Механика композитных материалов 3 1983
..pdfненаполнеиных полиамидах, диффузионно стабилизированных хингидроном, где, несмотря на усовершенствование структуры поверхностного слоя, наблюдалось повышение скорости протекания релаксационных процессов [5].
К неожиданным результатам привела диффузионная стабилизация йодистым калием. Хотя повышение несущественное (см. табл.), по Е(1) видна явная тенденция к замедлению скорости протекания релак сационных процессов. Аморфизация поверхностного слоя, сопровожда ющая диффузионную стабилизацию йодидами и в случае ненаполненных полиамидов приводящая к ускорению процесса релаксации напря жений [6], для стеклонаполненного полиамида имеет меньшее значение. В данном случае, видимо, выявляются структурообразующие свойства йодистого калия, вызывающего образование комплексов [1], что может явиться причиной замедления протекания релаксационных процессов. Такое явление было отмечено при введении йодистого калия в массу [6].
Замеченные изменения вязкоупругого поведения стеклонаполненного ПА6 при диффузионной стабилизации связаны именно с присутствием стабилизатора (хингидрона или йодистого калия) в поверхностном слое, так как термообработка при режимах термофиксации (1 ч. воз духа при 160°С) практически не оказывает влияния на Е0 и E(t) (см. табл.).
Диффузионная стабилизация хингидроном и йодом приводит к из менению зависимости а(/)~^, в результате чего меняются все пара метры ядра релаксации (см. табл.). Как видно из спектров времен релаксации, определенных путем аппроксимации экспериментальных данных узкого временного интервала параболой, и последующего под
счета /7(1пт) = | Е — , основное влияние диффузионной
стабилизации на вязкоупругие свойства проявляется при малой про должительности эксперимента (до 1пт = 2,5), где скорость протекания релаксационных процессов снижается. Большое влияние на временную зависимость вязкоупругих свойств стабилизированного стеклонаполнен ного полиамида оказывают релаксационные процессы с временами ре лаксации 1пт>9 независимо от способа диффузионной стабилизации (рис. 2). Это тоже косвенно подтверждает образование на поверхност ном слое при диффузионной стабилизации более упорядоченных струк турных единиц.
Рис. 1. Дифрактограммы стеклонаполненного ПА6 контрольного (7), стабилизирован ного хингидроном (2), йодистым калием (3) и в моторном масле (4).
Рис. 2. Спектры времен релаксации стеклонаполненного полиамида, диффузионно ста билизированного йодистым калием (У), хингидроном (2 ) и исмодифицнрованного (3).
Рис. 3. Зависимость ударной вязкости стеклонаполненного ПА6, диффузионно ста билизированного хингидроном, от скорости охлаждения после термофиксацни.
Существенные отличия в тенденции изменения свойств стеклонапол ненного ПА6 при его диффузионной стабилизации по сравнению с ненаполненным отмечены при исследовании ударной упругой вязкости при изгибе. При диффузионной стабилизации хингидроном, приводя щей к существенному повышению ударной вязкости ненаполненных полиамидов [1], в случае стеклонаполненного полиамида наблюдается лишь некоторое повышение ударной вязкости при значительном увели чении разброса экспериментальных данных (см. табл.). •Дальнейшие исследования показали резкую зависимость ударной вязкости от ско рости охлаждения после термофиксации (рис. 3). При резком охлаж дении (окунанием, в тающий снег) ударная вязкость падала до
7,5± 3 кДж/м2; при скорости охлаждения (охлаждение с термостатом) |
|||
ниже ГС/мин ударная вязкость возрастала до 23—25 кДж/м2 с одно |
|||
временным уменьшением дисперсии экспериментальных данных. В |
то |
||
же время, уменьшение |
скорости |
охлаждения после термофиксации |
не |
оказало существенного |
влияния |
на вязкоупругие свойства: при сниже |
нии скорости охлаждения |
до 0,5°С/мин имеем £ 0 = 4280±170 МН/м2; |
Е (/=1 s) = 0,13± 0,01; Е |
(t = 8,6• 104 s) = 0,42±0,05. На дифрактограм- |
мах поверхностного слоя быстро и медленно охлажденных образцов значительных различий не обнаружено. Однако, как и в случае иссле дования вязкоупругих свойств, особенности изменения ударной вязкости связаны с присутствием стабилизатора в поверхностных слоях. Если провести термообработку нестабилизированных образцов в режиме термофиксации, высокая ударная вязкость наблюдается и при быстром охлаждении образцов (см. табл.). В связи с этим нами исследована еще одна система диффузионной стабилизации.
