4.1. Піногума

Піногума - це ізотропний, еластичний піноматеріал з сполученими порами, основу твердої фази якого становить еластомер. Завдяки високій еластичності, гарним амортизаціонним властивостям, низької густини піногума знаходить застосування при виготовленні м’яких елемен­тів мебелі, сидиння автотранспортів, а також в ряді галузей промисловості в якості амортизаторів , теплозвукоізолюючих матеріалів.

4.1.1. Властивості піногуми, як конструкційного матеріалу.

В умовах експлуатації, в більшості випадків, вироби із піногуми випробовують деформацію стиснення.

Тому найбільш важливою характеристикою піногуми є опір стиснення.Тому найбільш важливою характеристикою піногуми є опір стиснення. Цей показник при інших рівних умовах, визначає вантажнонесущу здатність виробів і їх комфортабельність.

Такі показники піногуми, як залишкова деформація в умовах статичного й динамічного навантажения, стійкість до старіння визначають довговічність виробів,

При виготовленні виробів з піногуми, а також при монтажі цих виробів вони можуть піддаватися значному розтягненню, результатом якого може бути розрив. В цих умовах істотне значенння здобувають стійкі властивості піногуми.

При використанні піногуми як теплоізолюючого матеріалу визначальними стають теплофізичні характеристики цього матеріалу.

При експлуатації виробів в умовах низьких температур визначальним показником є морозостійкість піногуми.

Тому для характеристики піногуми як конструкційного матеріалу застосовують сукупність декількох показників, перелік яких наведений у табл. 4.1,

У цій же таблиці наведені можливі межі зміни властивостей піногуми, а також властивості конкуруючого з піногумою еластичного пінополіуритана (ППУ)

Зіставлення фізико-механічних властивостей піногуми й еластичного ППУ показує, що основна перевага еластичного ППУ -і більше низька

Таблиця 4.1.

Властивості піногуми і еластичного ППУ

Найменування показника		Одиниця виміру			Метод визначення		Межі зміни умов				Методи випробування по відношенню до Міжнародних стандартів ISO
					Документація Росії	Сутність методу	Піногума		Еластичний ППУ
Щільність, яка здається		кг/м³			ГОСТ 490-77 Пласмаси ячеїсті і гуми губчасті . Метод визначення щільності, яка здається.	Визначення маси остаточного зразка,яка припадає на одиницю об’єма­	50...250		30...50		ISO-845
Опір стисненню		кН/м2, кгс/смг			ГОСТ 20014-83 Гума губчас­та. Метод визначення опору стиснення	Визначення зусилля для стиснення зразка на задану(40%) величину деформації	3,0...50,0 (0,03. ..0,5)		1,0...3,0 (0,01...0,03)		_____
Твердість		Н, (кгс)			ГОСТ 24616-81 Пласмаси ячеїсті і гуми губчасті. Метод визначення твердості	Визначення зусилля вдавлення індентору у вигляді диску діаметром 200мм на величину деформації 40%	30...240 (3...24)		_____		ISO-2439
Остаточне стиснення при статистичному стисненні		%			ГОСТ 11722-78 Гума губча­ста. Метод визначення остаточного стиснення	Визначення остаточного стиснення після витримки зразків у стисненому стані при деформації 50%, при температурі 70˚С протягом 22г і подальшому їх відновлення	4. ..10		12...30		ISO-1856
	Залиш- кове стиснення у динамічних умо­вах		%	ГОСТ 25640-83 Виробу з піногуми для промислового, сільського-подарського й транспортного машинобудування Розділ 3.10.		Визначається остаточно стиснення зразків­ після багаторазово-го (250000 цик­лів) стиснення на 50% с частотою 250 циклів в хвилину і наступного їх відновлення	2...82			15...25 15	ISO-3385
	Коефі-цієнт старіння з опору стисне-ння		%	ГОСТ 9.709-83 Гума пориста. Метод прискореного випробування на стійкість до термічного старіння. Зразки піддають впливу температур 70°С або 100°С в плин 96 або 72 часів і визначають їх стійкість зі зміною опору стиснення			від -20 до +30 (старіння при 100°С в перебігу 72 ч)			-	ISO-2440
	Міц-ність при розтязі		кН/м2, кгс/смг	ГОСТ 11721-72 Гума губчас­та. Метод визначення пружно-стійких властвивостей при розтязі		Визначається сила до подовження зразків в момент розриву при розтязі зразків з по­стійнною швидкістю		30...30150 (0,3.150 (0150 (0,3. ..1,5)		150...150180 (1,5.180180 (1,5.-1,8)	ISO-1798
	Відносне подов-ження при розриві		%					130...130350		200...200300	-
	Коефіцієнт морозо­стійко­сті при -40°С		Без роз-мірна величина	ГОСТ 12967-67 Гума губчас­та. Метод визначення коефіцієнта морозостійкості		Визначається зміною де­формації зразка під певним стискаючим на­вантаженням післе експозиції при мінусової температурі		0,5. ..1,0		-	-

