东莞华工佛塑新材料有限公司 , 广东东莞 523000
摘要:浇注型聚氨酯弹性体(CPU)容易受到温度的影响,受热后容易发生老化现象,使其弹性性能下降。基于此,本文将对CPU进行实验,对温度的影响进行分析,确定温度对其弹性的影响,保障CPU具有良好的性能,使其能够更好地应用到不同领域,使CPU具有良好的弹性特征,进而完成本构关系的确立。
关键词:聚氨酯弹性体;热老化;本构关系
引言:浇注型聚酯弹性体(CPU)是重要的生产原料,具有较大的应用前景,但却容易受到热老化现象的影响,使其在性能方面受到严重的限制。为此,对CPU的性能进行研究非常重要,通过对本构模型的分析,可以对CPU进行更加深入的研究,对温度与弹性的影响进行分析,保障CPU能够得到正确地应用。
1实验部分
1.1原料
PTMG-TDI型预聚体、3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯甲烷(MOCA)[1]。
1.2仪器设备
电子天平(JY10001)、搅拌器(MYP11-2A)、干燥箱(BXX-30S)、电子万能试验机(HD-B609B-S)。
1.3试样制备
取适量预聚体,对其进行加热,将温度控制在86℃±2℃范围内,对其受到温度的影响(删除),将其作为重要的分析成分。以扩链系数0.78对MOCA进行量取,对其进行加热,将温度控制在108℃±2℃范围内,将其作为添加物。当两者的温度稳定后,继续加热2-3min,之后,将MOCA倒入预聚体中,使用搅拌器进行搅拌,使两者能够充分地混合,同时在真空中进行脱泡操作,消除搅拌混合形成的气泡,保障混合试样的质量。将混合物置于模具中,温度控制在82℃±2℃范围内,加热时间为8-12min,使混合物呈现凝胶状态。接着,将混合物置于干燥箱中,温度控制在95℃±2℃范围内,烘干时间为15h,这样便完成了试样的制备。
1.4热老化实验
热老化实验采用控制变量法,试验变量为温度,其它条件不变,在不同温度下对试样进行实验。试验温度分别为40℃、60℃、...、140℃,每隔20℃进行一次实验。取相同规格的试样,在干燥箱内进行实验,取样时间为实验开始200h后,保障试样能够充分进行老化,使热老化分析结果更加地精准。
1.5测试表征
将试样置于室温环境下,待试样温度与室温相同后,使用万能试验机对不同试样进行分析,对试样弹性影响进行检测,确定应力、应变两者之间的关系,定量、定性对两者的影响进行分析。表征测试时,需要保障拉伸速率相同,可由万能试验机进行控制,将速率控制在8.0mm/s,拉伸时间为2s,对应力与应变之间的关系进行记录。
2实验结果分析
2.1应力应变关系
应力与应变关系是分析CPU热老化的重要方法,可以定性对热老化现象进行研究,对不同温度影响下,CPU弹性变化进行分析,进而保障分析的精准化程度。如图1所示,为老化200h后CPU弹性形变状况,横轴为应变量(%),纵轴为应力(MPa),在40-140℃之间对6组相同试样每隔20℃进行一次实验,对不同温度下CPU应力应变情况进行分析[2]。
图 1 应变与应力关系
由图1可知,CPU热老化过程中,应变与应力具有非线性特征,并且呈上升趋势,应变对应力的影响较为明显。从整体效果来看,不同温度下,曲线变化可以分为两个阶段。第一阶段为极速上升阶段,应力受到应变的影响较大;第二阶段为增长速率明显下降,弹性变形状况有降低。由此可见,曲线变化较为柔和,说明拉伸过程中无硬化显现出现,可以使用该曲线对热老化现象进行分析。
对不同温度下,应力应变曲线进行对比可得出如下结论:第一,不同温度下曲线具有界线较为鲜明,不会发生较大的重合现象,说明温度变化对应力应变关系具有明显影响。第二,当温度为80℃时,温度对应力应变的影响较为严重,说明该温度可以作为应力应变控制的临界温度。第三,在温度小于80℃条件下,当温度增加时,图像曲率渐渐减小。在温度大于80℃条件下,当温度增加时,图像曲率渐渐降低,说明CPU受温度的影响较为灵敏。