Диффузионная стабилизация в масле ДП-11 [5] (1 ч. при 180°С без термофиксации) приводит к формированию а-кристаллической мо дификации в поверхностном слое (кривая 2 рис. 1) и по влиянию на вязкоупругие свойства аналогична диффузионной стабилизации хингид роном, но по влиянию на ударную прочность гораздо менее эффективна. Влияние скорости охлаждения на ударную вязкость отмечено и для этого случая стабилизации, а также при стабилизации йодистым ка лием (см. табл.). Если рассматривать значения ударной вязкости, по лученные диффузионной стабилизацией с малой скоростью охлаждения после термофиксации, можно заметить, что системы диффузионной ста билизации, содержащие активные структурообразователи, эффективнее.
Проведенные исследования подтвердили, что диффузионная стаби лизация стеклонаполненного полиамида имеет свои особенности. Вопервых, присутствие армирующего наполнителя — стекловолокна — влияет на процессы структурообразования при диффузионной стабилизации. При стабилизации хингидроном наблюдались более глубокие структурные превращения, в результате чего повысилось зна чение EQ и не наблюдалось ожидаемого увеличения E(t). При стабили зации йодистым калием отмечены даже некоторые изменения тенденции структурных изменений — во-первых, наблюдалась не столь глубокая аморфизация кристаллической структуры поверхностного слоя, судя по изменению вязкоупругих свойств (сдвиг спектра' времен релаксации) — формирование более упорядоченной, хотя и дефектной (низкие значе ния йь) структуры. Во-вторых, присутствие наполнителя создает усло вия возникновения при модификации внутренних напряжений, как температурных, связанных с перепадами температур во время термо фиксации, так и связанных со структурными превращениями у границы раздела полимер—наполнитель. Именно в связи с этим и наблюдалось влияние скорости охлаждения после термофиксации. Подтверждение влияния внутренних напряжений получено при выдержке образцов в течение 16 мес. За это время ударная вязкость контрольных образцов повышалась и достигла 24±1,3 кДж/м2. Если провести диффузионную стабилизацию хингидроном таких образцов, то даже при медленном охлаждении после термофиксации из-за структурных превращений воз
никают внутренние напряжения и ударная вязкость снижается до 13, 15 кДж/м2. При выдержке после стабилизации из-за релаксации внут ренних напряжений ударная вязкость восстанавливалась и после 3 мес достигала 24±1,1 кДж/м2.
Приведенные результаты свидетельствуют о том, что диффузионная стабилизация создает возможность модификации деформационных и прочностных свойств стеклонаполненных полиамидов, хотя прогнозиро вать протекание процессов структурообразования на разных уровнях и, тем самым, регулировать свойства в заданном направлении на дан ном этапе из-за сложности композитного материала довольно трудно.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Мачюлис А. И., Торнау Э. Э. Диффузионная стабилизация полимеров. Вильнюс,
1974. 254 с.
2. Гвалда А.-К. В., Сапрагонас И. И., Крейнин О. П. Влияние диффузионной стабилизации на релаксационную стойкость стеклонаполненного полиамида. — В кн.: Сопротивление материалов (Материалы конф. «Автоматизация и механизация про изводственных процессов и управления»). Вильнюс, 1980, с. 29—30.