щільність, отже, менша в порівнянні з піногумою вартість сировини на одиниці об'єму.

Однак при зазначеній щільності поліуретан має через низький опір стиснення, низьку вантоженесучу здатність, а через більші деформацій в умовах статичного й динамічного стиснення істотно меншу довговічність, ніж піногума (8...12 років, проти 15...20 років).

Істотною перевагою піногуми є незначні гістерезисні втрати (рис.4.1), висока еластичність і рівномірна деформація стиснення при збільшенні навантаження.

При деформації стиснення еластичного ППУ спостерігається, так званий, "провал", коли деформація відбувається без додаткового збільшення зусилля стиснення, що негативно позначається на комфортабельності виробів.

Рис 4.1. Гістерезисні петельки при стисненні піногуми (1) і еластичного піноуретану (2)

Виготовлення ППУ зв’язано із застосуванням токсичних сировинних матеріалів. При горінні ППУ виділяються ток­сичні, отруйні речовини (ціаністі сполуки).

Незважаючи на конкуренцію між піногумою й еластичним ППУ вважається, те, що вони доповнюють один одного й при виборі того або іншого матеріалу зіставляються, з одного боку, вартість виробів і довговічність виробів, їхня комфортабельність й екологічна безпека - з іншої.

У технічний літературі, присвяченої вивченню факторів, що впливають на властивості піногуми, можна умовно виділити дві групи робіт.

Перша група присвячена пошукам рецептурних і технологічних рішень, спрямованих на поліпшення фізико-механічних показників піногуми.

У цих роботах наводяться численні рекомендації зі збільшення опору стиснення піногуми і її стійких властивостей які за рахунок зміни твердої фази піногуми (вибір властивостей полімеру латексу, рецептури латексних композицій), так і за рахунок "поліпшення" структури піногуми (вибір колоїдних властивостей латексу, що спінюють і желатонуючих агентів, умов желатонування й вулканізації), хоча в понятті "гарної" структури вкладався, як правило, недостатньо чіткий зміст (малопо­ріста, рівномірна, бездефектна) без якоюсь кількісної оцінки.Ці данні достатно ретельно узагальнені в работах [1.. .4].

В другій групі робіт [5...14] автори на основі аналізу і узагальнення експериментальних данних робили спроби в більш загальній формі оцінити вплив структури і властивостей матеріалу твердої фази піногуми на її фізико-механічні властивості.

В працях [5, 6] наведено рівняння, яке зв’язує опір стиснення піногуми з щільністью піногуми:

Тут h - опір стисненню, фунт/кв. дюйм; Р - параметр, кв. дюйм/фунт;

де _ - щільність піногуми, фунт/куб.дюйм; _z - щільність гумової плівки стінки осередку, фунт/куб.дюйм.

Для піногуми з натурального латексу параметр Р, обчислений на основі експериментальних даних, склав 10*10^-3. Автор відзначає, що параметр Р залежить від типу латексу і вживаної рецептури і може змінитися в межах (6... 12)*10^-3.

