Ппу характеристики: Свойства и технические характеристики пенополиуретана (ппу)

— Свойства и преимущества полиуретана

Устойчивость к воде, маслам и жирам
Свойства полиуретанового материала остаются стабильными (с минимальным набуханием) в воде, масле и жире. Полиэфирные соединения могут прослужить много лет при подводном применении.

Электрические свойства
Полиуретаны обладают хорошими электроизоляционными свойствами.

Широкий диапазон упругости
Упругость обычно зависит от твердости.Для амортизирующих эластомеров обычно используются составы с низким отскоком (т.е. диапазон упругости 10-40%). Для высокочастотных вибраций или там, где требуется быстрое восстановление, используются соединения с устойчивостью 40-65%. Как правило, прочность повышается за счет высокой устойчивости.

Сильные адгезионные свойства
Полиуретан связывается с широким спектром материалов в процессе производства. Эти материалы включают другие пластмассы, металлы и дерево. Это свойство делает полиуретан идеальным материалом для колес, роликов и вкладышей.

Работа в суровых условиях
Полиуретан очень устойчив к экстремальным температурам, что означает суровые условия окружающей среды, а многие химические вещества редко вызывают разрушение материала.

Устойчивость к плесени, плесени и грибкам
Большинство полиуретанов на основе простого полиэфира не поддерживают рост грибков, плесени и плесени и поэтому хорошо подходят для тропической среды. Специальные добавки также могут быть добавлены для уменьшения этого в полиэфирных материалах.

Диапазоны цветов
Пигменты различных цветов могут быть добавлены в полиуретан в процессе производства. В пигмент можно включить защиту от ультрафиолета, чтобы обеспечить лучшую стабильность цвета при наружном применении.

Экономичный производственный процесс
Полиуретан часто используется для изготовления одноразовых деталей, прототипов или крупносерийного повторного производства. Диапазоны размеров варьируются от пары граммов до частей весом 2000 фунтов.

Короткое время производства
По сравнению с обычными термопластическими материалами полиуретан имеет относительно короткое время производства при значительно более экономичных затратах на инструменты.

Полиуретан: свойства, обработка и применение

Полиуретаны представляют собой большой класс полимеров, которые можно адаптировать для широкого спектра применений, внося значительный вклад в строительство, автомобильную и электротехническую отрасли.

более широко известен как жидкие покрытия и краски, но его применение также может варьироваться от мягких эластичных пеноматериалов до жесткой изоляции. Такой широкий спектр применения возможен, поскольку существуют как термопластичные, так и термореактивные полиуретаны.

изначально был синтезирован как заменитель натурального каучука во время Второй мировой войны. Вскоре после этого универсальность этого нового полимера и его способность заменять дефицитные материалы привели к многочисленным применениям. В настоящее время на эту группу полимеров приходится 7,7% европейского спроса на пластик, уступая товарным полимерам полиэтилену, полипропилену и ПВХ [1].

Здесь вы узнаете о:

• Структура и свойства полиуретана
• Производство и переработка полиуретана
• Применение полиуретана
• Товарные сорта полиуретана

Рисунок 1 . Полиуретановые кубики.

Свойства полиуретана

Полиуретан получают в результате реакции полимеризации между диолов (или полиолов: спиртов с двумя или более реакционноспособными гидроксильными –ОН-группами) и диизоцианатов (или полиизоцианатов: изоцианатов с двумя или более реакционноспособными изоцианатными –NCO-группами) . В результате получается молекула, связанная уретановыми (COONH) связями.

Рис. 2. Полиуретановая структура [2].

Существует несколько вариантов молекул спирта и соответствующих молекул изоцианата, каждая комбинация которых дает новый полиуретановый материал с новыми свойствами. Свойства полиуретанов варьируются в зависимости от структуры этой полимерной основы и могут быть адаптированы для обеспечения высокой прочности и жесткости или высокой гибкости и ударной вязкости.

Термопластичный полиуретан против термореактивного полиуретана

Выбранная молекула полиола оказывает большое влияние на свойства и степень сшивания полиуретанового продукта.В частности, можно выбрать количество гидроксильных групп на молекулу, а также размер и гибкость углеводородной цепи, чтобы настроить механические свойства полученного полиуретанового материала.

Если диол реагирует с диизоцианатом, он образует линейный термопластичный полимер.

Если спирт имеет более двух гидроксильных групп, это приведет к образованию жесткой, сшитой термореактивной молекулы.

Таблица 1. Свойства термопластичного полиуретана .

Производство и переработка полиуретана

Учитывая, что полиуретаны создаются в результате реакции между диолами и диизоцианатами, производственный процесс можно разделить на три части:

1. Производство диолов
2. Производство изоцианатов
3. Производство полиуретана из данных компонентов.

Полиол, используемый в производстве полиуретанов, обычно представляет собой простой полиэфир (в 90% полиуретанов) или сложный полиэфир с концевыми гидроксильными группами.Кроме того, существует много ароматических и алифатических полиизоцианатов; однако наиболее важные из них, толуолдиизоцианат (ТДИ) и метилендифенилдиизоцианат (МДИ), способствуют производству около 95% всех полиуретанов [3]. TDI обычно используется в производстве мягких, гибких пенопластов для амортизации, тогда как MDI используется в производстве более универсальных жестких полиуретанов.

Если диол вступает в реакцию либо с ТДИ, либо с МДИ, в результате реакции конденсационной полимеризации образуется линейный термопластичный полимер.Если спирт имеет более двух гидроксильных групп, это приведет к образованию жесткой, сшитой термореактивной молекулы.

Обычно в смесь добавляют добавки для улучшения определенных свойств, такие как сшивающие агенты, удлинители цепи, пенообразователи, поверхностно-активные вещества, наполнители, пластификаторы, пигменты и антипирены. Вспенивающие агенты будут создавать пенополиуретан, а поверхностно-активные вещества будут контролировать образование пузырьков и, следовательно, образование ячеек пены. Наполнители повышают жесткость, пластификаторы уменьшают твердость, а пигменты добавляют материалу цвет.

Рис. 3. Отпечаток руки на матрасе из пенополиуретана с эффектом памяти после испытания на прессование.

Пенополиуретан

Два жидких реагента объединяются, образуя твердый полимер, который может быть эластичным или жестким. Это твердое вещество, однако, может также содержать пузырьки, что делает его ячеистым вспененным материалом. Эти пузырьки могут быть образованы химически или физически. Химическая продувка может быть достигнута путем добавления воды к полиолу, который, в свою очередь, реагирует с изоцианатами с образованием пузырьков углекислого газа.В качестве альтернативы физическое продувание достигается путем добавления вещества с относительно низкой температурой кипения, такого как пентан. По мере протекания экзотермической реакции полимеризации пентан нагревается и испаряется в виде пузырьков.

Эта процедура может управляться в зависимости от используемого приложения. Например, подошва обуви может быть «раздута» в два раза, а подушки — в 30–40 раз. В некоторых пенах низкой плотности для амортизации и изоляции только 3% от общего объема состоит из твердого полиуретана [3].

Применение полиуретана

Поскольку существует такое большое количество полиизоцианатов и полиолов, доступных для производства полиуретана, можно производить широкий спектр материалов для удовлетворения потребностей конкретных применений. Его относительно легкий вес и универсальность делают его оптимальным материалом для строительства, автомобилестроения, морского судоходства и даже одежды [4].

Рисунок 4. Использование полиуретанов (воспроизведено с рисунка 1 в [3])

Гибкий пенополиуретан

Гибкий пенополиуретан легкий, прочный, поддерживающий и удобный.Он обычно используется для амортизации постельных принадлежностей, мебели, автомобильных интерьеров, подложки для ковров и упаковки. Это составляет 30% рынка полиуретанов из-за их товарного использования [5].

Жесткий пенополиуретан

Жесткие пенополиуретаны являются наиболее экономичной и энергоэффективной изоляцией, значительно снижающей затраты на электроэнергию. При использовании для изоляции крыш и стен, утепления окон и дверей помогает поддерживать равномерную температуру и снижает уровень шума. Жесткий пенополиуретан также широко используется в качестве теплоизоляции в холодильниках и морозильных камерах.