3. Марма А. И., Банявичюс Р. Б., Нагиневичене JI. П., Нагиневичюс В. В. Уста новка АУРМП-1 для исследования некоторых механических характеристик жестких полимеров. — В кн.: Сопротивление материалов. Вильнюс, 1977, с. 13— 14.
4.Колтунов М. А. Ползучесть и релаксация. М., 1976. 277 с.
5.Мачюлис А. Н., Сапрагонас И. И. Исследование структурных особенностей и прочности диффузионно-стабилизированных полимеров. — Механика полимеров, 1975,
№5, с. 200—213.
6.Баушис Я. П., Мачюлис А. М., Сапрагонас И. И., Удренас А. К. Исследование
прочностных и деформационных свойств некоторых модифицированных полиамидов. —
В кн.: Механизмы релаксационных явлений |
в твердых телах. Каунас, 1974, с. 297—301. |
Каунасский политехнический институт |
Поступило в редакцию 13.12.82 |
им. Антанаса Снечкуса |
|
М осковское научно-производственное объединение по механизированному инструменту и отделочным работам
Институт физико-технических проблем энергетики АН Литовской ССР, Каунас
МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, № 3, с. 518—522
УДК 678.2:620.178
Н. П. Жмудь, П. И. Солодовник, В. А. Якушин
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖЕСТКОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА В БЛОКАХ, ПОЛУЧЕННЫХ СВОБОДНЫМ ВСПЕНИВАНИЕМ
1.БЛОКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
1.Расширение сферы применения жестких пенополиуретанов (ППУ)
иувеличение объемов исследовательских работ по созданию новых ре цептур делают необходимым получение объективных, сопоставимых оценок механических свойств этих материалов. Особенность жестких пенополиуретанов, как и многих других полимерных материалов, за ключается в том, что они образуются только в процессе получения изделия. Известно, что ППУ может быть неоднородным и анизотроп ным как за счет неравномерного распределения массы полимера в блоке [1], так и вследствие переменных по объему эффектов ориента ции элементов структуры ППУ и полимера в них [2—4]. Свойства материала, таким образом, определяются не только химическим соста
вом его основных и вспомогательных компонентов и их сочетанием, но и особенностями структуры ППУ, связанными с условиями вспенива ния и геометрией формы. Поэтому оценка и сравнение свойств ППУ при создании новых композиций представляют известную методическую сложность. В настоящее время при проведении механических испыта ний ППУ учитывается, что этот материал анизотропен. Считается также, что неоднородность ППУ по плотности приводит к разбросу механических характеристик, определяемых на образцах, вырезанных из различных мест блока [1]. Поэтому методические рекомендации по испытанию ППУ предлагают оговаривать в каждом случае место вы резки образцов из блока, не давая, однако, никаких рекомендаций по выбору формы блока. Систематические исследования неоднородности механических свойств ППУ в блоках различной формы отсутствуют. Таким образом, установление закономерностей влияния формы блока ППУ на характер изменения механических свойств в его объеме пред ставляет интерес как с точки зрения оценки свойств изделий различной конфигурации, так и для обоснованного выбора формы блока для про ведения механических испытаний ППУ.
2. Для вспенивания блоков ПГ1У с целью последующего определе ния свойств материала применяют разнообразные формы. Как правило, это коробки прямоугольного поперечного сечения с различным отноше нием высоты к поперечному размеру. В данной работе для облегчения анализа распределения свойств ППУ в объеме блоки вспенивали в тонкостенных алюминиевых цилиндрах. При этом предполагалось, что вследствие симметрии формы для получения достоверной картины рас пределения свойств ППУ в объеме достаточно исследовать свойства только в продольном сечении блока. Полученные таким образом ре зультаты, очевидно, будут применимы и к блокам с некруговым сече
нием, исключая области вблизи углов, образованных боковыми стен ками.