У цій же роботі наводяться дані, вказуючі, що із збільшенням діаметру осередків опір стисненню піногуми збільшується, причому значніше із збільшенням щільності піногуми. У роботі [11] запропоновано рівняння для розрахунку опору стисненню піногуми з натурального латексу:

де h - опір стисненню при заданій величині деформації; К- коефіцієнт, залежний від модуля твердої фази і ступеня стиснення (при зміні ступеню стиснення від 10 до 50%, коефіцієнт К змінюється від 10,8 до 23,2 ); п -коефіцієнт, залежний від структури піногуми, і із зміною ступеню стиснення змінюється від 2,7 до 2,4.

Зміна рецептури піногуми веде до зміни чисельних значень коефіцієнтів n і К.

У роботах [12... 14] був здійснений теоретичний розрахунок моделі структури піногуми. Модель була тривимірною сіткою, що складається з великого числа тонких ниток, сполучених в деякому об'ємі, що не деформується. Була розглянута деформація сітки в умовах стиснення з урахуванням подовжнього вигину ниток. Авторами запропоновано розрахункове рівняння для визначення стискаючого зусилля піногуми:

де Е - модуль Юнга монолітної гуми;  - параметр, пов'язаний з щільністю піногуми (_) рівнянням

() - функція зближення кінців нитки в моделі піногуми, початкова довжина якої l_о, а довжина після деформації - l.

Складність використання рівняння полягає в тому, що значення функції () необхідно спочатку визначати з експериментальних даних, а її значення змінюється із зміною типу латексу і рецептури піногуми.

У роботі [12] запропоновано рівняння для розрахунку енергії розриву піноматеріалів:

де Е_ - енергія розриву піногуми при розтягуванні; _- щільність піногуми; Е - енергія розриву монолітної плівки; l_о - довжина недеформованої нитки в теоретичній моделі піногуми; z - глибина тріщини раздіра (мабуть, в реальній піногумі максимальний розмір пор).

Відношення побічно характеризує неоднорідність пористої структури, із збільшенням z неоднорідність збільшується. Самі автори указують, що рівняння лише якісно показує зв'язок між енергією розриву піногуми, з одного боку, і властивостями плівки стінки осередку, що становить, і структурою піногуми з іншою. Розрахункові ж і експериментальні дані хоч і одного порядку, але розрізняються у декілька разів.

У роботах [1...10] як показники, що характеризують структуру піногуми, разом з щільністю, що здається, залежною від співвідношення в пенорезіне твердої фази і повітря, середнього розміру осередків і їх розподілу за розмірами, кількості, відкритих і закритих пір, був запропонований кількісний показник "коефіцієнт структури".

Останній в сумарному вигляді характеризує ступінь дефектності структури піногуми і чисельно рівний відношенню межі міцності при розриві піногуми, розрахованого на площу перетину, зайняту твердою фазою, до межі міцності при розриві монолітної гумової плівки того ж складу:

де К- коефіцієнт структури; ₁ - міцність при розриві піногуми, розрахована на площу поперечного перетину зайняту твердою фазою; _р - міцність при розриві матеріалу монолітної гумової плівки того ж складу.

Величина ₁ розраховується по формулі:

де _п - міцність піногуми; _п - щільність піногуми; _р - щільність матеріалу монолітної плівки.

Чим вище коефіцієнт структури, тим менше дефектів має структура піногуми.

Проте, значення К принципово не може бути рівне одиниці, оскільки мікродефекти закладені в самій структурі піногуми, що має до 95% пор,які сполучаються.

Враховуючи, що основний вид деформації стінок осередків при її стисненні є вигин [12...14], як показник, відповідальний за опір стисненню піногуми була вибрана [9, 10] жорсткість при вигині матеріалу стінок осередків, а показника, відповідального за міцнісні властивості піногуми, -міцність матеріалу стінок осередків. Представлені на рисунках 4.2...4.4 дані показують, що істотний вплив на опір стисненню піногуми роблять її щільність і жорсткість при вигині матеріалу плівок стінок осередків, Збільшення середнього діаметру осередків хоч і приводить до деякого збільшення опору стисненню піногуми, внесок цього параметра структури піногуми неістотний.