Покрытия, клеи, герметики и эластомеры

могут улучшить внешний вид продукта и увеличить срок его службы. Полиуретановое покрытие можно использовать для придания блеска поверхности объекта, предлагая относительно лучшие свойства, чем традиционные лаки, шеллаки и лаковые покрытия. Втираемая полиуретановая или полиуретановая краска обычно представляет собой полиуретановое покрытие на масляной основе, наносимое на деревянные или бетонные поверхности для придания цвета и повышения долговечности, поскольку обычно оно слишком густое для распыления.Однако полиуретан на водной основе становится все более популярным, поскольку он менее токсичен и требует меньше времени для высыхания, чем его аналог на масляной основе [6].

обеспечивают прочное сцепление, особенно вскоре после его изготовления, а полиуретановые герметики обеспечивают более плотное прилегание, чем традиционные аналоги. Полиуретановым эластомерам можно придать любую требуемую форму, они легче металла, обеспечивают повышенную устойчивость к нагрузкам и очень устойчивы к воздействию окружающей среды.

Рисунок 5. Полиуретановые материалы различных форм и форм.

Свойства полиуретана | Данные полиуретанового эластомера Pleiger

Plei-Tech ® – свойства полиуретана, разработанные для выполнения

Все полиуретаны Pleiger Plastics продаются под зарегистрированным названием Plei-Tech®. Имя Plei-Tech® известно во всем мире как высококачественный полиуретан с высокими эксплуатационными характеристиками. Правильный выбор правильного полиуретана зависит от множества соображений.К ним относятся проблемы с температурой и окружающей средой, химическая стойкость, стойкость к порезам и разрывам, твердость, стойкость к истиранию, динамические характеристики и стоимость. Большинство формованных деталей требуют учета двух или более из этих характеристик, и эластомер Plei-Tech® может быть изготовлен по индивидуальному заказу с учетом этих потребностей.

Часто существует несколько эластомеров Plei-Tech®, которые удовлетворяют потребности клиента в конкретном применении. В этих случаях прототипы каждого компаунда производятся и испытываются в полевых условиях, поэтому наш клиент может выбрать наиболее экономичный полиуретановый компаунд.Этот метод предотвращает дорогостоящее «перепроектирование» полиуретановых деталей и экономит деньги.
Щелкните здесь, чтобы просмотреть список продуктов Plei-Tech.

Таблица производительности

Применение и материал

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА ТВЕРДОМЕРА

Только для сравнения. Не используйте в качестве таблицы преобразования.
Шор А					10	20	30	40	50	60		70	80		90		100
Шор Д									10		20			30		40	50	60	70	80	90	100
Шор ОО	10	20	30	40	50	60	70	80		90					100

Чтобы узнать больше о свойствах полиуретана эластомеров Pleigers, свяжитесь с нами сегодня.

Tailoring PUR Hard Block Segments

Полиуретаны представляют собой особый класс сегментированных блок-сополимеров, состоящих из чередующихся последовательностей мягких и жестких сегментов. Мягкий сегмент обычно основан на полиэфирных или полиэфирных полиолах с температурой стеклования (Tg) значительно ниже комнатной температуры, в то время как жесткий сегмент состоит из диизоцианата и удлинителя цепи. Твердый сегмент часто кристаллический.

Удлинители цепи представляют собой функциональные низкомолекулярные соединения.Химический состав твердых и мягких сегментов действует синергетически, создавая широкий спектр свойств, таких как эластичность, твердость, прочность на растяжение и изгиб, упругость и долговечность и т. д. Мягкий сегмент обеспечивает эластичность, прочность и упругость, а твердый сегмент способствует прочности, твердости и работе при повышенных температурах.

Химическая структура твердых и мягких сегментов, а также их соотношение и длина цепи оказывают существенное влияние на общие свойства полиуретана. Что касается характеристик твердого блока, выбранный изоцианат и удлинитель цепи сильно влияют на конечные механические, физические, термические и технологические свойства полиуретана благодаря их способности стимулировать разделение фаз твердого блока и способствовать кристаллизации и образованию межмолекулярных жестких сегментов. склеивание.

Несмотря на то, что многие комбинации диизоцианатов, диолов и диаминов были исследованы в жестких блочных сегментах, метилендиизоцианат (МДИ) является наиболее используемым диизоцианатом, в то время как 1,4-бутандиол (БДО) остается наиболее распространенным удлинителем цепи.Диамины в основном используются с полиуретановыми эластомерами на основе толуолдиизоцианата (TDI) с более низкой реакционной способностью. В этой статье мы рассмотрим, как можно использовать структурные характеристики жесткого блочного сегмента для адаптации свойств полиуретанового эластомера. Gantrade продает многие из уретановых промежуточных продуктов, которые будут обсуждаться здесь.

Первый критерий эффективного жесткого сегмента блока — линейность; второй критерий состоит в том, что структура жесткого блока идеально содержит четное число атомов углерода (число групп СН ₂ ) в диольном сегменте.Цепная упаковка отдельных твердых сегментов полиуретанов на молекулярном уровне улучшает общие эксплуатационные свойства получаемых эластомеров.

В качестве удлинителя цепи 1,4-бутандиол (ММ: 90,12, ЭМ: 45,06, гидроксильное число: 1245 мг КОН/г) представляет собой универсальный жидкий промежуточный диол с реакционноспособной первичной гидроксильной функциональностью и линейной структурой, которая подходит для составления формул. полиуретаны с хорошим балансом твердости, высокой прочности и долговечности, а также термической стабильности.BDO дает домены твердого сегмента кристаллического уретана с MDI, которые эффективно микрофазируются по отдельности, образуя прочные эластомерные сети. В композициях из термопластичного полиуретана (ТПУ) несшитые домены BDO-MDI могут быть расплавлены, поскольку они будут течь при повышенных температурах, что делает возможным термопластическую обработку. Связанные сетки восстанавливаются при охлаждении, образуя прочные эластомерные композиции.

Особенно выдающимися являются высокая степень кристалличности и энтальпия плавления (тепло, необходимое для плавления кристаллического твердого сегмента) в твердых сегментах MDI-BDO из полиуретана.Области применения включают в себя широкий спектр литых уретановых деталей, таких как колеса, ролики, ремни, рекреационное оборудование, футеровка труб и трубопроводная продукция, вкладыши и детали насосов, экраны вибростендов и гидроциклоны. Другие области применения включают в себя высокоэффективные клеи, герметики и покрытия, а также детали RIM и TPU, обувь, детали бытовой техники и автомобильные компоненты. Полиуретаны на основе систем MDI/BDO хорошо работают в агрессивных средах, таких как воздействие при добыче полезных ископаемых и нефтяных месторождений, а также в медицинских устройствах

В таблице ниже мы сравниваем BDO в качестве удлинителя цепи с другими обычными диолами. Следует отметить энтальпию плавления сегмента MDI/BDO.

Механические свойства репрезентативного полиуретана на основе форполимеров PTMEG 2000/MDI и BDO в качестве удлинителя цепи указаны ниже. В таблице показано влияние повышенного содержания жестких блоков (более высокий процент NCO) на свойства. Прочность на растяжение, прочность на разрыв и твердость увеличиваются с увеличением концентрации твердых блоков.

Было оценено влияние молекулярной массы полиола ПТМЭГ и весового соотношения мягкого сегмента ПТМЭГ и жесткого сегмента МДИ/БДО в полиуретанах. По мере того, как в полиуретане увеличивается соотношение твердых и мягких блоков, увеличивается твердость по Шору А, а также модуль упругости, предел прочности при растяжении, прочность на разрыв и остаточная деформация при сжатии. Удлинение при разрыве и устойчивость к гидролизу увеличиваются с увеличением содержания ПТМЭГ.

