MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN X 41, s. 1-2, Gliwice 2011

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN X 41, s. 1-2, Gliwice 2011 WYTWORZENIE I BADANIE ELASTYCZNEJ PIANKI POLIURETANOWEJ O UJEMNYM WSPÓŁCZYNNIKU POISSONA JANUSZ LISIECKI, TERESA BŁAŻEJEWICZ, SYLWESTER KŁYSZ, GABRIEL GMURCZYK Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych sylwester.klysz@itwl.pl, janusz.lisiecki@itwl.pl, teresa.blazejewicz@itwl.pl, gabriel.gmurczyk@itwl.pl Streszczenie. Modyfikując strukturę komórkową pianki poliuretanowej można osiągnąć budowę auksetyczną. Odmienne właściwości użytkowe takich materiałów wynikają z ich podstawowej właściwości fizycznej, jaką jest ujemny współczynnik Poissona. Ze względu na planowane zastosowanie pianek auksetycznych na elementy siedzeń śmigłowców wojskowych, do oceny materiału na siedziska i oparcia niezbędna jest znajomość ich charakterystyk materiałowych. W Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych przeprowadzono próbę otrzymywania pianek auksetycznych z pianek o komórkach otwartych, a także przeprowadzono wstępne testy. 1. WSTĘP Pianki poliuretanowe to materiały od dawna spotykane w każdej dziedzinie życia. Są to elastyczne i trwałe materiały o doskonałych właściwościach izolujących. Spienione tworzywa sztuczne posiadają wszechstronne zastosowania. Mogą być wodoszczelne, lekkie, neutralne chemicznie, tłumiące itd. Przez modyfikację ich struktury komórkowej możemy uzyskać budowę auksetyczną. Materiały takie charakteryzują się lepszymi właściwościami użytkowymi od tradycyjnych materiałów piankowych stosowanych szczególnie w motoryzacji i w transporcie mogą potencjalnie zwiększyć bezpieczeństwo w przypadku katastrofy oraz poprawić komfort w czasie normalnej eksploatacji. Tradycyjne piankowe tworzywa polimerowe charakteryzują się współczynnikiem Poissona w zakresie od 0,1 do 0,4. W piankach auksetycznych współczynnik Poissona jest ujemny o wartościach w zakresie od -0,1 do -0,7 [1]. Podczas rozciągania materiał auksetyczny zwiększa swój przekrój w kierunku poprzecznym do kierunku rozciągania i odwrotnie zmniejsza przy ściskaniu. Ze względu na planowane zastosowanie pianek auksetycznych na elementy siedzeń załogi i pasażerów śmigłowców wojskowych, do oceny materiału na siedziska i oparcia niezbędna jest znajomość charakterystyk materiałowych przy ściskaniu i dynamicznych własności tłumiących. W związku z tym w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych przeprowadzono próbę otrzymywania pianek auksetycznych z pianek o komórkach otwartych. Charakterystyki naprężenie-odkształcenie przy ściskaniu uzyskano na stanowisku wytrzymałościowo-zmęczeniowym MTS W kontekście zabezpieczania osób przed

2 2 J. LISIECKI, T. BŁAŻEJEWICZ, S. KŁYSZ, G. GMURCZYK skutkami wypadku lotniczego uzupełniono badania o testy dynamicznych właściwości tłumiących. W tym celu wykorzystano stanowisko zrzutowe do badań udarowych firmy INSTRON w Instytucie Transportu Samochodowego [2]. 2. WŁAŚCIWOŚCI FIZYKO-CHEMICZNE AUKSETYCZNYCH PIANEK POLIURETANOWYCH I METODY ICH WYTWARZANIA Podczas rozciągania materiał auksetyczny zwiększa swój przekrój w kierunku poprzecznym do kierunku rozciągania (rys. 1). Rys.1. Schemat nieodkształconego (linia przerywana) i odkształconego (linia ciągła) materiału: a) konwencjonalnego, b) auksetycznego [1] Wyżej przedstawione zachowanie materiału wynika z jego struktury komórkowej, której model pokazano na rys. 2 [3]. W strukturze tradycyjnej pianki o otwartych porach, każda komórka jest określona przez mnogość żeber, o strukturze wypukłych wielościanów z komórkami wewnętrznie połączonymi, tworząc trójwymiarową sieć żeber i splotów (rys. 2a). W piance auksetycznej żebra mają charakterystyczne zagięcia - kolana (rys. 2b). Rys.2. Model struktury materiału: a) konwencjonalnego, b) auksetycznego [3] Porównanie zachowania materiału auksetycznego i tradycyjnego podczas obciążania udarowego, istotnego z punktu widzenia przyszłej aplikacji, pokazano na rys. 3. Rys. 3. Zachowanie materiału konwencjonalnego i auksetycznego przy obciążeniu udarowym [4]

