硬质聚氨酯因其重量轻、隔热性能好和高强度等特点,在机械、交通和医疗器械等众多领域被广泛运用,在建筑领域的应用更是普遍。近几年,中国直埋供热管道建设的不断发展,聚氨酯因具有良好的保温隔热性能被大量用于供热管道中,在降低管道热损耗的同时还能很好吸收管道释放的位移,但由于聚氨酯是注浆发泡而成,发泡质量难以控制;与此同时,由于与钢管外壁直接接触,聚氨酯会受到高温作用,因此该环境下的力学性能备受关注。众多研究表明,温度、表观密度和应变率都会影响聚氨酯的力学性能,当聚氨酯需要承受荷载时,经常因为其材料力学性能达不到设计要求被舍弃,极大地限制了聚氨酯的应用。 

1实验概况

1.1试件制备

    图1为发泡后的成品聚氨酯大块试样经切割打磨而成的标准试样,左边是密度为60kg/m3 的聚氨酯,表面粗糙,孔隙较多;而右边是密度为 80kg/m3 的聚氨酯,其表 面 相 对 光 滑,密 实 紧 凑。根 据 GB8813—2008 《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》中规定,试样厚度选为(50±1)mm,受压面积尺寸为100mm×100mm,上、下 面都经砂纸打磨,两平行面的平行度公差不超过1%。

1.2主要实验设备

    微机控制电子式万能试验机:WDW-100E型,济南时光有限公司;电热鼓风干燥箱:GZX-9240MBE 型,杭州良宇有限公司;自动切石机:SCQ-6型,姜堰先科机电制造公司。

1.3实验方法

    将制作好的试样分别放置在室温(23±2)℃、50 ℃、75 ℃和100 ℃四种环境温度下,为了使聚氨酯温度尽可能接近实验温 度,在该环境中至少放置6h。如图2所示,将经过温度处理的 试件放在 MTS万能试验机进行单轴压缩实验,控制加载速率分 别为0.5 mm/min、1.0 mm/min、1.5 mm/min和2.0mm/min,观察实验过程中试件形态变化,同时绘制两种密度、不同温度和 不同加载速率下的压缩应力-应变曲线。 

2.1试件压缩时的形态变化特征

    如图3所示,随着轴向荷载的增大聚氨酯试 块的变形越来越明显,主要破坏形式表现为试件 的四侧出现折痕、外鼓内凹,且随着荷载的增加愈 加明显,局部形变相当严重,但整个实验过程中试 件始终没出现破裂。当轴向荷载撤去时,试块的 部分变形逐渐恢复到初始状态,表明聚氨酯是一 种良好的弹塑性材料。

2.2表观密度对聚氨酯力学性能的影响

    通过单轴压缩实验,获得两种密度聚氨酯在室温、加载速率 为2mm/min下的应力-应变曲线如图4所示。可以看出,两种密度的聚氨酯应力-应变曲线变化规律基本相同,大致可划分为 以下3个阶段:1)致密压实阶段。由于聚氨酯是一种多孔的材料,在轴向压力的作用下,孔隙被压缩使聚氨酯分子之间更加紧 凑密实,该阶段应力-应变特征表现为随着轴向压力的增加其弹性模量也逐渐增加。2)线弹性阶段。当体内孔隙被完全压缩后,应力-应变关系呈线性变化。3)屈服阶段。随着应变的增加,聚氨酯应力基本保持不变,接近为一条水平线。其次,密度为80kg/m3的 聚 氨 酯 抗 压 强 度 达 到 650 kPa 左 右,而 密度为60kg/m3的聚氨酯其抗压强度只有400kPa,下降了近40%,线弹性阶段的弹性模量也明显更小,说明聚氨酯的力学性能受发泡水平影响,发泡越充分,其孔隙越多,弹性模量和抗压强度反而越低。 

2.3温度对聚氨酯力学性能的影响

    图5为密度为80kg/m3、加载速率为1mm/min时分别在室温、50 ℃、75 ℃和100 ℃下的轴向压缩应力-应变曲线。可 见,温度对聚氨酯应力-应变曲线仍可大致分为前文三个阶段。

    但经过高温处理后的聚氨酯,致密压实过程明显更加短暂,这可能是由于聚氨酯受热发生膨胀,孔隙体积被压缩,聚氨酯内部比较充实,从而很快进入了线弹性阶段。提取聚氨酯在不同温度下的极限抗压强度与弹性模量,总结其规律如图6、图7所示。随着温度的升高,聚氨酯抗压强度逐渐降低,当 经 过 100 ℃ 的 高 温 处 理 后,抗 压 强 度 从 常 温 的650kPa降到了450kPa,降幅约为30%;而弹性模量同样下降明显,从20.5MPa降到了12MPa,下降了近40%。可见,聚氨酯的力学性能受温度影响较大。

2.4加载速率对聚氨酯力学性能的影响

    图8为常温下密度为80kg/m3 的聚氨酯在0.5mm/min、1.0mm/min、1.5mm/min和2.0mm/min四 种加载速率下的应力-应变曲线,相比于温度的影响,加载速率对聚氨酯弹性模量与抗压强度影响较小,表明 在一定范围内加载速率的影响可以忽略。