В систематическом исследовании E. Pechhold и G. Pruckmayr наблюдали следующие эффекты молекулярной массы ПТМЭГ и содержания мягких сегментов на физико-механические свойства литых полиуретановых эластомеров ПТМЭГ/МДИ/БДО:

• Степень разделения фаз мягкого сегмента от жесткого увеличивается по мере увеличения молекулярной массы полиола ПТМЭГ.Лучшее разделение фаз дает улучшенные свойства упругости и гистерезиса, а также лучшую пластичность при низких температурах.
• Tg эластомеров ПТМЭГ/МДИ/БДО снижается по мере увеличения молекулярной массы ПТМЭГ с ПТМЭГ 650 до ПТМЭГ 2000.  Эффективность разделения фаз улучшается при более высокой молекулярной массе ПТМЭГ. Эта динамика обусловлена ​​сниженной смешиваемостью твердых блоков в мягком сегменте при более высоких молекулярных массах ПТМЭГ.
• Tg мягкого блока зависит от отношения мягкого блока к твердому.В частности, при содержании мягких сегментов 50 процентов или менее сорта с более низкой молекулярной массой показывают менее эффективное разделение фаз на сегменты, что приводит к более высоким значениям Tgs. Мы предоставили данные на рисунке ниже, где температура Clash-Berg используется в качестве заменителя Tg.

• Отскок/упругость по Башору увеличивается с массовым процентом ПТМЭГ в полиуретане и, в меньшей степени, с увеличением молекулярной массы ПТМЭГ.
• Гидролитическая стабильность эластомеров ПТМЭГ/МДИ/БДО была заметно лучше для марок ПТМЭГ с более высокой молекулярной массой и при максимальной концентрации твердых сегментов.{См. E. Pechhold и G. Pruchmayr, Rubber Chemistry and Technology, 55, 76 (1982)}
.

2-Метил-1,3-пропандиол (МПО) является альтернативой БДО в МДИ, особенно в системах, где интерес представляют полиуретановые эластомеры с меньшей твердостью. МПО имеет метилразветвленную структуру и нечетное число (3) атомов углерода между гидроксильными концевыми группами. Структуры MPO и BDO сравниваются ниже:

MPO демонстрирует уникальные характеристики при низких температурах и превосходную гидролитическую стабильность.Как мономер он менее гигроскопичен с очень низкой температурой замерзания при -54 ℃. Сравнение с BDO в качестве удлинителя цепи представлено в следующей таблице. Обратите внимание на твердомеры, характеристики отскока, растяжения и разрыва обоих удлинителей цепи. MPO может помочь как сократить расходы, так и повысить производительность. Следует отметить, что значения дюрометра Shore A находятся в нижнем диапазоне 60 с.

Для более мягких полиуретановых покрытий, таких как тканевые покрытия, прокладки и напыляемые покрытия, MPO демонстрирует универсальность в качестве замены BDO.

По сравнению с BDO в качестве удлинителя цепи, MDI-полиуретановые эластомеры, отвержденные HQEE, демонстрируют улучшенные характеристики при повышенных температурах, более высокую твердость, повышенную прочность на разрыв и более высокую эластичность. Системы MDI/HQEE воспроизвели многие рабочие характеристики систем MOCA/TDI, при этом эластомеры HQEE/MDI показали лучшую устойчивость к высоким температурам и влаге.По этой причине системы MDI/HQEE часто рекомендуются в качестве альтернативы системам TDI/MOCA.

Однако существуют трудности, связанные с переработкой HQEE, из-за его высокой температуры плавления (+102 °C/230 °F), а также того факта, что HQEE не переохлаждается (HQEE быстро кристаллизуется ниже температуры плавления) . Соответственно, при переработке HQEE плавильная ванна и все технологические линии должны быть нагреты до 110°C и изолированы для предотвращения образования холодных пятен. Форполимер должен быть предварительно нагрет примерно до 100 ° C перед смешиванием с HQEE.В противном случае HQEE будет кристаллизоваться в смеси, что приведет к образованию звездочек в отвержденном уретановом эластомере. Температура формы также должна быть выше 110°C.

Альтернативой HQEE является аналогичный по структуре ароматический диол, бис(2-гидроксиэтиловый) эфир резорцина (HER). HER имеет более низкую температуру плавления (89 °C) и переохлаждение, что улучшает общее обращение и обработку. Эти характеристики HER обеспечивают значительные технологические преимущества, в том числе более широкий температурный диапазон обработки, что облегчает операции литья, нанесения покрытия и формования.

Структурное сходство HER и HQEE проявляется в химических структурах, показанных ниже:

Сравнительные исследования производительности систем MDI показали, что HER и HQEE производят полиуретановые эластомеры MDI со схожими свойствами. Приведенные ниже данные сравнивают основные физические свойства HER и HQEE в эластомерах MDI. Данные показывают, что расширенные эластомеры MDI HER и HQEE имеют сравнимые свойства в эластомере MDI на основе сложного полиэфира (также полиэфирные системы).

Применение эластомеров MDI/HQEE или MDI-HER включает в себя промышленные колеса и шины, колеса для спорта и парков развлечений, футеровку и покрытие труб, ролики, покрытия промышленных валов, прокладки, уплотнения и другие высокоэффективные конечные применения.

Говоря о мономерном MDI как о изоцианате, составители рецептур обычно имеют в виду 4,4’-изомер. 4,4’-МДИ представляет собой симметричный линейный диизоцианат с двумя идентичными группами NCO, проявляющими одинаковую реакционную способность с диолами/полиолами. Коммерчески доступным изомером 4,4’-МДИ является 2,4’-МДИ или орто-, пара-МДИ, предлагаемый в смесях, содержащих до 50% 2,4’-изомера или более. Эти марки называются орто-обогащенными MDI или MDI-50 (Cosmonate® PI, Lupranate® MI, Suprasec® 3050).Структура 2,4’-изомера асимметрична, а группы NCO различаются, при этом 2-изомер проявляет более низкую реакционную способность по стерическим причинам. Эти структурные различия показаны на изображениях ниже:

MDI с двумя различными реакционноспособными изоцианатными группами выгодны для получения форполимеров с низкой степенью удлинения цепи и, следовательно, с низкой вязкостью форполимера. Кроме того, орто-обогащенный мономерный ДИ можно хранить и обращаться с ним в виде жидкости при комнатной температуре. Асимметричная характеристика орто-обогащенного MDI позволяет производить полуаморфные полиуретановые эластомеры с использованием BDO в качестве удлинителя цепи, с низким уровнем кристалличности и упаковки цепей, очень медленной кинетикой кристаллизации, низкими значениями твердости при более высокой мягкости, низкой остаточной деформацией при сжатии и высокой устойчивость. Орто-богатый полиэфирный форполимер с удлиненной цепью BDO продемонстрировал более низкие значения твердости по Шору А и значительно более высокие значения прочности на разрыв при низких значениях остаточной деформации при сжатии.

Основными сферами применения орто-обогащенных MDI являются ламинирующие и строительные клеи, герметики, покрытия, гибкий формованный высокоэластичный пенопласт, спортивные покрытия и литые эластомеры.

Триметилолпропан (ТМП) может быть включен в диольную композицию удлинителя цепи для функционирования в качестве сшивающего агента.Общий уровень ТМП в смеси бутандиола составляет шесть процентов или ниже. При низких уровнях ТМР улучшаются прочность на растяжение, твердость, разрыв, истирание, удлинение, упругость и другие свойства. При более высоких уровнях можно наблюдать снижение свойств при растяжении и удлинении, но могут продолжать улучшаться упругость, остаточная деформация при сжатии и свойства к истиранию.

В дополнение к TMP другие сшивающие триолы включают триолы поликапролактона (Placcel® 303 и 305) и пропоксилированные триолы TMP.

Выбор изоцианата и удлинителя цепи сильно влияет на результирующие механические, физические, термические и технологические свойства полиуретана за счет результирующих характеристик твердого блока, разделения фаз, кристалличности и межмолекулярного связывания жестких сегментов. Хотя многие комбинации диизоцианатов, диолов и диаминов используются в коммерческих целях, твердые блочные сегменты на основе метилендиизоцианата (МДИ) и 1,4-бутандиола (БДО) представляют собой одну из наиболее универсальных систем.Понимание химических переменных, связанных с этим классом жестких блочных сегментов, позволяет адаптировать свойства получаемых полиуретановых эластомеров. Переменные включают в себя выбор конкретного типа MDI, состав удлинителя цепи, соотношение сегментов жесткого блока к сегменту мягкого блока и длину сегмента.

