大变形压缩条件下聚氨酯弹性体的力学性能研究

2022-05-17张瑞杰张一帆陈建港孙宝龙张慧莉

水利与建筑工程学报 2022年2期

张瑞杰，张一帆，张凡，徐进，陈建港，孙宝龙，张慧莉

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2.四川奥思特边坡防护工程有限公司，四川成都 610000)

聚氨酯弹性体是一种介于塑料和橡胶之间的新型高分子材料[1-8]。聚氨酯弹性体具有硬度范围宽、强度高、富有弹性、耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐辐射、耐低温等特性，因此在各行各业得到了广泛的应用[9-16]。聚氨酯弹性体具有很好的回弹性能，同时能够消除变形带来的能量，这给聚氨酯弹性体带来了广阔的应用空间，对聚氨酯弹性体进行力学性能和吸能的研究具有重要意义。在对聚氨酯弹性体力学性能的研究中，高拉伸强度且回弹性能效果明显被许多研究者进行研究[17-22]。然而，在压缩试验中，聚氨酯弹性体表现出同样优秀的缓冲吸能特性。聚氨酯弹性体的抗压缓冲吸能特性也拥有广阔的应用空间，例如：滑坡、地震等自然灾害给人们带来了极大的危害[23-25]，可以利用聚氨酯弹性体的减振缓冲性能制作减振、吸能材料。

赵华等[26]研究了聚氨酯弹性体材料在压缩变形时的应变率相关特性，考虑了不同压缩应变率的响应特征，建立了聚氨酯弹性体材料的非线性粘弹本构模型。刘高冲等[27]通过对聚氨酯弹性体进行拟静态和动态加载条件下的单轴压缩试验，从应变能密度函数形式与试验曲线形状之间的关系，提出了一种以“三项式”形式的应变能函数得到应变率的本构模型。信支援等[28]通过对改性聚氨酯弹性体性能测试，对压缩永久变形的影响因素进行了分析。张英琦等[29]同样通过动静态力学试验，考虑了温度的影响，提出了一种聚氨酯弹性体材料含温度效应项的粘-超弹本构模型。Nahuel等[30]通过对聚氨酯弹性体进行单轴压缩和循环单轴压缩试验，对比Arruda-Boyce和Bergstrom-Boyce两种本构模型发现，两者都适用于单轴压缩试验，而后者同样适用于循环单轴压缩试验。对于聚氨酯弹性体受压力学性能主要是强度和永久变形等方面[31-33]，对于大变形条件下的力学性能的研究还比较少。

通过拟静态单轴压缩试验，测得圆柱和立方体两种不同形状的聚氨酯弹性体在单次受压和三次重复受压情况下的应力-应变曲线以及在十次重复压缩试验下应变为0.5和0.7的压力值和吸能值，对聚氨酯弹性体的力学性能进行研究，并且比较重复压缩情况下吸能效果的变化，为以后的相关研究和工程应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 聚氨酯弹性体材料的合成

原材料：聚己内酯多元醇：EG起始，牌号为2202，质量份数为100；MDI，纯MDI和液化MDI按照质量比8:1比例进行混合，质量份数为52；扩链剂1,4丁二醇，质量份数为25.5。

制备过程：将聚己内酯多元醇在120℃脱水2 h，温度降到75℃时，加入混合好的MDI，搅拌加热至80℃，抽真空进行反应4 h，制得预聚体；在预聚体中加入1,4丁二醇扩链剂，加热到110℃，搅拌均匀后，浇筑入100℃的模具，升温至120℃，保持72 h。等模具降温至室温后拆模，在空气中后熟化15 d。

1.1.2 聚氨酯弹性体材料的基本特性

本次试验采用的聚氨酯(PU)弹性体是圆柱体和立方体两种形状的浇注型聚氨酯弹性体。表1和表2分别是圆柱体和立方体试件的材料参数(尺寸的误差范围在±5 mm，硬度的误差参数在±5HA)。

图1 试验试样

表1 圆柱参数

表2 立方体参数

1.2 试验方法

拟静态单轴压缩试验的主要仪器有：量程为2 000 kN，精度为0.01 kN的液压式试验机和邵氏A硬度计。前者进行压缩试验，试验控制荷载速率为0.2 kN/s，后者测量硬度。分别对圆柱和立方体聚氨酯弹性体各进行十次重复压缩试验，利用前三次试验数据计算并绘制聚氨酯弹性体的应力-应变曲线、吸能特性曲线，记录十次试验应变为0.5和0.7时的应力值，计算十次试验中应变为0.5和0.7时聚氨酯弹性体吸收的能量。

2 试验结果与讨论

2.1 试样外观变化

图2为聚氨酯弹性体压缩试验中试样状态。由图2可知，十次大变形压缩实验并没有将试样破坏。聚氨酯弹性体有很好的弹性，实验刚结束，圆柱体试样就已经基本回复成原样，而立方体试样则出现了较明显的变形。将两种试样放置一段时间，圆柱体试样和立方体试样均能基本恢复为原来的形状。

