Pianki auksetyczne wytworzone w ITWL Janusz Lisiecki, Teresa Błażejewicz, Sylwester Kłysz, Gabriel Gmurczyk Wytworzenie i badanie poliuretanowych pianek auksetycznych o ujemnym współczynniku poissona Odmienne właściwości użytkowe zmodyfikowanej do postaci auksetycznej struktury komórkowej pianki poliuretanowej wynikają z ich podstawowej właściwości fizycznej, jaką jest ujemny współczynnik Poissona. Ze względu na planowane zastosowanie pianek auksetycznych do oceny materiału niezbędna jest znajomość ich charakterystyk materiałowych. W Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych wytworzono pianki auksetyczne z pianek o komórkach otwartych, a także przeprowadzono niezbędne testy. W artykule opisano program badań, jego założenia i etapy realizacji. Pianki poliuretanowe to elastyczne i trwałe materiały o doskonałych właściwościach izolujących, 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. Szerokie zastosowanie pianek auksetycznych wymaga znajomości ich 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 810.23. Testy dynamiczne właściwości tłumiących wykonano na stanowisku zrzutowym do badań udarowych firmy INSTRON [2]. W szczególności przeprowadzono: l rozpoznanie dorobku ośrodków zagranicznych zajmujących się tematyką poliuretanowych pianek auksetycznych i stosowanych w tych ośrodkach materiałów wyjściowych i technologii oraz analizę właściwości tych materiałów, l wybór procesu przetwarzania pianek poliuretanowych w pianki auksetyczne na bazie dostępnych materiałów wyjściowych, l próby wykonania pianki auksetyczenej z krajowej pianki poliuretanowej, l badania wytrzymałości statycznej na ściskanie próbek pianki auksetycznej i próbek z tradycyjnej pianki poliuretanowej, l badania dynamicznych właściwości tłumiących pianek poliuretanowych. Wł a ś c i w o ś c i a u k s e t y c z n y c h p i a n e k p o l i u r e t a n o w y c h i m e t o d y i c h w y t w a r z a n i a Materiał auksetyczny podczas rozciągania zwiększa swój przekrój w kierunku poprzecznym do kierunku rozciągania (rys. 1). Wynika to 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. 1c), a przestrzenie pomiędzy żebrami są otwarte i stąd pojedyncze komórki są otwarte. W piance auksetycznej żebra mają charakterystyczne zagięcia kolana (rys. 1d). Porównanie zachowania materiału auksetycznego i tradycyjnego podczas obciążania udarowego, istotnego z punktu widzenia przyszłej aplikacji, pokazano na rys. 2. 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 działa- Rys.1. Schemat nieodkształconego (linia przerywana) i odkształconego (linia ciągła) materiału: a) konwencjonalnego; b) auksetycznego [1] oraz model struktury materiału; c) konwencjonalnego; d) auksetycznego [3] 34
Rys. 2. Zachowanie materiału konwencjonalnego i auksetycznego przy obciążeniu udarowym [4] jącą 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. 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. 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. Auksetyczne pianki poliuretanowe są wytwarzane w ośrodkach badawczych w Europie zachodniej i w Stanach Zjednoczonych, nie ma jednak informacji o ich produkcji przemysłowej. W literaturze przedstawiane są następujące podstawowe procesy otrzymywania pianek auksetycznych: l trójosiowa termokompresja [5]; l dwuosiowa termokompresja [6]; l wieloetapowa termokompresja trójosiowa [7]. Inny proces chemiczno-mechaniczny przekształcania pianki konwencjonalnej w auksetyczną, polega na zanurzeniu pianki w rozpuszczalniku, usunięciu nadmiaru rozpuszczalnika, umieszczeniu w formie umożliwiającej 30% kompresję, dokładne wysuszenie i usunięcie z formy [8]. Przeprowadzono również próbę otrzymywania pianek auksetycznych z pianek o komórkach zamkniętych, metodą ciśnieniową i próżniową, uzyskując pianki auksetyczne, ale metody te są kosztowne i nie znajdą zastosowania komercyjnego. W procesie technologicznym 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 nieprzekraczające kilkudziesięciu milimetrów. W związku z licznymi problemami i ograniczeniami technologicznymi występującymi najczęściej przy trójosiowej kompresji opracowano kolejne dwie metody: wieloetapową termokompresję i dwuosiową termokompresję. Wykonanie pianek auksetycznych w procesie wieloetapowej termokompresji trójosiowej pozwala na uzyskanie większych wyrobów niemających 