Чтобы узнать больше о том, как адаптировать свойства полиуретана к конкретным рыночным приложениям, свяжитесь с командой Gantrade сегодня.

Полиуретан — обзор | Темы ScienceDirect

5.2.4 Полиуретан

Полиуретаны (ПУ) в течение многих лет были популярным полимером в биомедицинской промышленности. Полиуретаны обладают универсальными свойствами, такими как прочность, долговечность, биосовместимость и скорость разложения, которые можно адаптировать в зависимости от применения [51]. В зависимости от физической формы полиуретаны используются в качестве термопластичных эластомеров или пеноматериалов, которые могут быть как гибкими, так и жесткими. Полиуретан был впервые коммерциализирован для биомедицинского применения в 1960 году в качестве эластомера под названием «Биомер» для сердечно-сосудистых применений.Это было прекращено в 1991 году из-за образования трещин на полимерной поверхности [43,52]. Несмотря на эту неудачу, по мере продолжения исследований и накопления знаний о химии полиуретана; увеличилось его использование в медицинской промышленности.

Структура полиуретана состоит из трех сложных мономеров: диизоцианата, макродиола и удлинителя цепи, на основе которых можно синтезировать ряд различных полиуретановых материалов. Например, при добавлении двойной связи углерод-азот изоцианаты реагируют с гидроксильными группами с образованием уретановых связей, тогда как реакция с функциональными аминогруппами приводит к образованию мочевинных связей.Реакция воды с изоцианатами с образованием карбаминовой кислоты затем используется для синтеза пенополиуретанов [43].

Одной из причин высокого интереса к полиуретану в медицинских целях является то, что полиуретановые конструкции могут быть изготовлены с помощью традиционных методов, таких как выщелачивание солей, вспенивание газом и электроформование, или передовых методов, таких как моделирование методом наплавления и биопечать [52]. Пенополиуретаны и конструкции с заданными механическими и физическими свойствами находят постоянное применение в мягких тканях кожи, сердца и нервной системы в качестве инъекционных гидрогелей для доставки лекарств [52,53].

Было показано, что на коже биоразлагаемая временная матрица из полиуретана обеспечивает сопоставимый результат заживления, что и шаблон для регенерации кожи Integra, на модели полнослойной раны овцы в течение 29 дней [54]. В модели полнослойной раны продукты деградации полиуретановых каркасов вызывали минимальную воспалительную реакцию, что позволяет предположить их потенциал в инженерии тканей кожи [55].

В ряде отчетов изучались побочные эффекты продуктов разложения полиуретана после имплантации [10, 51, 56] после того, как в отчете обсуждалось присутствие потенциально канцерогенных ароматических диаминов, образующихся в качестве побочного продукта разложения полиэфируретана после операции по установке грудных имплантатов [57]. ].Дальнейшая работа была сосредоточена на использовании воспалительных клеток для понимания биодеградации PU [58] и гидролитического пути расщепления цепи PU [51].

Эти исследования способствовали разработке более безопасных разлагаемых полиуретановых материалов для тканевой инженерии [51]. Полиуретановые материалы с контролируемым разложением были синтезированы путем введения химических связей в сополимерную структуру полиуретана. Например, комбинации поли(эфируретан)мочевины и поли(эфирэфируретан)мочевины полимеров были изготовлены для достижения контролируемой скорости деградации в мягких тканях [59].Таким образом, полиуретановые материалы имеют большой потенциал для использования в области тканевой инженерии. При надлежащих исследованиях и разработках эти материалы могут иметь важное будущее в области восстановления и регенерации тканей, открывая новое измерение в области биомедицины.

Влияние методов электроформования на характеристики поливинилбутиральных и полиуретановых нановолокон, необходимых для биологических приложений

Abstract

Разнообразие свойств нановолокон обусловлено не только их химическим составом, но и способом их получения.В этом исследовании мы изучаем свойства нановолокна, полученные в результате пяти различных методов электропрядения с использованием полиуретана или поливинилбутираля. Пять исследованных методов электропрядения были основаны на (а) переменном токе (электропрядение переменным током) и (б) постоянном токе (электропрядение стержнем, технология Nanospider™, электропрядение иглой, центробежное электропрядение). Результаты, основанные в основном на оценке изображений, полученных с помощью сканирующей электронной и конфокальной микроскопии, показали четкие структурные различия между наноматериалами, полученными различными методами. Волокна, полученные методом АК, были преимущественно тонкими и неупорядоченными с высокой пористостью. В случае методов ДЦ, характеризующихся значительной разницей в производительности, могут быть получены нановолокна точно определенной толщины (технология Nanospider) или очень ориентированные нановолокна со значительной шероховатостью поверхности (центробежное формование). Выбрав подходящий метод, можно будет приготовить требуемые структуры нановолокон (больший/меньший размер пор, определенные диаметры волокон и т. д.).) для конкретных биологических применений, сенсоров, фильтрации, косметических продуктов, систем доставки лекарств и т. д. )

© 2020 Авторы. Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Изменение механических характеристик пенополиуретана: влияние метода испытаний также поддерживать нагрузку.Особый интерес к жестким ППУ за последние несколько лет возрос в областях, где применяются экстремальные условия. Структура с закрытыми порами, образующая внутреннюю часть жесткого ППУ, служит для максимального использования этих полимерных пен.

Ключевые слова: ограничение, криогенная температура, условия окружающей среды, закрытая ячейка, пенополиуретан

1.Введение

В последнее время спрос на высокоэффективные ресурсы увеличился из-за нормативных требований к загрязнителям окружающей среды, ограниченных запасов и развития технологий хранения. Наряду с этим в настоящее время в центре внимания находятся конструкции, которые могут эффективно хранить или транспортировать топливо с использованием жидкостной технологии. Среди них пенополиуретан (ППУ) используется в качестве материала для повышения устойчивости в ограниченном пространстве внутри изолированной конструкции. ППУ представляет собой репрезентативную полимерную форму, в которой основная цепь имеет повторяющиеся уретановые связи, а свойства материала связаны с химической реакцией внутреннего изоцианата и полиола. Как показано на рис. 2, ППУ состоит из мягкого сегмента, основным компонентом которого является полиол, и жесткого сегмента, состоящего из относительно большого количества изоцианата, в зависимости от длины цепной структуры полиола, реагирующего с изоцианатом [1,2]. ПНФ в значительной степени подразделяются на гибкие ПНФ с гибкими свойствами и жесткие ПНФ с высокой долей образования плотной сетки в соответствии с соотношением внутреннего распределения сегментов [3,4,5]. Домен внутри жесткого ППУ состоит из жестких и мягких сегментов полимера за счет химического состава синтетического полиола и изоцианата.Жесткие сегменты имеют высокую плотность сильно поляризованных уретановых связей, которые физически группируются между соседними цепями, образуя организованную вторичную структуру. Эта мощная когезионная структура существует в виде фазы твердого стекла и определяет механические свойства всего материала, такие как прочность, твердость и т. д. [6]. Мягкие сегменты, напротив, существуют в виде каучуковой фазы при комнатной температуре, поскольку температура стеклования (Tg) составляет 30–50 °C [7]. Однако в чрезвычайно холодной среде, температура которой намного ниже, чем Tg, сегмент подвергается хрупкой кристаллизации из-за фазового перехода, что приводит к сложной природе с жесткостью, чтобы выдерживать нагрузку [8].Кэди и др. наблюдали механическое поведение при различных температурных условиях, чтобы объяснить температурную зависимость, и было обнаружено, что форма с закрытыми ячейками значительно зависит от изменений температуры [9,10,11]. Ячеистая структура внутри пены была проанализирована с помощью анализа моделирования, чтобы определить, как это влияет на прочностные характеристики материала [12,13].

Доменная структура, образующая внутреннюю часть пенополиуретана (ППУ).

