Особенности испытаний пенопластов при использовании разных методологических подходов

СЕКЦИЯ D

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-195-201 УДК 678.067-405.8:620.178

П.А. Додонов

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

ОСОБЕННОСТИ ИСПЫТАНИЙ ПЕНОПЛАСТОВ

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗНЫХ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ

ПОДХОДОВ

Приведено сравнение методик испытаний и результатов испытаний по различным методикам. Отражены особенностей поведения пенопластов при различных видах нагружения. Представлены результаты разработки методики испытаний пенопластов для использования в многослойных конструкциях из полимерного композиционного материала (ПКМ). Ключевые слова: пенопласты, трехслойные панели, испытания, полимерные композиционные материалы, корпусные конструкции.

Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-195-201 UDC 678.067-405.8:620.178

P.A. Dodonov

Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

PECULIARITIES OF FOAM TESTS IN DIFFERENT METHODOLOGIES

This paper compares procedures and results of tests as per different methodologies. It highlights the specifics of foam behavior under various types of loading, as well as presents newly developed test procedure for foams to be applied in layered structures made of polymeric composite materials (PCM).

Keywords: foams, three-layered panels, tests, polymeric composite materials, hull structures.

Author declares lack of the possible conflicts of interest.

Жесткие ячеистые пластмассы (далее пенопласты) получили широкое применение в различных областях промышленности. Преимуществом пенопластов является оптимальное сочетание технологических и физико-механических характеристик для использования в качестве заполнителя среднего слоя в трехслойных панелях несущих конструкций.

При отсутствии результатов самостоятельных испытаний, инженерами используются физико-механические характеристики пенопластов, поставляемые производителями. В работе была проведена оценка точности таких данных.

Отечественные и зарубежные стандарты позволяют определить различные характеристики при схожих процедурах испытаний и размерах образ-

цов. Для разработки цельного подхода к определению характеристик было необходимо собрать полный набор стандартов испытаний под всеми видами нагружений, которым пенопласты подвергаются, работая в составе многослойных конструкций. Выбор методик испытаний проводился на основе анализа влияния методик на определяемые характеристики и на поведение материала в ходе испытаний. Данная задача усложнялась тем, что предполагалось использование рассматриваемых методик с пенопластами различной химической основы. Зарубежные исследования показывают, что при использовании единого механизма испытаний, пенопласты различной химической основы демонстрируют качественно отличные эффекты дефор-

Для цитирования: Додонов П.А. Особенности испытаний пенопластов при использовании разных методологических подходов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 195-201. For citations: Dodonov P.A. Peculiarities of foam tests in different methodologies. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 195-201 (in Russian).

мирования на уровне структуры ячеек [1]. В ходе испытаний, было отмечено, что пенопласты демонстрируют трансверсально изотропные физико-механические характеристики, а также характеристики «разножесткости». Эти эффекты подтверждаются в зарубежных исследованиях [2]. Формы образцов, предлагаемые стандартами испытаний, требовали корректировки для проведения полного ряда испытаний и получения анизотропных характеристик в условиях ограничений по размерам листов пенопласта, из которых изготавливались образцы. Для этого в данной работе был проведен анализ влияния формы образцов на результаты испытаний.

Объектом исследования в данной работе являлись следующие типы и коммерческие марки пенопластов:

поливинилхлоридные пенопласты (ПВХ) производства компаний DIAB AB (Швеция), Gurit (Швейцария), Visight (Китай) и ООО «Инком-пен» (Россия);

поли(мет)акрилимидные пенопласты (ПМА) производства организаций ФГУП НИИ полимеров им. Каргина (Россия) и Visight ltd. (Китай);

пенополиуритановые пенопласты (ППУ) производства компании «Изолан» (Россия).

Методики испытаний пенопластов

Был проведен анализ существующих методик испытаний, используемых различными производителями пенопластов для определения физико-механических характеристик. Для испытаний на определение упругих и прочностных свойств при сжатии были рассмотрены стандарты ГОСТ 18336

и ГОСТ 23206 и ДБТМ 1621 [3, 4]. В данных стандартах используются образцы формы призма либо цилиндр. Для определения величины модуля Юнга при сжатии нами были использованы призмы квадратного сечения с соотношением длины к ширине 2 к 1. Такой образец представлен в стандарте ГОСТ 18336 и позволяет минимизировать влияние трения на форму определяемой диаграммы деформирования и, соответственно, модуля Юнга. Для определения величины напряжений сжатия при 5 % и 10 % деформациях использовались образцы формы куб, который удовлетворяет стандартам ГОСТ 23206 и ДБТМ 1621.

При определении максимального напряжения сжатия с использованием образцов формы призма с соотношением длины к ширине 2 к 1 демонстрировали изгиб вдоль длины образца или «потерю устойчивости» (рис. 1а).