2.2 力学特性

2.2.1 应力应变特性

图3为聚氨酯弹性体前三次受压应力-应变曲线。由图3可知，圆柱体聚氨酯弹性体和立方体聚氨酯弹性体表现出相同的应力应变特性。聚氨酯弹性体的应力在开始阶段随着应变的变化呈线性增加，而后随着应变的变化呈非线性增加。整体变化分为三个阶段：线性变形阶段，应变增加速率大而应力增加速率小；塑性变形阶段，应力的增加速率增大而应变增加速率降低；强化压实阶段，应变增加速率进一步降低而应力增加速率很大。应变逐渐增大，直到达到0.8左右时不再变化，此时聚氨酯弹性体被成密实状态。

比较前三次应力应变曲线可以发现，第一次的应力值大于其它两次的应力值，几乎贯穿整个受力过程，直到聚氨酯弹性体试样被压实才发生变化。这是因为聚氨酯弹性体在合成时，内部部分物质发生化学反应生成塑性胶结结构，这种结构并不稳定，在外力作用下会发生破坏，且破坏后无法恢复。从图3可以看出，聚氨酯弹性体内部塑性胶结结构想要被完全破坏需要的试验次数并不统一，立方体聚氨酯弹性体在经历一次大变形压缩试验后内部的塑性胶结结构基本被破坏，变成弹性体，其特征是在之后两次压缩试验中，应力-应变曲线基本重合。而圆柱体聚氨酯弹性体经过一次压缩试验还存在少部分胶结结构，后两次试验曲线未完全重合。

图3 应力-应变曲线

2.2.2 疲劳特性

图4为聚氨酯弹性体应变分别为0.5和0.7的十次重复压缩的应力变化曲线。聚氨酯弹性体受压应力随着压缩次数的增加而降低，当应变不同时应力的变化情况又略有不同。当应变为0.5时，第一次压缩应力明显高于其它几次，之后几次试验，随着压缩次数的增加，应力降低幅度很小；当应变为0.7时，前两次试验引力降低幅度很大，之后几次试验应力明显呈下降趋势，立方体试样在经过多次压缩(6次)，应力有趋于稳定的迹象。在大变形压缩条件下，聚氨酯弹性体中的胶结结构经过一次(应变为0.5)或者多次(应变为0.7)受力基本被破坏。表3为聚氨酯弹性体十次受压应变为0.5和0.7对应的应力值。当应变为0.5时，前两次试验应力值降幅为圆柱体49.9%、立方体53.3%，圆柱体和立方体试样第十次比第二次降低了18.4%，22.2%；当应变为0.7时，圆柱体和立方体前两次试验应力值降幅分别为20.55%、37.93%，圆柱体和立方体试样第十次比第二次降低了28.46%、40.85%。这说明在大变形压缩条件下，塑性胶结对小应变影响较大，排除塑性胶结的影响，则压缩变形越大，对材料的损害也越大，材料强度降低也越大。总体而言，聚氨酯弹性体受压低应变压力变化逐渐维持稳定，高应变有趋于稳定的趋势，表现出了良好的耐疲劳性。

图4 重复压缩应力变化曲线

表3 重复压缩应力值

3 吸能特性

聚氨酯弹性体是一种优秀的吸能材料，受压时可以像弹簧一样发挥作用。为了能够反映聚氨酯弹性体的吸能效果，本次试验通过分析聚氨酯弹性体在受压时吸能特性，绘制了圆柱体和立方体聚氨酯弹性体受压过程中吸能特性曲线以及在十次重复压缩下应变为0.5和0.7吸能值(W0.5、W0.7)变化曲线。图5分别为圆柱体和立方体聚氨酯弹性体前三次受压吸能特性变化曲线。聚氨酯弹性体的吸能值随着应变的增加呈非线性增加。能量的吸收主要发生在后两个阶段，这是由于试样受压有较长的塑性变形平台和强化压实区，变形较小即可吸收大量能量。由于聚氨酯弹性体中存在不稳定的塑性胶结结构，这些结构受压破坏时吸收大量能量，造成了第一次受压吸能值明显要大于其它几次。

图5 吸能特性曲线

表4 重复压缩吸能值

图6为聚氨酯弹性体应变为0.5和0.7的十次重复压缩吸能变化曲线。大变形压缩条件下，随着压缩次数的增加，聚氨酯弹性体吸能逐渐减少，但降低幅度逐渐减小。应变较小时，吸能随着压缩次数的增加趋于稳定或者降低很少。无论是圆柱体还是立方体聚氨酯弹性体第一次压缩吸能效果明显好于其他几次，且前两次吸能值降幅最大：当应变为0.5时，圆柱体试样吸能降幅为58.95%，立方体试样吸能降幅为60.09%；当应变为0.7时，圆柱体试样吸能降幅为50.88%，立方体试样吸能降幅为52.85%。第二到第十次吸能变化幅度逐渐减小，第二次受压吸能到第十次受压吸能的降幅为：圆柱体降幅21.53%(应变为0.5)、20.37%(应变为0.7)；立方体试样33.62%(应变为0.5)、37.73%(应变为0.7)。经过多次重复大变形压缩试验，聚氨酯弹性体仍能保持良好的吸能特性。