Мягкий ППУ представляет собой открытоячеистую структуру с низким содержанием полностью закрытых ячеек, в которой присутствуют только твердая и газовая фазы.Он обладает гибкостью и легко восстанавливается даже при воздействии внешних сил на деформацию. Однако жесткий ППУ обладает лучшими изоляционными характеристиками из-за большого количества закрытых ячеек, которые образуются независимо от стенки [14,15]. Кроме того, в отличие от мягкого ППУ, который создает соединительный проход, разрушая клеточную стенку при пенообразовании, жесткий ППУ образует структуру, в которой внутренние клеточные стенки сталкиваются друг с другом и действуют как прочная опора. Улучшенные механические характеристики способствовали активизации жесткого ППУ в качестве материала для различных наземных и морских промышленных конструкций.В соответствии с этой тенденцией было проведено множество экспериментальных исследований ППУ для определения применения его структуры. Колл и др. предоставили оценки микроструктуры в диапазоне упругости путем изучения распределения твердой фазы между стенками клеток [16]. Результаты исследования показали корреляцию с относительными плотностями вспененного материала посредством совпадения с теоретической моделью. Кроме того, для применения универсальной структуры учитывались несколько условных переменных, которые могут влиять на механические свойства материалов [17,18,19,20,21].Были также предприняты дальнейшие попытки определить механические и термические свойства путем добавления материалов для использования многоцелевого жесткого ППУ [22,23]. Сечерска и др. предназначен для разработки материалов путем добавления наноматериалов для улучшения характеристик материала PUF [24,25,26,27]. Однако ограничения улучшения механических свойств очевидны, поскольку газовая и твердая фазы, каждая из которых влияет на изоляцию и прочностные характеристики, составляющие внутреннюю часть ячейки, конфликтуют друг с другом [28, 29, 30, 31, 32].Ван и др. провели испытание полимерных форм на сжатие в зависимости от переменных скорости деформации для анализа свойств, зависящих от скорости нагружения [33,34,35]. Аналитические исследования методом конечных элементов также активно проводились в качестве экспериментальных. Чен и др. оценивали механическую реакцию вспененных материалов при сжимающей нагрузке с помощью исследования методом конечных элементов [36,37,38]. Фальбуш и Кадходапур представили аналитическую модель в численном расчете, чтобы исследовать более точное поведение разрушения для пены с закрытыми порами и сравнить ее с эмпирическими данными [39,40]. Соответствующие исследования показали важность герметизации закрытых ячеек жесткого ППУ с точки зрения механических характеристик. Это связано с тем, что он способствует несущей способности, действующей снаружи, сохраняя геометрию наряду с относительной плотностью внутри материала. Считается, что эти характеристики способствуют поддержанию нагрузки за счет сохранения геометрии с относительной плотностью внутри материала. Кроме того, как показано на рис. , механическое поведение жесткого ППУ, состоящего из сегментов, указывает на то, что он может чутко реагировать на внешние условия окружающей среды в отличие от других однородных материалов.

Обычно с точки зрения инженерного проектирования необходимо предотвратить две проблемы. Из-за невозможности учесть сочетание факторов, влияющих друг на друга в среде, существуют состояния, в которых отказ происходит без максимальной нагрузки, а к требованию применяется избыточная допустимая мощность. В любом случае необходимо точно понимать характеристики разрушения материала, чтобы разработать безопасную и надежную конструкцию. Его также можно применять к ситуациям, когда пространство ограничено соседними конструкциями в объемных единицах, а не только материалами или установками, или когда силы неравномерно распределены по всей площади материала, т.е.д., сосредоточенные нагрузки. Таким образом, критерии механических характеристик для фактических рабочих нагрузок предполагают, что глобальное смещение используемого материала ограничено, когда оно происходит, а это означает, что окружающая среда, такая как ограничивающий эффект, должна рассматриваться как случайное соображение [41,42].

Однако существующие стандарты, касающиеся оценки механического поведения жесткого ППУ, не отражают конкретно окружающую физическую среду. Существует ограниченное количество исследований условий, которые могут легко подвергаться воздействию окружающих структур, в отличие от тех, которые рассматриваются только для конкретных внешних переменных, таких как температура.Тем не менее, эти условия ограничения необходимо рассматривать с точки зрения исследований, поскольку они упускаются из виду по сравнению с их фактическим воздействием. Основываясь на признании связи этих комплексных факторов, цель данного исследования состояла в том, чтобы выполнить оценку механических характеристик путем добавления приспособления, установленного на стороне жесткого ППУ. Эти попытки ограничения были направлены на то, чтобы ответить на основные и важные вопросы с точки зрения поведения материала для надежного проектирования объемных конструкций в экстремальных условиях путем применения и рассмотрения новых методов, которые не представлены с помощью традиционных экспериментальных методов.

2. Эксперимент

2.1. Экспериментальный обзор

Типы нагрузок, приложенных к конструкции, широко варьируются от статической формы, возникающей в результате самой простой массы груза, до динамической формы, возникающей в результате удара. Поэтому риск повреждения определяется в зависимости от конструктивной точки зрения. Обстоятельства, при которых применяются неожиданные импульсные нагрузки, в основном характеризуются кинетической энергией, определяемой весом и скоростью в момент удара. В большинстве случаев некоторая часть оставшейся после удара кинетической энергии рассеивается в виде энергии деформации.Как правило, эта рассеянная энергия деформации действует как внешний фактор, вызывающий деформацию наряду с повреждением конструкции. Это соответствует пластичности и устойчивости материала и напрямую связано с несущей функцией [43]. показывает международные стандарты испытаний для оценки механических свойств жесткого ППУ от критических опасностей. Размеры испытуемого образца, необходимые для каждого метода испытаний, приведены на рис.

Оценка механических характеристик жесткого ППУ в соответствии с международными стандартами: ( a ) методы испытаний на растяжение, ( b ) на сжатие и ( c ) на сдвиг.

Таблица 1

Размеры испытуемого образца согласно методу оценки механических характеристик жесткого пенополиуретана (ППУ).

Тестовый метод	Размер	мм	дюймов (в)	Note
30212
тест на растяжение (ASTM D 1623)	Длина калибра	25. 4	1	> 0,5 в
	Диаметр	28,7	1.13	0.13	0.13
	поперечное сечение	—	—	1 в 2
	Радиус кривизны	11. 9	0,47	18 ° до центральной линии.
Compressive Test (ASTM D 1621)		Высота	25.4	1	меньше ширины или диаметра	0	—	—	> 4 в 2 , <6 в 2 2
	Тест сдвига (ASTM C 273)	Толщина	—	—	= Core SpeciMen			—	—		> 12 раз толщина
Ширина		—	—	>2 дюйма

2.

Испытание на растяжение проводили в соответствии со стандартом ASTM D 1623. Рекомендуемые размеры испытательного образца показаны на а. Стандартная скорость испытаний была такова, что обрыв происходил через 3–6 мин. Скорость перемещения траверсы составляла 1,3 мм/мин на каждые 25,4 мм длины рабочей части. Нагрузку в момент разрыва представляли в единицах кН, делили на исходную площадь поперечного сечения, и рассчитывали предел прочности при растяжении. Модуль упругости измеряли с помощью набора экстензометров.

2.1.2. Испытание на сжатие

Это испытание проводилось в соответствии со стандартом ASTM D 1621. Как показано на b, нагрузка была приложена в направлении вспенивания испытуемого образца с минимальным поперечным сечением 25 см ² и максимальным 230 см ² . Образец для испытаний, помещенный в центр между двумя параллельными пластинами, сжимали со скоростью, возможно, до 10% его первоначальной высоты в минуту, пока высота образца не уменьшилась до 85% деформации. Напряжение в пределе текучести, если текучесть возникла до деформации 10 %, или, при отсутствии такой текучести, напряжение при деформации 10 % является пределом прочности при сжатии. Модуль упругости определяли по прямолинейному участку ниже предела пропорциональности кривой напряжения-деформации.

2.1.3. Испытание на сдвиг

Как показано в c, испытание проводили в вертикальном направлении образцов панели в соответствии с ASTM C 273. Образцы для испытаний имели толщину, равную толщине сердцевины, ширину не менее 50 мм и длину не менее чем в 12 раз больше толщины.За скорость испытания принималось значение, при котором образец разрушался в течение 3–6 мин. Рекомендуемая стандартная скорость смещения головки составляла 0,50 мм/мин. Предельная прочность сердечника на сдвиг была рассчитана путем деления максимальной зафиксированной силы на образце в поперечном сечении, как подробно описано в .

