочностью и не разрушаются вплоть до высо­ ких температур и прочность пограничного слоя линейно

зависит от кажущейся плотности материала. С повыше­ нием температуры вспенивания адгезия сначала возра­

давление газа внутри гранул пенополистирола, что вы­ зывает увеличение площади их соприкосновения с по­ верхностью конуса. Вследствие этого повышается адге­ зия. Но одновременно с повышением температуры растет диффузия газа из гранул, его давление внутри гранул падает, вследствие чего уменьшается площадь соприкос­ новения пенопласта с металлом. Таким образом, с повы­

вспенивается, но прилипание образующегося пенополи­ стирола к конусу не наблюдается. При температуре вы­ ше 100 °С происходит прилипание, причем отрыв носит когезионный характер.

Была исследована зависимость адгезии пенополисти­ рола к металлам (сталь, бронза) от температуры. Для этого образцы пенополистирола с находящимися внутри них металлическими конусами помещали в термостат и выдерживали 30 мин при определенной температуре. За­ тем конус вырывали и рассчитывали усилие, приходя­ щееся при этом на 1 см2 его поверхности.

135

Повышение температуры примерно до 70 ÖC мало отражается на адгезии пенополистирола; при более вы­ соких температурах наблюдается резкое падение коге­ зионной прочности пенополистирола вследствие его раз­ мягчения. Отмечается 58, что на адгезию пенополистиро­ ла к металлам существенно влияет продолжительность вспенивания, которая имеет определенное оптимальное значение для каждой партии гранул пенополистирола.

Для выяснения влияния окисной пленки металла на адгезию пенополистирола к металлу после обычной об­ работки конус нагревают в течение 1,5—2,5 ч при 130— 135 °С в растворе, содержащем 600—700 г едкого натра и 200—250 г азотистокислого натрия на 1 л раствора. Поверхность конуса при этом покрывается плотной окис­ ной пленкой. Исследования показали, что адгезия пено­ полистирола и к окисленному, и к неокисленному метал­ лу превосходит его когезионную прочность. Поэтому сде­ лать какие-либо выводы о влиянии окисной пленки металла на адгезию пенополистирола трудно.

Рис. ІѴ .38. Зависимость преде­ ла прочности при сдвиге клеево­ го соединения пенополистирола ПСБ с дуралюмнном на клеях ЭПЦ-1 (У) и Н- 8 8 (2) от ка­

жущейся плотности.

Пенополистирол может соединяться с другими мате­ риалами (см, гл. V) с помощью различных клеевых со­ ставов 3. При этом образуются прочные клеевые швы, прочность которых значительно превышает прочность пе­ нопласта. Зависимость прочности клеевых соединений пенопласта ПСБ с дуралюмином на эпоксидном клее ЭПЦ-1 и каучуковом клее Н-88 от кажущейся плотности пенопласта показана на рис. ІѴ.38. Прочность клеевых соединений на клее ЭПЦ-1 выше, особенно при низкой кажущейся плотности. Это объясняется тем, что он про­ никает между гранулами в граничный слой пенопласта, вызывая тем самым его упрочнение. При повышении ка­ жущейся плотности ПСБ упрочняющее действие эп­

136

оксидного клея на граничный слой пенопласта снижается. Прочность клеевых соединений практически не изменя­ ется при температурах от — 40 до +60 °С.

Деформация в водной среде и сопротивление пенополистирола гидростатическому давлению

Для испытания пенополистирола на деформируе­ мость в водной среде 59 применяли образцы в виде брус­ ков размером 300X20X10 мм, вырезанные в одном на­ правлении плоскости плиты. Их предварительно выдер­ живали над хлористым кальцием, высушивая до посто­ янной массы. Для предотвращения смятия пенопласта во время измерения длины образцов на их торцы на­ клеивали с помощью эпоксидного клея алюминиевые пластинки (размером 20ХЮХ2 мм), имеющие углубле­ ние, в которое при измерении длины образцов вставля­ ли опорные металлические шарики диаметром 3 мм.

Деформируемость пенополистирола изучали при по­ стоянном (непрерывном) и периодическом увлажнении. При постоянном увлажнении образцы полностью погру­ жали в воду с температурой 20—50 °С и термостатировали. Каждый цикл периодического увлажнения состоял из увлажнения образцов (в течение 96 ч) и высушива­ ния (в течение 72 ч). Циклическим испытаниям подвер­ гали как сухие, так и предварительно увлажненные в течение 1000 ч образцы.

