聚氨酯泡沫材料的高溫蠕變特性

李慕珂， 李自力， 李 揚(yáng)， 畢嘯真， 陳 放, 張成斌

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2. 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580； 3. 青島市環(huán)海油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580； 4. 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

隨著科技的進(jìn)步，高分子材料越來(lái)越多地應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。自從聚氨酯材料發(fā)明以來(lái)，不斷被改進(jìn)、使用，就應(yīng)用廣度來(lái)說(shuō)，已經(jīng)成為各大合成材料的首位[1]。聚氨酯是一種主鏈以重復(fù)的氨基甲酸酯為特征結(jié)構(gòu)單元的一類聚合物[2]，在發(fā)泡后成為泡沫體被應(yīng)用。 聚氨酯泡沫材料有低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、低吸水率、化學(xué)穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，而被作為保溫層應(yīng)用在管道上[3-4]。在其使用過(guò)程中，聚氨酯泡沫受到外界應(yīng)力滲水的影響，某些環(huán)境下還受高溫的影響[5]，聚氨酯泡沫材料會(huì)產(chǎn)生一定程度的蠕變[6]，蠕變使聚氨酯材料的厚度減薄、穩(wěn)定性下降、導(dǎo)熱系數(shù)升高、使用壽命縮減，對(duì)管道安全輸送產(chǎn)生威脅。應(yīng)力和溫度是影響聚氨酯材料蠕變的兩個(gè)重要因素[7]。 溫度的升高會(huì)加速聚氨酯高分子的熱運(yùn)動(dòng)，使蠕變進(jìn)程加快，宏觀表現(xiàn)為蠕變速率加快[8]。聚合物高分子材料應(yīng)用廣泛，且大多數(shù)聚合物材料都容易發(fā)生蠕變[9]，因此，眾多學(xué)者對(duì)聚合物材料的蠕變特性展開(kāi)研究[9-11]。雖然對(duì)泡沫材料的研究開(kāi)展的較早，但是無(wú)論在實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬方面，開(kāi)展的工作及成果還是較為有限[12]，缺乏對(duì)聚氨酯材料高溫蠕變特性的研究。因此，針對(duì)聚氨酯泡沫材料進(jìn)行高溫蠕變實(shí)驗(yàn)具有重要的實(shí)際意義。

聚氨酯泡沫材料屬于黏彈性材料[13]，其蠕變變形可以分為3個(gè)部分，分別是彈性形變、黏彈性形變、黏性形變。彈性形變?cè)诹Τ烦笱杆倩謴?fù)，黏彈性形變?cè)诹Τ烦缶徛謴?fù)，黏性形變屬于永久形變，不可恢復(fù)[14]。

描述蠕變的模型有應(yīng)變強(qiáng)化模型、時(shí)間強(qiáng)化模型、修正應(yīng)力強(qiáng)化模型、修正時(shí)間強(qiáng)化模型、廣義指數(shù)模型等[15]。修正的時(shí)間強(qiáng)化模型(Modified Time Harding)的變量較少，且能夠描述溫度、應(yīng)力對(duì)蠕變的影響，比較適合本文使用。

本文通過(guò)自建的高溫蠕變實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定了聚氨酯保溫材料在不同溫度、不同應(yīng)力下的蠕變量，記錄數(shù)據(jù)，用Modified Time Harding模型進(jìn)行擬合，獲得了聚氨酯材料的高溫蠕變本構(gòu)方程。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用河北某廠提供的各向同性聚氨酯泡沫材料，彈性模量為1.7 MPa ，泊松比為0.443，密度為0.04 g/cm3，根據(jù)GB/T 20672—2006[16]的要求將其切割成尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的實(shí)樣。

自行設(shè)計(jì)了高溫蠕變實(shí)驗(yàn)裝置，裝置由六部分組成：壓縮容器、壓頭、上壓板、位移傳感器、砝碼、溫控箱。整體裝配圖及溫控箱如圖1、2所示。

圖1 蠕變實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Creep test device

圖2 溫控箱

Fig.2Temperaturecontrolbox

本次實(shí)驗(yàn)的泡沫材料屈服值為0.117 6 MPa，因此實(shí)驗(yàn)選取的應(yīng)力水平為0.078 4、0.038 2 MPa，即加載載荷分別為196、98 N。選取的實(shí)驗(yàn)溫度分別為40、50、60、70 ℃，即為313.15、323.15、333.15、343.15 K。在不同時(shí)間記錄試樣壓縮量，處理數(shù)據(jù)并繪制蠕變-時(shí)間曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3是聚氨酯泡沫在98、196 N應(yīng)力條件和不同溫度下的蠕變曲線。