2.2. Свойства материала

Жесткий ППУ, обладающий отличной адгезией между компонентами, должен оцениваться с точки зрения механических характеристик, аналогичных другим конструкционным материалам. Изоляционные конструкции с жестким ППУ подвергаются растягивающим, сжимающим и сдвиговым нагрузкам в зависимости от характеристик окружающей среды. Этот материал подвергается типу нагрузки, которая обычно проталкивается вниз. В частности, поскольку прочность на сжатие, включая модуль Юнга, является идеальной величиной для вспененного материала, важность оценки характеристик с учетом растягивающих или сдвигающих нагрузок относительно снижается [8]. В средах с растягивающими или сдвигающими нагрузками могут существовать некоторые ограничения, но они не имеют существенного влияния при рассмотрении направления компонентов нагрузки, приложенных к материалу.В случае испытания на сдвиг трудно определить ситуацию чистого сдвига для образца из-за различных факторов (лицевые листы, клеи, предварительные отверждения или связи и т. д.), и, следовательно, этот метод не является предпочтительным в качестве метода определения прочности. воздействие ограничений.

Ударная нагрузка отличается от обычных сжимающих нагрузок тем, что она оказывает неожиданное влияние на характеристики разрушения материала в зависимости от времени и периода передаваемой энергии удара. Хотя сумма ударных величин одинакова при приложении большой нагрузки за относительно короткий промежуток времени (или малой нагрузки действует в течение длительного периода времени), режим повреждения, возникающий в материалах, весьма различен. разные.Кроме того, когда толчки концентрируются на части поперечного сечения конструкции, их можно интерпретировать как квазистатические из-за связывающего эффекта, создаваемого другими окружающими структурами, которые не подвергаются непосредственному воздействию силы [44].

Под сжимающей нагрузкой, приложенной с квазистатической деформацией, жесткий ППУ с закрытоячеистой структурой обычно проявляет поведенческие характеристики, подобные показанным на рис. Поскольку относительная плотность внутренней структуры клетки изменяется из-за постоянного действия внешних сил, она постепенно образует нелинейность в виде упругой области.Явление разрушения, возникающее в жестком ППУ за пределом текучести, характеризуется наличием твердой и газовой фаз внутри замкнуто-ячеистой структуры [45]. Предполагая, что нагрузка критически приложена через пластиковую секцию, газовая фаза, исключая твердую фазу, сжимаема. Объемная доля закрытых ячеек пенопласта, ∅c, определяется следующим образом:

где V _c — объем твердой фазы, такой как стенка ячейки в пенопласте, за исключением газовой фазы.VP – общий объем пены. Разрушение ячейки из-за деформации сжатия может уменьшить значение V _p , но существенного изменения V _c не происходит, если только некоторые части образца не разрушаются. Следовательно, общую плотность пены ρ можно записать следующим образом:

ρ=ρc∅c+ρg(1−∅c),

(2)

где ρc — плотность твердой фракции стойки, ρg — плотность газовой фазы. Уравнение означает, что для заданного ρc ρ зависит от относительного значения ∅c независимо от ρg.Когда происходит пластическая деформация, 1−∅c правого члена стремится к нулю, а ρg(1−∅c) становится пренебрежимо малым по сравнению с ρc∅c; таким образом, его можно выразить как ρ≅ρc∅c. Примечательно, что значение ∅c занимает большую часть ρ по мере развития деформации пены [46,47,48]. Это обозначение используется для определения характеристик прочности материала следующим образом:

где ρc — плотность твердой фракции стойки, ρg — плотность газовой фазы, σel — напряжение упругого разрушения в закрытоячеистом материале, Es — модуль Юнга стенки ячейки, C — плотность материала. постоянный.Можно видеть, что относительная плотность пены, которая искусственно изменяется в ответ на внешние условия, является важным фактором, влияющим на прочностные характеристики [49,50,51].

Механические характеристики жесткого ППУ под сжатой нагрузкой.

Испытание на сжатие с учетом влиятельных факторов определило, что квазистатическая скорость имеет значение для отражения воздействия окружающих конструкций на окружающую среду. Поэтому ожидается, что предложенный метод оценки механических характеристик в этом исследовании сможет адекватно определить поведенческую тенденцию жесткого PUF с ограничением или без него.

2.3. Подготовка к эксперименту

В этом исследовании использовались два типа жестких образцов ППУ: чистый пенополиуретан (чистый ППУ) и пенополиуретан, армированный стекловолокном (РППУ). Чистые образцы PUF и RPUF были изготовлены путем добавления пенообразователя к полиолу и изоцианату с последующим смешиванием и продувкой с использованием гомогенизатора. И чистый ППУ, и ППУ классифицируются как одна и та же полимерная пена с трехмерной сетчатой ​​структурой и уретановыми связями в процессе вспенивания.Разница между этими двумя материалами заключается в том, что в последнем стекловолокно добавляется при производстве. Эти волокна снижают изоляционные характеристики, но повышают прочность на сжимающую нагрузку. Таким образом, RPUF использовался в целях контроля, чтобы определить обоснованность условий ограничения, предложенных в этом исследовании. перечисляет свойства образца; размеры обычно выбирались в форме куба 50 мм × 50 мм × 50 мм в соответствии со стандартом испытаний на сжатие.

Таблица 2

Свойства образца для испытаний. РППУ — армированный пенополиуретан.

представляет собой миметическую диаграмму, показывающую обзор этого эксперимента. Экспериментальная установка состояла из универсальной испытательной машины (UTM, KSU-5M, Kyoungsung Testing Machine CO., LTD., Аньянг-си, Корея) для обычного испытания на сжатие и фиксирующего приспособления, установленного в центральной точке, где проводилось испытание. выполненный. Изготовленное на заказ приспособление для метода испытаний, предложенного в данном исследовании, было изготовлено из нержавеющей стали (SUS 316) для предотвращения повреждений, вызванных хрупкостью в криогенной среде, создаваемой через низкотемпературную камеру.

Миметическая схема испытательного образца и оборудования.

2.4. Экспериментальные сценарии

Экспериментальные сценарии этого исследования показаны на . Условия ограничения были установлены в качестве экспериментальных переменных для проверки предложенного экспериментального метода. Сжимающая нагрузка, приложенная перпендикулярно направлению вспенивания чистого ППУ и ​​ППУФ, представляла собой силу смещения. Затем верхний предел нагрузки устанавливался равным примерно 5 кН с изменением до 85 % высоты испытуемого образца для определения общего сечения разрушения жесткого ППУ по стандарту ISO 844 [52]. В этом исследовании был выполнен квазистатический анализ, и скорость нагрузки, т. е. скорость деформации, применялась равной 0,0017 с ^-1 в соответствии со спецификацией и данными предыдущего исследования [32,33,34]. Температурные условия были разделены на два случая: комнатная температура (25 °С) и криогенная температура (-163 °С) с учетом окружающей среды для использования изоляции. В случае криогенной температуры испытуемый образец подвергался воздействию температуры -163 ° C через поступающий жидкий азот, контролируемый вне камеры.Испытание проводили после предварительного охлаждения в течение примерно 2 ч, чтобы обеспечить состояние теплового равновесия образца, чтобы уменьшить отклонение результатов в зависимости от времени выдержки. Для более точных измерений в каждом случае повторяли пять экспериментов на основе стандарта.

Таблица 3

Сценарий испытаний на сжатие.

3.