3 WYTWORZENIE I BADANIE ELASTYCZNEJ PIANKI POLIURETANOWEJ O UJEMNYM... 3 Materiały auksetyczne nie uginają się tak łatwo jak materiały konwencjonalne i wykazują większą odporność na penetrację. Kiedy materiał konwencjonalny jest poddany obciążeniu udarowemu, kompensuje siłę działającą na niego poprzez odkształcanie się materiału w kierunku od miejsca przyłożenia siły. Materiały auksetyczne wykazują przeciwne właściwości - odkształcając się w kierunku do miejsca przyłożenia obciążenia, w wyniku czego struktura komórkowa lokalnie gęstnieje zwiększając odporność na penetrację. Badania wykazały, że pianki o komórkach wklęsłych mają większą granicę plastyczności i mniejszy moduł Younga niż pianki konwencjonalne o porównywalnej gęstości. Pianki o komórkach wklęsłych zwiększają swoją gęstość pozorną w okolicy miejsca przyłożenia obciążenia wraz ze wzrostem modułu Kirchhoffa. Auksetyczne pianki poliuretanowe opisywane w literaturze są wytwarzane w ośrodkach badawczych w Europie zachodniej i w Stanach Zjednoczonych, nie ma jednak informacji o ich produkcji przemysłowej. Struktura auksetyczna pianki powstaje w procesie termicznej kompresji pianki konwencjonalnej o komórkach otwartych lub częściowo otwartych. Pod wpływem kompresji, w temperaturze zbliżonej do temperatury mięknienia polimeru termoplastycznego, następuje zagęszczenie materiału piankowego przez załamanie się ścianek (żeber) poszczególnych komórek. Następnie w wyniku ochłodzenia powstała struktura utrwala się. Stosowane po ochłodzeniu wygrzewanie pianki w temperaturze poniżej temperatury mięknienia ma na celu ustabilizowanie struktury. W literaturze przedstawiane są następujące podstawowe procesy otrzymywania pianek auksetycznych: trójosiowa termokompresja [5], dwuosiowa termokompresja [6], wieloetapowa termokompresja trójosiowa [7]. Ostatnio przedstawiono proces chemiczno-mechaniczny polegający na zanurzeniu pianki w rozpuszczalniku, usunięciu nadmiaru rozpuszczalnika, umieszczeniu w formie umożliwiającej 30% kompresję, dokładne wysuszenie i usunięcie z formy [8]. Wytwarzanie materiału auksetycznego w wyniku trójosiowej kompresji i ogrzewania jest procesem okresowym, co ogranicza rozwój handlowy pianek. Procesy periodyczne są niewydajne, gdyż obejmują czas postoju stanowiska technologicznego. Poza tym w procesie technologicznym okresowym trudniej jest zachować powtarzalność produkcji i uzyskać w każdym cyklu produkcyjnym materiał odpowiedniej jakości, to jest, bez fałd powierzchniowych i zachowujący kształt i wielkość komórek oraz właściwości auksetyczne przez długi czas. Inne trudności technologiczne ograniczające rozwój handlowy i produkcję wyrobów auksetycznych o dużych wymiarach wynikają z niskiego przewodnictwa cieplnego i stosunkowo łatwej deformacji (fałdowanie powierzchni) podczas kompresji pianek poliuretanowych. Deformacja jest spowodowana nierównomiernym zapadaniem się żeber komórek, co występuje nawet w przypadku małych wymiarów próbek. W metodzie trójosiowej termokompresji próbki auksetyczne mają najczęściej wymiary liniowe nie przekraczające kilkudziesięciu milimetrów. W związku z licznymi problemami i ograniczeniami technologicznymi występującymi najczęściej przy trójosiowej kompresji opracowano kolejne dwie metody: wieloetapową termokompresję trójosiową i dwuosiową termokompresję. Wykonanie pianek auksetycznych w procesie wieloetapowej termokompresji trójosiowej pozwala na uzyskanie większych wyrobów nie mających wad wyrobów z termokompresji trójosiowej. W procesie termokompresji dwuosiowej otrzymano elastyczne anizotropowe pianki auksetyczne o zwiększonej sztywności w kierunku prostopadłym do kierunku kompresji. Proces jest dwuetapowy i kończy się dodatkowym wygrzewaniem pianki w temperaturze