|
Исследование выполнено на рецептуре ППУ-314. Все блоки изготовлены свобод |
||||
ным |
вспениванием |
в |
одинаковых условиях. |
Средняя |
плотность блоков составила |
55 кг/м . Различные размеры (табл. 1, рис. |
1) получены за счет изменения количе |
||||
ства |
заливаемой |
в |
форму композиции. В |
качестве |
исследуемых характеристик |
|
ц / |
|
|
|
|
|
_ 1 _ |
|
|
|
|
|
|
|
Г 1 |
н |
|
|
|
|
|
1 Ч |
|
|
|
|
|
2t i . |
|
|
|
|
|
|
- - - -1 1 |
|
|
|
|
||
Рис. 1. |
Обозначения |
Рис. 2 . Круговые |
диаграммы изменения |
жесткости |
Е г |
|
к табл. |
1. |
R' = 2r/D\ |
и прочности Пг- |
ППУ в горизонтальной |
плоскости |
гО |
H' = hlD. |
блока |
6 при R' = 0,6 и Я' = 0,4. |
|
в работе приняты: кажущаяся плотность ППУ у, жесткость Е, определимая по отно сительному укорочению образца на линейном участке зависимости напряжение—пере мещение, прочность при сжатии П~\ Индексами z и г обозначены характеристики ППУ в направлении, совпадающем с осью и радиусом цилиндра соответственно.
Прочность при сжатии в силу разнообразия |
видов разрушения жестких ППУ при |
этом виде нагружения не является, конечно, |
столь же определенной характеристикой, |
как прочность при растяжении. Однако сложность испытания, чувствительность проч ности при растяжении к наличию дефектов в материале и, что наиболее существенно, большой объем образца (h = 4-Jr5d) делают испытание на сжатие в данной работе более предпочтительным. Тем более, что исследуется материал из разных областей одного и того же блока и, следовательно, характер разрушения не должен сущест венно изменяться.
Для определения искомых характеристик в разных точках объема из блока труб чатым сверлом вырезали образцы. При этом для каждого образца фиксировалось положение его центра в относительных координатах R' и Н' (см. рис. 1). Нагруже ние осуществлялось на испытательной машине 1253-У-2 с регистрацией диаграммы нагрузка—перемещение. Скорость перемещения опор составляла согласно ГОСТ 23206—78 ~0,1 h мм/мии, где h — высота образца. Результаты предварительного экс перимента показали (рис. 2), что предположение о симметрии распределения свойств ППУ в исследуемых блоках вполне оправдано. Диаметр образца в диапазоне от 15 до 30 мм, как видно из табл. 2, не влияет на величины Е и П“ . Поэтому все
эксперименты выполнены на образцах диаметром |
d = 20 мм и |
высотой 1,1— 1,3d. |
|
3. |
Характер изменения плотности у |
и прочности |
П2“ в направлении |
вспенивания в блоках 1—4 по высоте показан на рис. 3—а. Как видно,
в блоках |
1—3 П2“ |
остается |
практически постоянной лишь до высоты |
||||||||
Н '= 1,0ч-1,5. Далее с высотой |
прочность снижается по линейному за |
||||||||||
кону так, что в верхней части блока величина П2~ оказывается |
в 3,5—4 |
||||||||||
|
|
Табл. |
1 |
|
|
|
|
Табл. 2 |
|||
|
|
|
|
|
|
Характери стики |
|
|
|||
Номер |
Диаметр |
Высота |
I1/D |
Диаметр |
Е г |
| |
а |
п«- |
1 |
о |
|
образца*. |
|||||||||||
блока |
D, мм |
//, мм |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
мм |
|
МПа |
|
кПа |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1 |
73 |
600 |
8,2 |
15 |
12,0 |
|
± 2 , 0 |
460 |
|
.±10 |
|
2 |
|
320 |
4,3 |
20 |
12,0 |
± 1 ,5 |
459 |
|
7 |
||
3 |
|
160 |
2,2 |
30 |
11,0 |
|
± 1 , 0 |
457 |
|
5 |
|
4 |
|
ПО |
1,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
218 |
310 |
1,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
190 |
0,85 |
* Испытывали |
по |
шесть образ- |
|||||
7 |
|
120 |
0,56 |
||||||||
8 |
|
80 |
0,37 |
цов каждого диаметра. |
|
|
|
Рис. 3. Изменение плотности и прочности ППУ в направлении оси блоков. Цифры у кривых — номера блоков в соответствии с табл. 1.