3.1. Анализ структуры формы

3.1.1. Традиционное испытание на сжатие

показывает форму жесткого образца ППУ ((а) чистый ППУ и ​​(б) RPUF) после выполнения статического сжатия в соответствии с обычным стандартом испытаний.В существующих испытаниях для двух типов образцов наблюдалась деформация расширения на боковой стенке при приложении силы сжатия, поскольку в непосредственной близости от испытуемого образца не учитывались факторы помех от внешних условий. Как было показано в предыдущих исследованиях, по мере развития деформации сжатия до пластического сечения было обнаружено, что трещина продвигалась по боковой стенке испытуемого образца независимо от температуры [53]. Причина такой неудачи заключается в том, что ячеистая структура внутри жесткого ППУ обладает сжимаемостью, которая может уменьшить часть объема под нагрузкой [54].Когда одноосная нагрузка продолжает действовать за пределом упругости материала, который может подвергаться восстановлению деформации, структура формы будет изменяться в поперечном направлении без какой-либо поддержки, что приведет к неравномерному расширению площади поперечного сечения. Это необратимое изменение площади поперечного сечения приводит к большей уязвимости к деформации сдвига и растрескиванию всей конструкции, как показано на рис.

Форма образцов после испытания на сжатие в зависимости от температуры по стандарту обычного испытания на сжатие: ( а ) ППУ, ( б ) армированный пенополиуретан (РППУ).

Разрушение чистого ППУ было очень серьезным при температуре -163 °C по сравнению с разрывом при 25 °C. RPUF также показал заметное увеличение относительно больших и малых трещин при температуре -163 ° C. Такой результат был связан с охрупчиванием при низкой температуре. Вся структура, включая замкнутые ячейки внутри материала, была хрупкой и сопровождалась снижением пластичности и, таким образом, была более восприимчива к внешней силе, действующей от той же деформации [55].

показывает тенденцию деформации поперечного сечения, измеренную после испытания с использованием обычных методов испытаний на сжатие.После того, как испытание было проведено, количественные значения были расположены, как показано на для сравнительного анализа значений остаточной деформации, оставшихся в испытательном образце после того, как было достигнуто достаточное восстановление деформации. Как показано на рисунке, значения деформации поперечного сечения чистого PUF и RPUF показали разницу примерно в 1% между образцами из-за присутствия стекловолокна, которое улучшило прочностные характеристики. Однако было обнаружено, что зависящая от температуры секционная деформация существенно не отличается.В частности, по сравнению с отклонениями результатов испытаний, повторенных пять раз, было обнаружено, что оба типа образцов показали только ограниченную разницу в 0,2 % между 25 и -163 °C, и что тенденции результатов в значительной степени соответствовали очевидные температурные эффекты.

Деформация поперечного сечения жесткого ППУ после обычного испытания на сжатие.

Таблица 4

Среднее поперечное сечение жесткого образца ППУ после обычного испытания.

Материал		PUF		RPUF		RPUF
температура (° C)		25	-163	25	-163
поперечное сечение	A (мм 2 )	2585. 5	2590.3	2565.8		2561	2561	9161	Δa (%)	3,4	3.6	2.6	2.4
	2,4

Эти результаты наряду с высоким поперечным штаммом чистого PUF и RPUF, наблюдаемые посредством обычного испытания на сжатие, показали, что существующий экспериментальный метод не отражает должным образом механические свойства зависящего от окружающей среды жесткого PUF.

3.1.2. Испытание на сжатие с ограничением

показывает форму после испытания на сжатие путем добавления условия ограничения к боковой стенке образца из чистого ППУ и ​​ППУ.Во-первых, оба типа образцов сохраняли относительно однородную форму по сравнению с образцами, показанными на рис. Считалось, что этот результат связан с действием зажимного приспособления, предназначенного для сведения к минимуму повреждения материала за счет блокирования боковых сил, вызванных сжимающими нагрузками. Кроме того, было подтверждено, что влияние этого ограничения было больше при -163 °C.

Форма образцов после испытания на сжатие в зависимости от температуры при ограничении предлагаемого испытания на сжатие: ( a ) чистый ППУ, ( b ) ППУФ.

показывает изменение площади поперечного сечения чистого ППУ и ​​ППУ под ограничением. По сравнению с результатами обычного эксперимента, который показал относительно почти стабильные тенденции независимо от температурных условий, чистое ППУ уменьшилось с 2,3% до 1,1% в диапазоне от 25 до 163 °C, а РПУФ уменьшилось с 1,8% до 0,9% в этой среде связывания. . Эти различия специально показаны на графике, в котором количественно перечислены средние значения теста.

Деформация поперечного сечения жесткого ППУ после испытания на сжатие.

Таблица 5

Среднее поперечное сечение жесткого образца ППУ после испытания на растяжение.

Было также обнаружено, что разница в поперечной деформации с изменением температуры между чистым ППУ и ​​ОПУФ показывает заметную разницу по сравнению с предыдущими экспериментами. В предыдущих экспериментах разница деформации между двумя образцами, которая отличалась примерно на 1%, уменьшила разницу деформации до 0,5% при 25 °C и 0,2% при -163 °C. Это показало, что существует небольшая разница между двумя типами жестких ППУ с разными свойствами при криогенных температурах.Это связано с тем, что влияние ограничений может быть критерием для определения степени влияния на характеристики материала, и эти эффекты могут быть значительными при низких температурах.

Наконец, чтобы сравнить различия между существующим испытанием на сжатие и предлагаемым испытанием на сжатие в этом исследовании, общие экспериментальные результаты суммированы в . При 25 °C образцы чистого PUF и RPUF демонстрировали вариации деформации на 1,5 % и 2,5 % соответственно при температуре -163 °C по сравнению с вариациями примерно на 1 % или менее.В результате было обнаружено, что разница в деформации поперечного сечения в поведении материала с ограничителем или без него больше при более низких температурах, и эта тенденция была более выражена в экспериментах, проведенных с чистым ППУ, чем с RPUF, который имел улучшенные механические свойства. производительность за счет добавления волокон. Макроскопическое поведение двух жестких образцов ППУ, наблюдавшееся в ходе испытаний на сжатие, проведенных в ограничивающей среде, дало наглядное представление о влиянии условий окружающей среды, которые не были четко продемонстрированы при обычном методе испытаний.

Изменение поперечного сечения жесткого образца ППУ в соответствии с методом испытания на сжатие.

3.2. Анализ механических характеристик

показывает механическое поведение жесткого ППУ в зависимости от условий окружающей среды на кривых напряжение-деформация. a, b показывают экспериментальные результаты, выполненные при статических сжимающих нагрузках при той же скорости деформации 0,0017 с ^-1 для чистого PUF и RPUF соответственно. В случае b, в котором было добавлено ограничение, прочность на сжатие (σc) чистого ППУ увеличилась независимо от изменения температуры.RPUF также показал, что его общая механическая прочность, включая предел текучести, улучшилась с учетом тенденций в результатах, как показано в b.

Кривые напряжения-деформации при сжатии для ( a ) чистого ППУ и ​​( b ) RPUF в зависимости от условий окружающей среды удерживающей системы.

показывает модуль сжатия (E) в зависимости от условия закрепления в упругом режиме кривой напряжение-деформация. В случае b, хотя и имело место небольшое отклонение в значении из-за распределения добавленных стеклянных волокон, в целом наблюдалась тенденция, сходная с тенденцией a.В , прочность на сжатие (σc), полученная в, и модуль сжатия (E), полученный в, суммируются для количественного сравнения. Значение σc было получено из предела текучести или точки, в которой было измерено самое высокое напряжение в пределах интервала деформации 0,1. Величина Е вычислялась в интервале, в котором сохранялся предел пропорциональности.

Зависимости модуля упругости от стеснения для ( a ) чистого ППУ и ​​( b ) ППУФ.

Таблица 6

Механические свойства образцов чистого ППУ и ​​ППУ.