По результатам эксперимента определялась диаграмма деформирования, с использованием которой ведется расчет величины модуля Юнга (рис. 16). Максимальное напряжение сжатия определялось по достижении первого максимума нагружения Ртах. Значения напряжений с5 % и с10 % определялись в момент достижения величин продольных деформаций равных 5 % и 10 % соответственно.

Для всех испытанных марок материалов, всех плотностей, для двух форм образцов и вне зависимости от выбора направления приложения нагру-жения, результаты испытаний на сжатие демонстрировали сходство диаграмм деформирования. Рост силового нагружения происходил до момента разрушения, который на диаграммах выглядит, как первый «пик» - максимум нагружения. После момента максимального усилия, с ростом деформа-

Рис. 1. Испытания пенопластов на сжатие: а) потеря устойчивости у образца формы призма 60x30x30 мм; б) диаграмма деформирования при испытаниях на сжатие

3)

Верхнее крепление

Плоскость нагружения

Образец

Пластины нагружения

Нижнее крепление

Рис. 2. Испытания на сдвиг: а) схема крепления образца в испытательной оснастке; б) разрушение ПВХ пенопластов; в) разрушение ПМА пенопластов

ции, не происходит значительного изменения нагружения вплоть до величины деформации равной 10 %. Дальнейшее увеличение нагружения не рассматривалось.

Для определения сдвиговых характеристик были использованы стандарты испытаний ASTM C 273 и комбинация ASTM C 393 и ASTM D 7250 [5-7]. Для определения разрушающих сдвиговых напряжений применялись специальная оснастка и образцы в виде призмы 180x50x15 мм (рис. 2). Испытываемый образец приклеивался к двум металлическим пластинам. Для пенопластов плотности выше 100 кг/м3 прочностные характеристики адгезионных составов оказывали значительное влияние на результаты испытаний. Зачастую, прочность пенопластов оказывалась выше прочности клеевого слоя. Наибольшую прочность показал адгезионный состав марки Plexus.

Анализ процесса и результатов испытаний на сдвиг показал, что модуль сдвига, определяемый по методике ASTM C 297, обладает высокой погрешностью. Особенностью методики испытаний ASTM C 297, является необходимость определения величины сдвиговых деформаций в образце по перемещениям металлических элементов оснастки.

Для определения упругих характеристик при сдвиге использовались замеры изгибной жесткости при испытаниях на изгиб трехслойных панелей со средним слоем из пенопласта испытываемой марки. Так, использовались изгибные жесткости панелей при трехточечном и четырехточечном изгибе об-

разцов с «пролетом» 400 мм и 800 мм соответственно. Напряжение сдвига в среднем слое при разрушающим нагружении при изгибе использовались для косвенного подтверждения прочностных свойств.

Для определения модуля сдвига использовалось соотношение, взятое из зарубежных стандартов ASTM C393 и ASTM D7250 [8, 9]:

G =

P V 8L2 1 11L2 _

V (d + c )2 16 p i3 д2 1 1 2 i

11P2 l32 Д1 _

где G модуль сдвига среднего слоя; P1 и P2 - величина внешнего нагружения на упругом участке диаграммы деформирования для трехточечного (здесь и далее индекс «1») и четырехточечного изгиба (здесь и далее индекс «2»); Л1 и Л2 - величина прогиба в центральных сечениях образцов; L1 и L2 -расстояния между опорами (400 мм и 800 мм); d -полная толщина трехслойной панели; с - толщина среднего слоя; b - ширина образца.

На основе существующих стандартов испытаний ГОСТ 17370 и ASTM D 1623 для испытаний на растяжение были разработаны специальные формы образцов (рис. 3) и конструкция оснастки [8, 9]. Существующие стандарты не позволяли определить модуль Юнга при растяжении, а также не позволяли изготовить образцы материала при наличии ограничений по размерам листа пенопласта.

Предложенная методика позволяет определить модуль упругости, коэффициент Пуассона и предельную величину растягивающей нагрузки для материала пенопласта при наличии ограничений на величину заготовки, из которой изготавливаются образцы. В ходе работы над формой образцов и конструкцией оснастки были проведены аналитические и экспериментальные исследования, которые показали, что выбор образцов призматической формы может приводить к значительному снижению прочностных характеристик. Так, для ПВХ пенопласта марки УкеП 80 были испытаны образцы формы Лопатка 60x45x15 мм и формы Призма 30x15x60 мм. На рис. 4 приведено сравнение полученных диаграмм деформирования для всех испытанных образцов. Прочность образцов формы «Призма 30x15x60 мм» ограничивалась прочностью адгезионной зоны. Разрушающее усилие для образцов с регулярным сечением значительно ниже чем у образца формы Лопатка.