2.2弹性本构模型
CPU具有较强的弹性,需要通过本构模型对CPU进行弹性分析,对其应变张量变化进行建模,进而实现定量分析。由Cauchy-Green模型可知,CPU应变张量模型如下:
三个变量受到拉伸比的影响,当CPU沿着轴向拉伸时,所受应力将会逐渐增大。对于单独变量而言,拉伸比主要包含三种,将其定义为 。由于拉伸过程处于载荷作用方向,所以可以令 。又由于实验CPU材质相同,所以 =1, ,于是三个张量的关系可以表示如下:
拉伸比 受到长度L和标距长度L0的影响,由于试样混合较为均匀,拉伸变化具有较强的均匀性,所以拉伸比求解如下;
试样拉伸过程中,将会受到一定的应力,应力计算方法如下:
若对单位体积的CPU进行研究,则A0L0=1,将其代入上式可以得到如下关系:
通过上述公式,可以对应力与应变之间的关系进行精确分析,可以对CPU的弹性性能进行有效地判断,使本构模型更加地精准,进而增强应力应变分析的可靠性。
2.3老化本构模型
老化本构模型具有多种构建形式,采用不同模型的精度是不同的,为此,需要对不同模型进行综合考虑,从中选择精度较高的模型作为分析依据。老化本构模型主要包括MR模型、Yeoh模型、NH模型三种形式,对应的拟合曲线如图2所示。
图 2 三种模型应变应力拟合曲线
由图2可知,MR模型、Yeoh模型与实验曲线具有较高的拟合度,且两种模型拟合度具有较大的相似性,而ZH模型与实际曲线的拟合度较低。因此,需要对MR模型、Yeah模型进行进一步分析,采用定量分析的方式,准确地对两者的拟合度进行评估,以此来保障老化本构模型选择合理性,提高模型构建的准确性。曲线拟合度可由相关系数R2进行评估,MR模型、Yeah模型相关系数R2见表1。
表 1 模型相关系数R2
模型 | 温度(℃) | |||||
40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 | |
MR模型 | 0.9842 | 0.9853 | 0.9852 | 0.9854 | 0.9859 | 0.9843 |
Yeoh模型 | 0.9818 | 0.9817 | 0.9807 | 0.9821 | 0.9802 | 0.9789 |
由表1可知,MR模型、Yeah模型相关系数R2前者大于后者,所以MR模型的拟合度高于Yeah模型。因此,选择MR模型对老化本构模型进行研究,可以保障模型的准确性。由MR模型可知,CPU应力应变关系受到拟合参数A1、A2的影响,具体数据见表2。
表 2 MR模型拟合参数
拟合参数 | 温度(℃) | |||||
40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 | |
A1 | 0.7085 | 0.7192 | 0.7381 | 0.6829 | 0.6301 | 0.5639 |
A2 | 0.4818 | 0.6249 | 0.7267 | 0.5773 | 0.7186 | 0.7895 |
MR模型需要通过拟合参数A1、A2进行计算,以A1、A2作为自变量,温度T(40℃<T<140℃)作为因变量,通过MATLAB软件可以得到如下关系:
所以,应力计算方法如下:
通过上述公式,可以对老化后的CPU进行分析,提高应力应变分析的准确性。
结论:综上所述,CPU在温度的作用下,将会发生老化现象,使其弹性受到较大的影响。本文以实验的方式对CPU的热老化状况进行分析,由应力应变关系对其弹性变化进行分析,通过本构模型对具体影响进行验证,进而定性对CPU热老化影响进行研究,使研究结果更加地准确。
参考文献:
[1]王培文,王敏杰,段飞,等.浇注型聚氨酯弹性体热老化条件下的本构关系[J].弹性体,2020,30(05):6-10+15.
[2]张晓蕾,周海军,李彦涛.浇注型聚氨酯弹性体的制备与阻尼性能研究[J].聚氨酯工业,2019,34(04):5-7.