4 4 J. LISIECKI, T. BŁAŻEJEWICZ, S. KŁYSZ, G. GMURCZYK poniżej temperatury mięknienia, w celu ustabilizowania struktury. Proces ten może być prowadzony w sposób ciągły, co może spowodować szybszy rozwój komercyjny pianek auksetycznych i ułatwić dostępność tych materiałów. Ostatnio przedstawiony proces chemiczno-mechaniczny przekształcania pianki konwencjonalnej w auksetyczną również stwarza warunki do szybszego rozwoju komercyjnego pianek auksetycznych. W ITWL do wytworzenia pianki auksetycznej zastosowano piankę poliuretanową siatkową o komórkach otwartych charakteryzującą się właściwościami podanymi w tabeli 1. Zastosowano trójosiowy proces mechaniczno-chemiczny przekształcania próbek o kształcie prostopadłościanu, z kompresją objętościową o współczynniku ok. 4, polegający na: - umieszczeniu próbki pianki w formie, i moczeniu przez 1 godz. w acetonie, - przetrzymywaniu pianki zamkniętej w formie 24 godz. w temperaturze pokojowej, w celu odprowadzenia acetonu, - wyjęciu z formy i odprężeniu (lekkie rozciąganie manualne), - ponownym umieszczeniu w formie i wygrzewaniu w temperaturze C w czasie 1 godz. dla utrwalenia uzyskanych kształtów komórek. Tabela 1. Właściwości fizykomechaniczne pianki poliuretanowej zastosowanej do wytworzania auksetyka Pianka TM * Parametr Metoda badań Gęstość [kg/m 3 ] ISO Sztywność CDH-40% [kpa] ISO ,5 4,5 Wydłużenie przy zerwaniu [%] ISO Wytrzymałość na rozciąganie [kpa] ISO Wielkość komórki [μm] SS/T * pianka pozyskana z firmy Eurofoam Polska Sp. z o.o. Rys. 6. Widok pianki auksetycznej TM w stanie wyjściowym i po procesie mechaniczno-chemicznym, o współczynniku kompresji objętościowej równym 4,15 3. BADANIA PIANEK Wytworzoną piankę auksetyczną TM umieszczono pomiędzy dwiema drewnianymi kształtkami, przyklejono szybkowiążącym klejem, naklejono na piankę markery i poddano procesowi ściskania i rozciągania, w którym dokonano pomiaru współczynnika Poissona metodą fotogrametryczną opartą na automatycznym porównywaniu obrazów cyfrowych. Próbkę podczas rozciągania pokazano na rys. 7.

5 WYTWORZENIE I BADANIE ELASTYCZNEJ PIANKI POLIURETANOWEJ O UJEMNYM... 5 Rys. 7. Widok próbki na stanowisku do pomiaru współczynnika Poissona Rys. 8. Próbka pianki N-90HD na stanowisku do badania odporności przy ściskaniu Tabela 2. Wyniki pomiaru współczynnika Poissona Ściskanie Rozciąganie Odkształcenie [%] Współczynnik Poissona -0,53-0,63-0,49-0,40 Rys. 9. Charakterystyki naprężenie-odkształcenie dla próbek pianek 40 σ [kpa] 40 σ[kpa] , 2, , 2, ε [%] ε [%] 70 Rys. 10. Charakterystyki naprężenie-odkształcenie pianki N-90HD (z lewej) i auksetycznej TM (z prawej); 1,2,3 - pierwsze trzy powtórzenia do odkształcenia 30%, 4 - początek czwartego powtórzenia do wyższych wartości odkształceń Zbadano pianki auksetyczne i próbki pianek tradycyjnych w stanie wyjściowym, w tym pianki o symbolu N-90HD o gęstości podobnej do pianek auksetycznych. Badania wykonano