Впроцессе испытаний периодически измеряли длину

иводопоглощение образцов. Для измерения длины об­ разцы устанавливали в калиброванном штативе и ис­ пользовали индикатор часового типа с ценою деления 0,01 мм. При высушивании образцы устанавливали в штативах и обдували воздухом, периодически фиксируя по индикатору изменение длины образцов во времени. Каждый образец пенополистирола подвергался трех­ кратным испытаниям. Вариационный коэффициент59; характеризующий рассеяние данных по деформируемо­ сти пенопластов в водной среде, находится в пределах

2- 8%.

Для пенополистирола ПСБ эффекта начального на­ бухания увлажненных образцов не наблюдается. При начальном увлажнении происходит усадка образцов, ко­ торая зависит от кажущейся плотности образцов. С

•137

уменьшением кажущейся плотности усадка образцов возрастает (рис. IV.39). При дальнейшем увлажнении наблюдается постепенное набухание пенополистирола 5Э.

Сопротивление пенополистирола гидростатическому давлению 60 определяется на приборе61, представляю­ щем собой герметическую камеру, передние стенки ко­ торой выполнены из органического прозрачного стекла,

Время, ч

Рис. ІѴ .39. Деформируемость в водной среде пенополи­ стирола ПСБ кажущейся плотности 18 (1) и 73 кг/м3 (2).

что позволяет визуально наблюдать и фотографировать внешнюю форму образца при изменении давления. В за­ полненную водой камеру помещают испытуемый обра­ зец, подвешенный к нижнему концу оттарированной пру­ жины, прикрепленной к крышке камеры. К образцу крепится груз, не позволяющий ему всплыть на поверх­ ность. После того как крышка камеры закрыта, фикси­ руется исходное положение образца по специальной шкале. Затем давление в камере поднимается до задан­ ного значения, при этом происходит деформация пружи­ ны, пропорциональная изменению объема испытуемого образца. Образец выдерживают при заданном давлении в течение 3 мин, затем давление снимается. Через каж­ дые 30 мин проводят последующие циклы.

Исследованию подвергали образцы прессового пено­ полистирола с кажущейся плотностью 0,014—0,517 г/см3 цилиндрической формы диаметром 60 мм.

.Испытания показали, что по скорости изменения ка­ жущейся плотности весь цикл можно разделить на че­

138

тыре этапа: три, на которых происходит последователь­ ное увеличение кажущейся плотности с повышением дав­ ления, и четвертый — восстановление кажущейся плот­ ности с уменьшением давления. На первом этапе про­ исходит заполнение водой частично поврежденных пор, находящихся на поверхности образца, а также эластич­ ная деформация всей пористой структуры. Кажущаяся плотность образца с увеличением давления повышается незначительно (до 6%), причем, независимо от числа циклов испытания она изменяется мало. Давление на этом этапе тем больше, чем выше кажущаяся плотность образца. На втором этапе с повышением давления рез­ ко увеличивается кажущаяся плотность образца (на 60—75%). Давление на этом этапе практически не за­ висит от кажущейся плотности материала и составляет 10—15 кгс/см2. На третьем этапе сжатия кажущаяся плотность образца пенополистирола плавно приближает­ ся к значению плотности невспененного материала. Дав­ ление на этом этапе составляет несколько сот атмосфер.

После достижения определенного давления и после­ дующей выдержки давление постепенно снижали. При изменении давления от 50 до 5 кгс/см2 кажущаяся плотность образцов не изменялась и только при давле­ нии ниже 2—5 кгс/см2 скачкообразно уменьшалась. Общее уменьшение кажущейся плотности образца в конце этого этапа тем больше, чем меньше кажущаяся плотность материала.

Коэффициент внешнего трения пенополистирола

Изменение коэффициента трения пенополистирола при его скольжении по стальной полированной поверх­ ности в зависимости от условий трения (температуры, давления на образец, скорости скольжения) можно оп­ ределять 62 с помощью прибора ТР-2. Прибор позволяет измерять коэффициент трения образца из пенополисти­ рола о стальной диск при температуре от 20 до 300°С и скоростях от 0,9 до 10 м/мин. Испытания проводили на образцах с кажущейся плотностью 20—21 кг/м3, ко­ торые предварительно термостатировали.

Поскольку у пенополистирола остаточная деформа­ ция после 70%-ного сжатия составляет примерно 50% начальной высоты, а модуль упругости при одноосном

139