По результатам анализа существующих стандартов испытаний была разработана методика ИМЯН 35-453-17МИ, которая содержит методические указания для испытаний на растяжение, сдвиг и сжатие [10]. Разработанная методика рекомендует

проведение испытаний для определения анизотропных свойств пенопластов и для определения влияния температуры на характеристики материала. Также она учитывает особенности испытаний на растяжение и сдвиг при выборе испытательных оснасток, форм образцов и способа крепления образцов в оснастках.

Проведение технологических испытаний пенопластов

Для определения технологической возможности использования пенопластов в производстве корпусных конструкций было необходимо провести технологические испытания. Они включали в себя:

технологические испытания на возможность механической обработки;

испытания на термостойкость;

испытания на совместимость со смолой.

С целью определения возможности механической обработки пенопластов, а именно: при обработке на фрезерном станке с ЧПУ и при обработке на форматно-раскроечном станке, пенопласты подвергались соответствующим методам обработки. После механической обработки образцов пенопластов производилось визуальное обследо-

Рис. 4. Диаграммы деформирования при растяжении образцов ПВХ - пенопласта Vicell PVC 80 в направлении, перпендикулярном плоскости листа с двумя разными формами образцов

вание кромки реза на наличие термической деформации материала или иных повреждений. Затем, для испытаний пенопластов на совместимость с используемым винилэфирным связующим марки ЭВСБ-001, производилось изготовление образцов трехслойных панелей методом вакуумной инфузии.

Испытания на термостойкость проводились с целью определения влияния повышенной температуры на пенопласт во время термообработки. Для этого производились измерения толщины образцов пенопластов в контрольных точках, после чего образцы пенопластов помещались в печь, в которой подвергались температурному воздействию, с выдержкой 8 часов при температуре 80 °С. На термостойкость были испытаны образцы пенопласта и образцы трехслойных панелей, изготовленные методом вакуумной инфузии. Результаты показали, что изменение размеров всех образцов не превысило 0,04 мм или 0,07 %, что сопоставимо с величиной погрешности 0,01 мм измерительного штангенциркуля.

Особенности характеристик пенопластов

Как было заявлено выше, в ходе испытаний, было отмечено, что пенопласты демонстрируют транс-версально изотропные физико-механические характеристики, а также характеристики «разножестко-сти». В табл. 1 приведены результаты испытаний,

демонстрирующие различия характеристик в различных направлениях.

Так же было отмечено, что результаты испытаний не соответствуют характеристикам, заявленным производителями материалов. В табл. 2 и 3 представлено сравнение упругих характеристик с характеристиками, заявленными производителями.

Пенопласты различной химической основы демонстрируют качественно различные эффекты деформирования. При испытаниях на сдвиг ПВХ пено-пласты демонстрируют «пластическое деформирование» (деформации у12*>30 %) с разрушением по длине адгезионного слоя (рис. 26). ПМА пенопласты демонстрируют разрушение с растрескиванием по толщине образца (рис. 2е). Высокая деформативность ПВХ пенопластов так же наблюдалась при испытаниях на растяжение. Образцы разрушались при 10 %-15 % относительной деформации (рис. 5).

В области температур от минус 35 °С до +60 °С для всех ПВХ-материалов, изменения величины разрушающих деформаций не наблюдалось. Однако, все пенопласты снижали свои упругие и прочностные характеристики с ростом температуры. Так, предел прочности у всех материалов, в среднем, снижался на 10-15 % при повышении температуры до +60 °С. На рис. 5 видно, что для ПВХ пенопласта марки УкеП РУС 100 диаграмма деформирования при температуре 60 °С значительно отличается от двух других увеличенной длиной области перехода в «пластичность» и падением модуля Юнга.

Таблица 1. Трансверсально изотропные физико-механические характеристики пенопластов

Характеристика Vicell ПВХ 100 Divinycell H ПВХ 200 Gurit Corecell ПМА 70

Плотность, кг/м3 106 180 73

Модуль Юнга при сжатии в плоскости листа E1(-), МПа 48 85 55

поперек плоскости листа E3(-), МПа 69 178 42

Максимальные напряжения при сжатии в плоскости листа П11(-), МПа 1,3 3,0 1,1

поперек плоскости листа Пзз(_), МПа 1,8 5,2 0,8

Таблица 2. Сравнение характеристик ПВХ пенопласта марки Divinycell H 130, полученных в эксперименте с предоставляемой изготовителем информацией

Характеристика Испытания Заявлено производителем

Плотность 122 кг/м3 Минимальное Среднее

Модуль Юнга в при сжатии в плоскости листа E1(-) , МПа 38 Нет данных

поперек плоскости листа E3(-), МПа 99 145 170

Таблица 3. Сравнение характеристик ПВХ пенопласта марки виг^ - РУС 200, полученных в эксперименте с предоставляемой изготовителем информацией

Испытания Заявлено производителем

Характеристика Плотность 199 кг/м3 мин. средн.