раза меньше, чем в нижней. Существенно, что наблюдаемое падение прочности не сопровождается изменением плотности ППУ, соответст вующим известным эмпирическим зависимостям [5, 6]. Полученные ре зультаты убедительно показывают, что большая* неоднородность по прочностным свойствам не позволяет использовать блоки рассмотрен ного типа (#/£>>2,0) для оценки свойств различных рецептур ППУ.
.Исследование диапазона относительных высот #/£)<1,5 выполнено на блоках 5—8 (рис. 3—б); изучали характер изменения свойств ППУ по всему продольному сечению, причем для блоков 5 и 7 определяли характеристики не только в направлении вспенивания — Ег и П2“, но и в перпендикулярном направлении — Ег и Пг“. На рис. 3—б приве дены зависимости у, П2~ от Н' при R' = 0. Кривая 4, соответствующая изменению свойств ППУ в блоке диаметром 73 мм, перенесена с рис. 3—а для оценки влияния диаметра блока при постоянном #/£>. Как видно, увеличение диаметра не влияет на распределение плотно сти. Общий характер зависимости П2~ от # ' также остается неизмен ным, хотя величина П2~ в блоке большего диаметра выше, причем раз личие уменьшается от дна к верху блока. Можно предположить, что переход к блокам большего диаметра не изменяет, по крайней мере, качественную оценку распределения П2~ по высоте.
Увеличение диаметра наиболее заметно сказалось на прочности ППУ в придонной части блоков — она возросла по сравнению с со ответствующими значениями П2“ в блоках малого диаметра. Это, по всей видимости, связано с увеличением плотности ППУ. Когда #/£><1, П2~ непрерывно снижается от дна к верху блока. Отношение макси мальной и минимальной величин П2~ уменьшается с уменьшением от носительной высоты блока от 3,3 при H/D = 0,85 до 1,6 при #/£) = 0,37. В последнем случае изменение Пz~, как видно из рис. 3—б, хорошо согласуется с изменением плотности. Приведенные экспериментальные зависимости позволяют предположить, что изменение П2~ в направле нии вспенивания в блоках 1—7 с #/D >0,6 определяется не только из менением плотности, но и ориентационными эффектами, связанными со стесненным расширением вспенивающейся массы в форме с верти кальными стенками. В блоках меньшей относительной высоты для дан ной рецептуры прочность ППУ целиком определяется его плотностью.
Для оценки влияния средней плотности блока ППУ на закономер ности изменения свойств на рис. 4 сопоставлены зависимости П2~ от
Рис. 4. Изменение плотности и прочно |
|
Н' |
|
||||||||
сти ППУ в направлении оси в блоках |
3'. |
3 |
3V |
||||||||
различной |
плотности. Цифры |
у |
кри |
||||||||
вых |
— |
номера |
блоков. |
/, 3 |
— |
у = |
|
ОА |
|
||
= 55 |
кг/м3; 2 \ 3' — у=110 |
кг/м3. |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2' |
2 |
2' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОА |
|
Н' для блоков со средней плот |
|
|
|
||||||||
ностью, |
|
различающейся |
прибли |
|
|
|
|||||
зительно в два раза. Блоки из |
|
|
|
||||||||
готовлены |
в |
одинаковой |
форме. |
|
|
|
|||||
Как |
видно, |
|
характер |
изменения |
|
|
|
||||
плотности |
качественно не меня |
|
|
|
|||||||
ется. |
Сопоставление |
кривых |
из |
|
|
|
|||||
менения |
П2~ |
позволяет |
предпо |
|
|
|
ложить, что с увеличением средней плотности увеличивается высота блока, начиная с которой проявляется влияние боковых стенок. На ос новании полученных результатов можно считать, что представленные экспериментальные закономерности характерны для жестких ППУ со средней плотностью 50— 100 кг/м3.