6 6 J. LISIECKI, T. BŁAŻEJEWICZ, S. KŁYSZ, G. GMURCZYK zgodnie z normą PN-EN ISO Widok próbki pianki N-90HD na stanowisku do oznaczania charakterystyki naprężenie-odkształcenie przy ściskaniu pokazano na rys. 8. Na rys. 9 przedstawiono charakterystykę naprężenie-odkształcenie dla próbek pianki S 284 MD, Lamiflex 353 D, TM 25450, N-90HD, S 28190, NVE-65 i pianki TM w postaci auksetycznej. Na rys. 10 przedstawiono charakterystykę naprężenie-odkształcenie dla próbki pianki N90HD i auksetycznej TM w pierwszej fazie testu ściskania, dla pierwszych trzech powtórzeń do odkształcenia 30% i początku czwartego powtórzenia do wyższych wartości odkształceń. Badania dynamicznych właściwości tłumiących pianek poliuretanowych stanowią istotne uzupełnienie badań tych materiałów w kontekście zastosowania do zabezpieczenia osób przed skutkami wypadku (katastrofy). Dlatego przeprowadzono wstępne badania dynamicznych właściwości tłumiących pianek poliuretanowych na stanowisku zrzutowym do badań udarowych. Badania wykonano w Instytucie Transportu Samochodowego w Warszawie [2]. Celem tych badań było rozpoznanie możliwości badawczych na stanowisku ITS i wykonanie wstępnych testów pianek poliuretanowych przed badaniami dynamicznymi właściwości tłumiących pianek auksetycznych. Przykładowe próbki do badań pokazano na rys. 11. a) próbki pianki typu Lamiflex383D b) próbki pianki typu N-90HD Rys. 11. Widok próbek pianek do testów udarnościowych [2] a) b) Rys. 12. Charakterystyki tłumienia próbek z pianki poliuretanowej: a) N-90HD (6) o gęstości 90 kg/m3 b) porównanie charakterystyk tłumienia próbek pianek przy prędkości uderzenia 4 m/s; S28190 (4), NVE65 (5),?????? (6)

7 WYTWORZENIE I BADANIE ELASTYCZNEJ PIANKI POLIURETANOWEJ O UJEMNYM... 7 Badania wszystkich próbek wykonano przy wykorzystaniu normy PN-EN ISO Masa spadającego młota wynosiła dla wszystkich próbek 7 kg. Próbki każdego typu pianki badano przy trzech prędkościach uderzenia 2,5 m/s, 3,25 m/s i 4 m/s. Przykładowe charakterystyki dynamicznego tłumienia próbek badanych pianek pokazano na rys PODSUMOWANIE Wytworzono piankę auksetyczną z pianki poliuretanowej siatkowej o komórkach otwartych - TM w trójosiowym procesie mechaniczno-chemicznym. Pianka charakteryzowała się ujemnym współczynnikiem Poissona zarówno w teście ściskania jak i rozciągania. Badania odporności na ściskanie wykazały, że pianka auksetyczna TM w zakresie odkształceń powyżej 17% wykazuje wyższe wartości naprężeń od pianki poliuretanowej o podobnej gęstości (N-90HD). Charakterystyka naprężenie-odkształcenie tej pianki w zakresie odkształceń do 30% nie przechodzi w plateau, typowe dla pianek poliuretanowych, co może być związane z dużym współczynnikiem kompresji objętościowej wynoszącym 4,15. W badaniach dynamicznych właściwości tłumiących wszystkie rodzaje pianek poliuretanowych zaabsorbowały całkowitą energię uderzenia i następnie powracały do wymiarów początkowych. Najmniejsze wartości siły maksymalnej wykazywały pianki o symbolach NVE-65 oraz N-90HD, które charakteryzowały się również stosunkowo najniższą wartością przyspieszenia opóźniającego. Największe wartości siły maksymalnej wykazywały pianki o symbolach Lamiflex 383 D, które charakteryzowały się najwyższą wartością przyspieszenia opóźniającego. Badania realizowane w ramach Projektu "Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym", Nr POIG /08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. LITERATURA 1. Anderson A.: home.um.edu.mt/ncs/ncs3/alderson.pdf 2. Rudnik D. i zespół: Wykonanie badań dynamicznych właściwości tłumiących pianek poliuretanowych na stanowisku zrzutowym do badań udarowych. Sprawozdanie z badań ITS Nr 0957/CBM/10, Warszawa, Lakes R.S., Witt R.: IJMEE v.30, no.1 (2000) Grima J.N., Attard A., Gatt R., Cassar N.R.: Advanced Engineering Materials, v.21, Lakes R.S.: Science, v. 235, no 27 (1987), pp Alderson A., Alderson K., Davies P., Smart G.: EP A1 (2009) 7. Chan N., Evans K. E.: J. Mater. Sci, v. 32 (1997), pp Grima J. N., Attard D., Gatt R.: A novel chemo-mechanical process for making auxetic foams and for their reconversion to conventional forms

8 8 J. LISIECKI, T. BŁAŻEJEWICZ, S. KŁYSZ, G. GMURCZYK PRODUCTION AND EXAMINATION OF A NEGATIVE POISSON S RATIO FLEXIBLE POLYURETHANE FOAM Summary. By modifying the cellular structure of foam, auxetic structure can be achieved. The difference in properties are due to their basic physical property, which is a negative Poisson's ratio. Due to the planned use of auxetic foam on the seat elements of military helicopters, it is necessary to know the characteristics of those materials. Therefore, the Air Force Institute of Technology performed preparation of open cells, auxetic foams, and necessary, preliminary tests. The article describes the program, its aims and stages of implementation.