圖3 聚氨酯泡沫在不同應(yīng)力和不同溫度下的蠕變曲線

Fig.3Creepcurvesofpolyurethanefoamunderdifferentstressanddifferenttemperatures

從圖3可以看出,蠕變發(fā)生的初始時(shí)刻，材料處于彈性形變階段，蠕變量和時(shí)間呈現(xiàn)線性關(guān)系，蠕變速率較高。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，在加載3 h后，蠕變速率逐漸降低，材料的變形也由彈性形變階段轉(zhuǎn)入黏彈性形變階段。在該階段變形中，黏性變形所占比例逐漸升高。從圖3(a)中看出,隨著溫度的升高材料發(fā)生蠕變的程度更大，在蠕變發(fā)生24 h時(shí)，70 ℃下的蠕變量要比40 ℃下的蠕變量高出20%。溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，蠕變發(fā)生程度越高。應(yīng)力水平由98 N提升至196 N后，在同溫度下，蠕變程度上升50%。綜上所述，溫度和應(yīng)力都是影響聚氨酯材料蠕變的重要因素。

3 蠕變本構(gòu)方程擬合

聚氨酯材料的蠕變隨時(shí)間的增長(zhǎng)不斷升高，蠕變過(guò)程由3個(gè)階段組成：快速蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段?？焖偃渥冸A段的蠕變速率呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢(shì)；穩(wěn)態(tài)蠕變階段經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)，蠕變速率基本保持不變；加速蠕變階段的蠕變速率不斷增長(zhǎng)，直至材料發(fā)生破壞。對(duì)材料蠕變的研究主要針對(duì)快速蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段的前期。

Modified Time Harding 模型是ANSYS自帶的蠕變計(jì)算模型，適用于模擬聚氨酯蠕變過(guò)程中的前兩個(gè)階段。其方程如式(1)所示：

(1)

式中：εcr為應(yīng)變，m；σ為應(yīng)力,N；t為時(shí)間,s；T為溫度,K;C1，C2，C3和C4為蠕變參數(shù)，且C1>0，C3+1>0。

用Modified Time Harding 模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到式(1)中的參數(shù)，結(jié)果如表1所示，相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上，說(shuō)明擬合效果較好，且Modified Time Harding 模型能夠較為準(zhǔn)確地描述聚氨酯泡沫材料的蠕變過(guò)程。

對(duì)比表1中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下模型中對(duì)應(yīng)的參數(shù)數(shù)值比較接近，取其平均值作為蠕變本構(gòu)方程中的參數(shù)值。聚氨酯泡沫材料的蠕變本構(gòu)方程如式(2)所示:

(2)

表1 聚氨酯材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合參數(shù)值Table 1 Fitting parameters of experimental data of polyurethane

4 蠕變本構(gòu)方程的驗(yàn)證

在353.15 K的溫度下分別對(duì)聚氨酯泡沫材料加載98、196 N的應(yīng)力，記錄聚氨酯泡沫材料的實(shí)驗(yàn)蠕變曲線，與式(2)擬合出的模擬蠕變曲線進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)所得的蠕變曲線與用蠕變本構(gòu)方程擬合獲得的曲線趨勢(shì)較為一致，但是在快速蠕變階段后期與穩(wěn)態(tài)蠕變階段前期有誤差，但誤差在8%以內(nèi)，可以認(rèn)為蠕變本構(gòu)方程能夠較好的描述材料的高溫蠕變過(guò)程。

圖4 不同加載應(yīng)力，353.15 K溫度條件下實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比

Fig.4Comparisonofexperimentalandmodelpredictionsunderdifferentloadingstressand353.15Ktemperature

在穩(wěn)態(tài)蠕變階段蠕變速率基本不變，但是蠕變速率受加載應(yīng)力、溫度的影響較為明顯。對(duì)式(1)求導(dǎo)得到式(3)，即為聚氨酯材料穩(wěn)態(tài)蠕變階段蠕變速率的表達(dá)式：

(3)

通過(guò)式(3)得到蠕變速率擬合值及與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2可知,除313.15 K、98 N條件下的誤差較大，其他數(shù)值的誤差均保持在7%以下，而較大誤差的產(chǎn)生可能與材料切割、打磨環(huán)節(jié)有關(guān)，由此看出,Modified Time Harding 模型可較好模擬聚氨酯材料穩(wěn)態(tài)蠕變速率。

表2 不同溫度、不同應(yīng)力條件下穩(wěn)態(tài)蠕變速率實(shí)驗(yàn)值與擬合值的對(duì)比Table 2 Different temperature and stress under the condition of steady creep rate compared with the experimental values and fitted values

5 結(jié)論

(1) 聚氨酯泡沫材料的高溫蠕變曲線分為兩個(gè)階段：蠕變速率較大，且蠕變速率隨時(shí)間增大逐漸減小的第一階段；蠕變速率較小且保持恒定的第二階段。

(2) 溫度、應(yīng)力是影響聚氨酯泡沫材料的蠕變特性的兩個(gè)重要因素。溫度升高或應(yīng)力提高，材料的蠕變量和蠕變速率均增大。

(3)Modified Time Harding模型較適用于聚氨酯泡沫材料高溫蠕變的擬合和預(yù)測(cè)。

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