Міцність піногуми при розтягуванні (рисунки 4.5 і 4.6) істотно залежить від міцності при розтягуванні матеріалу стінок осередків і щільності піногуми. При цьому зростання міцності піногуми при розтягуванні із збільшенням щільності спостерігається тільки до значень щільності 170...180 кг/м³. При цих і вищих значеннях щільності піногуми зростання міцності при розтягуванні піногуми із збільшенням міцності матеріалу стінок осередків припиняється.

Рис. 4.2. Залежність опору стисненню піногуми від уявної густини (середній розмір осередків 0,12.. .0,16 мм). Жорсткість гумових плівок стінок осередків, Н: 1-0,20; 2-0,18; 3-0,10; 4-0,08

Рис. 4.3. Залежність опору стисненню піногуми від жорсткості гумових плівок стінок осередків. Уявна щільність кг/м³: 1 - 210; 2 - 190; 3 - 120; 4 -90; 5-80

Рис. 4.4. Залежність опору стисненню піногуми (композиція на основі натурального і бутадієн-стирольного латсексів, взятих в співвідношенні 50:50) від середнього діаметру осередків. Уявна щільність, кг/м³: 1 - 130; 2- 120; 3 - 110; 4- 100; 5-90

Рис. 4.5. Залежність міцності при розтягуванні піногуми від міцності матеріалу стінок осередків. Уявна щільність, кг/м³; 1 - 90; 2 - 100; 3 - 110; 4 -130; 5 - 170; б-180...210

Рис. 4.6. Залежність міцності при розтягуванні піногуми від її уявної густини (середній діаметр осередків 0.12...0,16 мм): 1 - піногума з натурального латексу; 2 - піногума з композиції на основі натурального і бутадієн-стирольного латексів, узятих в співвідношенні 50:50; 3 - піногума з композиції на основі натурального і бутадієн-стирольного латексів, узятих в співвідношенні 25:75

На відносне подовження піногуми робить істотний вплив відносне подовження матеріалу стінок осередків (рис. 4.7). Щільність піногуми на її відносне подовження при розриві практично не впливає (рис. 4.8).

Міцність і відносне подовження при розтягуванні піногуми істотно залежать від коефіцієнта структури (рис. 4.9).

Рис. 4.7. Залежність відносного видовження при розриві піногуми від відносного видовження матеріала стінок осередків: - уявна густина 210 кг/м³; ○ - уявна густина 170 кг/м³; ■- уявна густина 130 кг/м³; ○ - уявна густина 130 кг/м³; ▲- уявна густина 120 кг/м³; □ - уявна густина 90 кг/м³

Збільшення середнього діаметру осередків в межах до 0,2 мм, хоч і призводить до деякого зниження міцності і відносного подовження при розтяганні піногуми, вплив цього параметра структури піногуми несуттєвий (рис. 4.10 й 4.11). Очевидно, вплив середнього діаметра комірок побічно враховано в значенні коефіцієнта структури.

Рис.4.8. Залежність відносного видовження при розриві піногуми від її уявної густини. Середній діаметр осередків 0,12...0,16 мм: 1- піногуми з натурального латексу; 2-піногума з натурального і бутадієн-стирольного латексів, взятих у співвідношенні 50:50; 3- піногуми з натурального, бутадієн-стирольного, і стирол-бутадієнового латексів, узятих у співвідношенні 35:60:5

Установлено, що сам коефіцієнт структури зменшується зі збільшенням міцності при розтяганні матеріалу стінок комірок піногуми й збільшення густини піногуми понад 170. ..180 кг/м³ (рис 4.12 й 4.13). Дане явище пов'язане з особливостями формування в піногумі структури зі сполученими порами; Раніше в розділі 3.6 було показано, що зі збільшенням міцності матеріалу стінок комірок, формування структури зі сполученими порами відбувається з меншою швидкістю й характеризується нерівномірністю розривів стінок комірок. Останнє призводить до утворення дефектів у структурі піногуми й, як наслідок, обумовлює зменшення коефіцієнта структури.