На рис. 5 показаны линии равной прочности для половины продоль ного сечения блоков 5 и 7. Как видно, изменение П2“ в направлении радиуса менее значительно, чем в осевом направлении. Установлено, что увеличение П2~ при приближении к стенке формы связано глав ным образом с увеличением плотности ППУ, а изменение П2~ по вы соте блока не сопровождается соответствующим изменением плотности. Сравнение характера распределения П2~ в обоих блоках показывает, что с увеличением высоты величина прочности в нижней части блока незначительно уменьшается, а расположение линий равной прочности остается практически неизменным, т. е. происходит как бы достройка верхней части распределения. Это совпадает с результатами, получен ными для блоков малого диаметра. Зависимости отношений EzIEr и П2/Пг, характеризующих анизотропию ППУ в блоке, от высоты И' приведены на рис. 6. Оказалось, что в пределах от R' = 0 до ^' = 0,75 эти отношения одинаково меняются с высотой Н'. Как видно, умень шение относительной высоты блока приводит к снижению степени анизотропии ППУ, особенно в средней части блока. Можно предполо жить, что обнаруженное изменение анизотропии связано с ориентаци онными эффектами в структуре ППУ.
Рис. 5. Кривые равной прочности (Пг_ -10_2, |
кПа) для половины продольного сече |
||
ния блоков 5 (а) и 7 (б). |
|
||
Рис. 6. Изменение анизотропии жесткости |
(---------- |
) н прочности (--------- |
) ППУ в |
направлении оси в блоках |
5 |
и 7 при 7?' = 0-^0,75. |
|
Из полученных экспериментальных данных следует, что в исследо ванных блоках высотой от 0,4 до 8 D ППУ неоднороден и обладает существенной анизотропией. Поэтому при использовании для оценки физико-механических свойств ППУ блоков, образованных свободным вспениванием в формах с вертикальными стенками, необходимо учи тывать, что полученные характеристики отражают только свойства ППУ в блоке данных размеров с присущей ему неоднородностью и ани зотропией. Для вырезки образцов можно рекомендовать блоки высо
той Я = 1,2-М,6 |
D. В таких |
блоках зона, |
в |
которой изменение |
проч |
ности П2“ не превышает 25% |
в направлении высоты и 15% в направ |
||||
лении радиуса, |
заключена в |
пределах по |
Н' |
от 0,4 до 1,0 и по |
R' от |
0 до 0,7. Следует, однако, иметь в виду, что для форм рассмотренного типа даже использование блоков с одинаковыми размерами и одинако вое место вырезки образцов не гарантирует получение достоверных результатов при сопоставлении свойств ППУ, значительно различаю щихся составом и параметрами вспенивания, а следовательно, и осо бенностями распределения свойств в объеме блока.
Выводы. 1. В блоках ППУ с вертикальными стенками и круговым поперечным сечением (Я/D = 0,4-f-8), полученных свободным вспени ванием, наблюдается закономерное изменение механических свойств
материала в объеме, не связанное с изменением плотности. |
|
|
||||
2. Характер |
изменения |
П2~ по высоте |
при Я /D ^ 2 не |
зависит |
от |
|
Я /D. При |
этом |
величины |
максимальной и |
минимальной |
прочности |
в |
блоке для |
исследованного ППУ отличаются |
в 3,5—4 раза. |
|
|
3.Распределение у и Ylz~ по высоте блока качественно нс изменя ется при изменении диаметра и средней плотности блока в исследо ванном диапазоне. Полученные данные, таким образом, пригодны для предварительной оценки свойств ППУ в цилиндрических блоках, изго тавливаемых для различных целей.