Модуль Юнга при растяжении E , МПа 1 (+) 212 195 358

в плоскости листа при сжатии E , МПа i(-) 134 213 300

15 20 25 30

Продольная деформация, %

Рис. 5. Диаграммы

деформирования

при растяжении образцов

ПВХ пенопласта Vicell PVC

100 при разных

температурах

Таблица 4. Результаты изгиба трехслойных панелей с ПВХ-пенопластами в качестве заполнителя среднего слоя

Материал среднего слоя Максимальных сдвиговые напряжения, МПа Снижение максимальных

Исходное состояние образцов Состояние образцов после 104 циклов сдвиговых напряжений после 104 циклов нагружения, %

Vicell PVC 100 1,45 1,42 2

Gurit PVC 130 2,60 2,54 2

Gurit PVC 200 3,35 3,18 5

Divinycell H PVC 130 2,04 2,06 0

Divinycell H |PVC 200 3,07 3,07 0

ПВХ - Divinycell

0,0 L

20 60 100 140 180

Плотность, кг/м3

Рис. 6. Сравнение максимальных сжимающих напряжений пенопластов различных марок

Для оценки развития повреждений в пенопласте были проведены испытания на повторно-статический изгиб трехслойных панелей с пенопласта-ми различных марок в роли заполнителя среднего слоя. Испытания образцов проводились при следующем режиме нагружения. Знакопостоянный цикл нагружения с коэффициентом асимметрии г — 0,1; максимальная нагрузка в цикле Рц = 0,5 Ртах, где Ртах - средняя величина разрушающей нагрузки. После 104 циклов нагружения образцы подвергались статическому нагружению до полного разрушения. Результаты испытаний представлена в табл. 4.

Полученные результаты показали, что изменение прочностных характеристик под воздействием рассмотренного типа циклического нагружения незначительно.

На рис. 6 представлено сравнение результатов испытаний на сжатие. Прочностные характеристи-

ки отображены для всех испытываемых материалов в зависимости от плотности материала.

Различия внутри группы пенопластов единой химической основы различных марок меньше относительно разницы между результатами пенопластов различной химической основы. ППУ пенопласт демонстрировал относительно низкие результаты.

Выводы

Грамотное определение характеристик важно для расчетов и обеспечения прочности и надежности многослойных конструкций и узлов ПКМ, применяющих пенопласты.

В ходе исследования пенопласты демонстрировали трансверсально изотропные физико-механические характеристики.

Характеристики, полученные в испытаниях, зачастую не соответствовали величинам от производителей пенопластов

Материалы, используемые в многослойных конструкциях и узлах ПКМ, должны подтверждаться сертификационными испытаниями перед использованием в промышленности.

Библиографический список

1. Failure mechanics of polymeric foam cores for sandwich structures, Mark Battley and others, Proceedings of the

18th European Conference on Composite Materials, Athens, Greece, July 19-24 2018.

2. Properties of the polyurethane (PU) light foams, Wit Witkiewicz, Andrzej Zielinski, ADVANCES IN MATERIALS SCIENCE, Vol. 6, No. 2 (10), 2006.

3. ГОСТ 18336-73. Пластмассы ячеистые жесткие. Метод определения модуля упругости при сжатии.

4. ГОСТ 23206-78. Пластмассы ячеистые жесткие. Метод испытаний на сжатие.

5. ASTM С 273. Standard Test Method for Shear Properties of Sandwich Core Materials.

6. ASTM C393. Standard Test Method for Core Shear Properties of Sandwich Constructions by Beаm Flexure.

7. ASTM D7250. Standard Test Method for Determining Sandwich Beam Flexural and Shear Stiffness.

8. ГОСТ 17370. Пластмассы ячеистые жесткие. Метод испытания на растяжение.

9. ASTM D 1623 - 03. Standard Test Method for Tensile and Tensile Adhesion Properties of Rigid Cellular Plastics.

10. Жесткие ячеистые пластмассы. Статические испытания по определению упругих и прочностных характеристик. ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ИМЯН 35-453-2017 МИ, 2017 г.

Сведения об авторе

Павел Анатольевич Додонов, инженер 1 категории ФГУП

«Крыловский государственный научный центр». Адрес:

196158, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 (812) 415-47-06.

Поступила / Received: 04.03.19 Принята в печать / Accepted: 12.04.19 © Додонов П.А., 2019