Материал	Недвижимость	(MPA)	25 ° C		-163 ° C		-163 ° C		9159		Ограничение		Ограничение	Ограничение	Ограничение
Чистый Пуф	Прочность на компрессию, σc	0,83	1. 02	2.02	2.02	2.49	2.49
	Эластичный модуль, E	16.636	20.817	33.777	51.271
RPUF	Прочность на сжатие, σc	1,12	1,22	2,18	2,53
	модуль упругости, Е	22,129	24,439	38,363	52,254

В В экспериментах с учетом ограничений значение σc чистого ППУ при 25 °С увеличилось на 0,19 МПа, а значение RPUF увеличилось на 0,1 МПа. Значение E также варьировалось от 4,18 до 2.31 МПа для чистого ППУ и ​​ППУ соответственно. Эти улучшения механических свойств (σc, E) показывают, что ограничения действительно влияют на прочностные характеристики жестких материалов PUF. Больше внимания следует уделить степени изменения при -163 °C. Величина σc чистого ППУ улучшилась на 0,47 МПа, а E увеличилась примерно на 17,49 МПа, за исключением колебаний, возникших из-за низкотемпературной хрупкости. RPUF также показал значительное отличие от теста, проведенного при -163 ° C, за счет увеличения σc и E на 0.35 и 13,89 МПа соответственно, но не так сильно, как чистый ППУ. Считается, что дискриминационный эффект улучшения чистого ППУ под влиянием ограничительных опор сыграл ту же роль, что и преимущества прочностных характеристик за счет уменьшения трещин существующего ППУ за счет добавления стекловолокна. Действительно, при сравнении механических свойств двух типов образцов в замкнутом пространстве разница между σс и Е при 25 °С составила 0,2 и 3,62 МПа, а при -163 °С разница уменьшилась до 0. 04 и 0,98 МПа соответственно. Эти результаты показывают, что ограничитель подходит для изменений механической прочности жесткого ППУ и ​​сохраняет положительное влияние на характеристики материала независимо от температурных условий. Кроме того, было сочтено необходимым исследовать, как работает этот процесс зависимости.

3.3. Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа

Анализ с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) был проведен для наблюдения за микроструктурным поведением жесткого ППУ в соответствии с экспериментальным методом сжатия.Как показано на рисунках и , феномен разрушения клеток с микробным поведением, происходящий внутри чистого образца для испытаний PUF и RPUF, может быть идентифицирован после деформации сжатия в соответствии с условиями испытаний.

Микроструктура внутри чистого ППУ после испытаний на сжатие в соответствии с условиями ограничения. ( a ) без ограничений при 25 °C; ( b ) выдержка при 25 °С; ( c ) без ограничений при -163 °C; ( d ) Ограничение при −163 °C

Микроструктура внутри ППУ после испытаний на сжатие в соответствии с условием сдерживания.( a ) без ограничений при 25 °C; ( b ) выдержка при 25 °С; ( c ) без ограничений при -163 °C; ( d ) Ограничение при -163 °C

Как показано на рисунке а, ячейки, составляющие внутреннюю часть жесткого ППУ, были согнуты, и было трудно определить геометрию конструкции из-за коробления. Кроме того, было подтверждено образование сдвигового слоя за счет коллапсирующих клеток [56]. Поскольку он не ограничен деформацией, считается, что часть силы, действующей в направлении сжатия, вызвала сдвиг.Напротив, б показывает, что при добавлении четырехстороннего ограничения к стороне образца они были разбросаны с трещинами клеточной структуры по сравнению с а. Доля коллапса клеток, показанная с помощью экспериментального метода сжатия, предложенного в этом исследовании, также уменьшилась по сравнению с существующим тестом. Однако из-за природы мягких сегментов, которые не принимают значительного участия в поддержании нагрузки при температуре 25 °C, считается, что эффект подавления общей деформации, полученной за счет ограничения, не влияет на предотвращение коробления через окна ячеек.

Как показано на c, структура формы, включая клеточную стенку, сохранялась относительно хорошо. Однако, в отличие от механизма разрушения при 25 °C, большинство окон ячеек разрывалось при -163 °C [57].

Как упоминалось ранее, домен внутри жесткого ППУ состоит из жестких и мягких сегментов полимера по химическому составу синтетического полиола и изоцианата. Жесткий сегмент с относительно плотной структурой играет роль несущего груза ППУ, а для мягких сегментов с низкой температурой стеклования (Tg) участвует в свойствах высокого удлинения за счет спиральной цепи. 58].Однако мягкие сегменты имеют несущую способность с повышенной прочностью и твердостью благодаря процессу кристаллизации при более низкой температуре, чем Tg [59]. Другими словами, механические свойства жесткого ППУ в низкотемпературной среде могут определяться мягкими сегментами. Таким образом, можно видеть, что основной причиной разрыва окна ячейки, наблюдаемого в c, была кристаллизация, которая была закалена в холодном состоянии по всей структуре ячейки, и разрушение хрупкой части из-за непрерывно приложенной сжимающей нагрузки.

Однако в тесте на криогенное сжатие, где учитывалось ограничение, большинство клеточных структур оставались неповрежденными, и также редко возникали разрывы в окне, как показано на d. Считается, что это результат удерживающего приспособления, поддерживающего механические характеристики закаленной клеточной стенки и значительно снижающего частоту поломок. Этот результат показывает, что метод ограничения сжатия, предложенный в этом исследовании, оказывает большее влияние на механическое поведение более криогенного материала при 25 ° C.Эффекты ограничений также можно увидеть на рисунке, который показывает результаты теста с использованием образца RPUF. Как и в случае с чистым PUF, форма RPUF с закрытыми ячейками сохранялась более неповрежденной в условиях изоляции. При 25 °С, как видно из а, было замечено, что большинство стеклянных волокон разрушились и не выдержали нагрузки. Напротив, при -163 ° C вероятность поломки была меньше, как показано на d, благодаря контролю деформации в результате ограничения. Повторная проверка, проведенная с двумя жесткими ППУ, показала, что ограничения влияют на практические характеристики изнутри сотовой структуры.

3.4. Микроструктурный анализ

В целом, по мере увеличения относительной плотности газ, захваченный в ячейке жесткого ППУ, оказывает высокое давление, т. е. дилатационное напряжение на клеточную стенку [60, 61]. Как показано на рис. а, напряжение, действующее на клеточную стенку, латерально деформирует структуру с мягкими частями, состоящими из каучуковой фазы, если нет других препятствий [62]. Затем, когда стенки ячейки превышают допустимые пределы деформации, структура ячейки в целом становится более чувствительной.Когда равновесие силы нарушается, что затрудняет сопротивление из-за жесткости клеточной стенки, возникают изгибные переломы. Этот рост трещин является одним из основных факторов, определяющих механические характеристики жесткого ППУ [63].

Ячеистые структуры внутри жесткого образца ППУ против сжимающей силы в зависимости от переменных условий окружающей среды, таких как ограничение и температура. ( a ) без ограничений при 25 °C; ( b ) выдержка при 25 °С; ( c ) без ограничений при -163 °C; ( d ) ограничение при -163 °C

Однако в случае b, где было добавлено ограничение, картина искажения отличается от a.Ограничительный зажим сбоку создает силу реакции для подавления деформации конструкции. Это действие, по-видимому, эффективно контролировало растягивающее напряжение, вызванное внешней нагрузкой. Таким образом, блокирование критической деформации означает управление риском отказа за счет увеличения относительной плотности материала и получения преимущества, заключающегося в улучшении прочностных характеристик, как показано на рис.

c показывает режим отказа внутри ППУ при −163 °C. В отличие от температуры 25 °С, низкотемпературная хрупкость увеличивает долю клеточной структуры, несущей нагрузку за счет кристаллизации сегментов, и еще больше увеличивает взаимодействие между внешними и внутренними силами.Хрупкость структуры относительно приложенной силы относительно увеличивалась с увеличением жесткости, но она была более уязвимой при 25 °C с точки зрения сохранения формы за счет внутреннего растягивающего напряжения.

Наконец, d показывает, как ограничивающий эффект был в криогенной среде, когда применялась сжимающая нагрузка. Как показано на b, ограничительный зажим блокировал искривление клетки, но не влиял на жесткость клеточных стенок, непосредственно подвергающихся нагрузке. Напротив, как показано на d, жесткость окна ячейки, включая мягкие сегменты, увеличилась, что привело к положительному влиянию на прочность материала.Короче говоря, клеточная структура просто стала хрупкой, как показано на рисунке b, и она оказалась в ситуации, когда она легко становилась хрупкой под воздействием внешнего давления или давления расширения. Однако это могло уменьшить разрывы клеток в среде, где деформация была искусственно подавлена. Это означает, что ограничение, примененное к низкотемпературной среде, подавило нестабильное дилатационное искажение внутри ячейки, тем самым снизив риск хрупкого разрушения.