4.Представляется нецелесообразным изготовление блоков ППУ для проведения физико-механических испытаний в формах с вертикаль
ными стенками.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Методы физико-механических испытаний пенопластов: Сб. трудов. НИИ техн.- эконом. послед. (НИИТЭХИМ). М., 1976. 80 с.
2.Дементьев А. Г., Тараканов О. Г. Ячеистая структура и физико-механические
свойства пенопластов. — Пласт, массы, № 3, 1982, с. 17—20.
3. Берлин А. А., Шутов Ф. А. Пенополимеры на основе реакционноспособных
олигомеров. М., 1978. 295 с. |
|
||
4. |
Komada |
Н. A new process for producing isotropic rigid polyurethane foam. — |
|
In: Cell. a. Non |
Cell. Polyurethanes. Miinchen; Wien, 1980, p. 125— 134. |
|
|
5. |
Gisi S. |
L. de, Neet T. Predicting the compressive properties of |
rigi‘d urethane |
foam. |
— J. of Appl. Polvmcr Science, 1976, vol. 20, N 9, p. 201 Г—2029. |
|
|
6. |
Phillips |
P. J., Waterman N. R. The mechanical oroperties of high dencity rigid |
|
polyurethane foams in compression. — Polymer Engineering a. Science, |
1974, vol. 14, |
||
N 1, p. 67—71. |
|
|
Институт химии древесины |
Поступило в редакцию 28.07.82 |
АН Латвийской ССР, Рига |
|
МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, № 3, с. 523—529
УДК 620.17:678:611
В.М. Парфеев, И. В. Грушецкий, А. А. Дробьииев,
Г.В. Гайдамакина
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛАСТОМЕРОВ ДЛЯ ИСКУССТВЕННЫХ ЖЕЛУДОЧКОВ СЕРДЦА
В конструкциях искусственного сердца (ИС) [1—7] широко приме няют эластомеры, из которых изготавливают детали искусственных желудочков сердца (ИЖС), работающие как мягкие оболочки (пневмо- и кровяные камеры, диафрагмы). К эластомерам для ИЖС предъяв ляют высокие требования в отношении биосовместимости [1, 8]. Для решения проблем, связанных с обеспечением функциональных и гемо динамических характеристик ИС, их приводом, энергетикой и управле нием, проводят специальные исследования и испытания создаваемых конструкций [1—4, 9]. Ряд требований к ИЖС [1] нельзя удовлетво рить без учета данных по механике материалов [10— 12]. В целях снижения опасности тромбообразования ИЖС не должны содержать застойных зон, а диафрагма должна быть гибкой и равномерно дефор мироваться. Недопустимо соприкосновение диафрагмы с корпусными деталями, травмирующее кровь. ИЖС должен обладать достаточным ресурсом (106— 107 циклов для средств вспомогательного кровообраще ния, 107 и более циклов для имплантируемого ИС). При конструирова нии необходимо проделать прочностные расчеты, основываясь на дан ных по сопротивлению усталости, определить деформации, размеры и объем камер ИЖС с учетом упругих свойств и ползучести материалов. Получение и анализ таких данных и являются целями настоящей ра боты.
Заготовки для образцов изготовлены в Научно-исследовательском институте трансплантологии и искусственных органов Министерства здравоохранения СССР из медицинского полиуретана (ЧССР) и кремнийорганической резины РКМ. Пленки из полиуретана толщиной 0,1—0,3 мм получены из раствора заливкой в ванночки и имели размеры 50X200 мм или диаметр 80 мм. Резина РКМ отпрессована в виде пластин с размерами (0,8— 1,2) X 120X 120 мм; часть из них армирована лавсановым сетчатым полотном с ортогональными ячейками. Наряду с материалами испытаны мембраны, изготовленные в виде фигур вращения с сегментальной сферическом и цилиндрической (для крепления к испытательной камере) поверхностями. Мембраны из полиуретана получены методом окунания и имели толщину 0,2—0,3 мм, радиус сферической поверхности — 40 мм, высоту сегмента — 20 мм. Мем браны из армированной резины РКМ получены натяжением ре зины на шаблон с вулканизацией.