Рис.4.9. Залежність міцнісних властивостей піногуми від коефіцієнта структури. Уявна густина: 1- міцність при розтягненні; 2-відносне видовження при розриві

Із цих позицій порозумівається й вплив гаданої щільності піногуми на коефіцієнт структури. Починаючи з певного значення уявної густини (170...180 кг/м³), плівки між комірками стають занадто товстими, що в умовах формування структури зі сполученими порами збільшує ймовірність нерівномірного, грубого руйнування структури й утворення небезпечних дефектів.

Рис. 4.10. Залежність міцності при роз тяжінні піногуми від середнього діаметру осередків. Піногума з композиції на основі натурального та бутадієн-стирольного латексів, взятих в співвідношенні 50:50. Уявна густина, кг/м³: 1-90; 2- 110; 3 - 130

Рис. 4.11. Залежність відносного видовження піногуми від середнього діаметра осередків: ■- уявна густина, 110 кг/м³;  - уявна густина, 130 кг/м³

Дані, представлені на рис. 4.12 й 4.13, пояснюють причину припинення росту, міцності при розтяганні піногуми зі збільшенням її густини (рис. 4.6) і відсутність залежності міцності при розтяганні піногуми від міцності матеріалу стінок комірок при високих значеннях густини (рис. 4.5).

Таким чином, збільшення міцності матеріалу стінок комірок, поряд з позитивним впливом на міцність піногуми, може негативно вплинути на структуру піногуми, а, отже, і на її фізико-механічні властивості. Кінцевий результат буде визначатися тим, який з факторів виявиться переважаючим.

Рис. 4.12. Залежність коефіцієнта структури піногуми від міцності при розтягненні гумової плівки, що складає стінки осередків

Рис. 4.13. Залежність коефіцієнта структури піногуми від її уявної густини: 1-піногума з натурального латексу; 2- піногуми з натурального і бутадієн-стирольного латексів, взятих у співвідношенні 50650; 3- піногуми з бутадієн-стирольного латексу

Дані, представлені на рис. 4.4...4.13, дозволили вивести методом множинної кореляції декількох змінних, з урахуванням значимості кожної змінної, рівняння для розрахунку опору стисненню, міцності й відносному видовженню при розтяганні піногуми:

Н = 0,418γ + 148h – 46,7,

σ_n = 0,03 γ + 2,3σ_р + 18,3·К·10² – 54,8,

ε_n = 0,451 ε_р + 17,0·К·10² – 197,

де Н, σ_n, ε_n – опір стисненню, кН/м²; міцність при розтягуванні, кН/м², відносне видовження при розриві піногуми, %, відповідно; γ – уявна густина піногуми, кг/м³; h твердість матеріалу стінок осередків, Н; σ_р – міцність при розтягуванні матеріалу стінок комірок, мПа; ε_р – відносне видовження при розриві матеріалу стінок комірок, %; К – коефіцієнт структури.

Рівняння можуть бути використані для прогнозування властивостей піногуми із густиною від 80 до 170 кг/м³, а також для визначення властивостей матеріалу стінок комірок, що забезпечують одержання піногуми із заданими характеристиками.

Визначальний вплив на коефіцієнт теплопровідності й об'ємну теплоємність робить уявна густина піногуми. Теплофізичні характеристики піногуми в діапазоні уявної густини не залежать від типу латексу, який застосовують для виготовлення піногуми (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Залежність теплофізичних властивостей піногуми від її уявної густи: 1- теплопровідність, Вт/м*К; 2- температуропровідність, (м²/с)*10⁷; 3- об'ємна теплоємність, (кДж/м³*К)*10^-2; х- піногуми з натурального волокна; - піногуми з бутадієн-стирольного латекса;■- піногуми із бутадієн-нітрильного латексу

На відміну від опору стисненню й міцністних характеристик, такі показники як залишкова деформація в умовах статичних і динамічних навантажень, коефіцієнт старіння піногуми практично не залежать від параметрів її структури й визначаються типом полімеру латексу, рецептурою композиції, яку застосували ступенем вулканізації піногуми.