Их |
размеры — 0,8— 1,2, 45 и |
25 |
мм соответственно. |
Рис. 1. Установка для цикличес
кого |
раздувания мембран |
ИЖС: |
||
1 |
— |
пульт управления ПУ-7М; |
||
2 |
— |
измеритель перемещений |
||
ИП-1204; 3 — |
камера с |
закреп |
||
|
|
ленной |
мембраной. |
|
|
|
|
Одноосное |
растяжение |
|
Дпухоснос растяжение |
|||
.Материал |
|
|
|
л* |
--=1,25 |
МПа |
о*, МПа |
К* |
£^= 1,25 МПа |
|
о*, |
Л\Па |
|||||||
Полиуретан |
48,0 |
|
8,0 |
27,0 |
15,0 |
5,1 |
17,0 |
||
РКМ |
|
9,8 |
|
5,0 |
4,0 |
3,0 |
3,9 |
2,4 |
|
Армированная** |
2,4 |
|
1,55 |
5,8 |
1,95 |
1,25 |
7,8 |
||
резина РКМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* о* — условная прочность; К* — разрывная степень растяжения; £\=1,25 — |
|||||||||
модуль упругости при заданной степени растяжения Л,= 1,25. |
текстиля; |
испытания |
|||||||
** Данные |
относятся |
к |
моменту разрушения |
армирующего |
|||||
на растяжение |
проведены |
в направлении основы. |
|
|
|
|
Материалы испытывали на одноосное и двухосное растяжение с одновременным измерением светопропускания [13]. Усталостные испытания проводили в отнулевом режиме, поддерживая максимальную нагрузку на постоянном уровне [14]. Мембраны для ИЖС испытаны при гидростатическом нагружении со скоростью возрастания давления « 0 ,5 кПа/с. Усталостные испытания мембран проводили с помощью пульта управления ПУ-7М, питаемого от сети сжатого воздуха. В одном варианте (рис. 1) индукционным датчиком и прибором ИП-1204, разработанными в специализирован ном КБ научного приборостроения Института механики полимеров АН Латвийской ССР, измеряется перемещение полюса мембраны. В другом — деформации и светопропускание [13].
Результаты статических испытаний на растяжение представлены в таблице и на рис. 2. Как видно, упругопрочностные характеристики полиуретана в несколько раз выше, чем у изотропной и армированной резины РКМ. Армирование, как и следовало ожидать, увеличивает мо дуль упругости материала, особенно по отношению к двухосному рас тяжению.
Многие детали ИЖС изготавливают путем формования и вулкани зации. От армирующего материала требуется достаточная растяжи мость, тем большая, чем сложнее конфигурация детали. Такому требованию удовлетворяют некоторые материалы трикотажного пере плетения. Перед вулканизацией трикотажная сетка неоднородно дефор мируется, и механические свойства готового материала в разных дета лях и в разных точках одной детали различаются. Например, на рис. 2—а кривые <3, 6, 7 относятся к растяжению вдоль основы мате риала с соответственно недеформированными и предварительно дефор мированными параллельно или перпендикулярно основе ячейками. Анализ этих кривых показал, что в первом приближении упругопроч-
|
|
( ,~ 3' |
6' |
7) " |
lllo ~ l |
I4’ |
5>- полученные |
при одноосном |
|||||
(а) н двухосном (б) растяжении |
полиуретана (/, |
4), |
изотропной |
резины РКМ |
(2 |
5) |
|||||||
армированной |
резины |
РКМ с |
Ь/а |
равным |
1,05 (3), |
1,22 (6 ) и |
0,88 |
(7). Здесь и на |
|||||
Р ' 3 ' ® „ Г |
Г Г / |
Р:И|1Г |
' ! ; |
9 |
— " С разрушс|г Отрезками па |
кривых |
здесь и |
||||||
в дальнейшем |
(pm. 3, |
о) |
обозначены S0% |
доверительные интервалы. |
|
|