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 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. W ITWL do wytworzenia pianek auksetycznych zastosowano pianki poliuretanowe siatkowe o komórkach całkowicie otwartych charakteryzujące się właściwościami podanymi w tabeli 1. Zastosowano trójosiowy proces mechaniczno-chemiczny próbek w kształcie prostopadłościanu (kształt uwarunkowany przyszłym zastosowaniem), z kompresją objętościową o współczynniku ok. 4, polegający na: l umieszczeniu próbki pianki w formie, i moczeniu przez 1 godz. w acetonie; l przetrzymywaniu pianki zamkniętej w formie 24 godz. w temperaturze pokojowej, w celu odprowadzenia acetonu; Tabela 1. Właściwości fizykomechaniczne pianek poliuretanowych stosowanych do wytwarzania auksetyków Typ pianki Parametr TM 25450 (1) S28280 (1) S28190 (1) TM 25133 (1) Gęstość [kg/m 3 ] 20 25 23 27 23 27 20 24 Sztywność CDH-40% [kpa] 2,5 4,5 2,0 4,0 2,0 4,0 2,5 4,5 Wydłużenie przy zerwaniu [%] 70 250 300 100 Wytrzymałość na rozciąganie [kpa] 60 100 150 80 Wielkość komórki [μm] 3400 5600 2300 3300 1650 2150 1060 1600 (1) pianki pozyskane z firmy Eurofoam Polska Sp. z o.o. (2) pianki pozyskane z firmy Natural Chemical Products Sp. z o.o. Tworzywa Sztuczne w Przemyśle. Nr 5/2012 35
Tabela 2. Właściwości fizykomechaniczne pianek poliuretanowych technicznych Parametr Typ pianki S284MD (1) Lamiflex 353 (1) N-90HD (2) NVE-65 (2) Gęstość [kg/m 3 ] 24 27 31,5 34 92 97 52 65 Sztywność CDH-40% [kpa] 3,3 4,6 3,8 5 - Wydłużenie przy zerwaniu [%] 200 180 100 80 Wytrzymałość na rozciąganie [kpa] 140 130 100 35 Twardość [N] - - 650-700 70 75 (1) pianki pozyskane z firmy Eurofoam Polska Sp. z o.o. (2) pianki pozyskane z firmy Natural Chemical Products Sp. z o.o. Rys. 3. Widok pianki auksetycznej TM 25450 w stanie wyjściowym i po procesie mechaniczno-chemicznym, o współczynniku kompresji objętościowej równym 4,15 Rys. 4. Widok próbek S 28280, S 28190, TM25133 w stanie wyjściowym i po 3-stopniowej kompresji S 28280 S 28190 l wyjęciu z formy i odprężeniu (lekkie rozciąganie manualne); l ponownym umieszczeniu w formie i wygrzewaniu w temperaturze 120 o C w czasie 1 godz. dla utrwalenia uzyskanych kształtów komórek. Badania pianek 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 zgodnie z normą PN-EN ISO 3386-1. Widok próbki pianki na stanowisku do oznaczania charakterystyki naprężenie- -odkształcenie przy ściskaniu pokazano na rys. 5. Na rys. 6 przedstawiono charakterystykę naprężenie-odkształcenie dla próbek pianki S 284 MD, Lamiflex 353, TM25450, N90HD, S 28190, NVE-65 i pianki TM 25450 w postaci auksetycznej. Na rys. 7 przedstawiono charakterystykę naprężenie-odkształcenie dla próbki pianki N90HD i auksetycznej TM 25450 w pierwszej fazie testu ściskania, dla pierwszych trzech powtórzeń do odkształcenia 30% Rys. 5. Próbka pianki N90HD na stanowisku do badania odporności przy ściskaniu 36
Rys. 6. Charakterystyki naprężenie-odkształcenie dla próbek pianek: 284MD, Lamiflex 353 TM25450, N-90HD, S28190, NVE-65 i próbka auksetyczna z pianki TM25450 Rys. 7. Charakterystyki naprężenie-odkształcenie pianki N90HD (z lewej) i auksetycznej TM 25450 (z prawej); 1,2,3 - pierwsze trzy powtórzenia do odkształcenia 30%, 4 - początek czwartego powtórzenia do wyższych wartości odkształceń Rys. 8. Wykres naprężenieodkształcenie dla pianek S28280, S28190, TM5133 po różnych stopniach kompresji 2, 3 i 4 Rys. 9. Widok próbek pianek do testów udarnościowych [2] a) próbki pianki typu Lamiflex 353 b) próbki pianki typu N-90HD Tworzywa Sztuczne w Przemyśle. Nr 5/2012 37
a) b) Rys. 10. Charakterystyki tłumienia próbek z pianki poliuretanowej: a) N90HD (6) o gęstości 90 kg/m3 b) porównanie charakterystyk tłumienia próbek pianek przy prędkości uderzenia 4 m/s; S28190 (4), NVE65 (5) i początku czwartego powtórzenia do wyższych wartości odkształceń. Na rysunku 8 przedstawiono charakterystykę naprężenie-odkształcenie dla pianek S28280, S28190, TM5133 przetworzonych w procesie mechaniczno-chemiczno-termicznym przy zastosowaniu różnych stopni kompresji, a mianowicie 2, 3 i 4. Przeprowadzono badania dynamicznych właściwości tłumiących pianek poliuretanowych i auksetycznych 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 przed badaniami dynamicznymi właściwości tłumiących pianek auksetycznych. Przykładowe próbki pokazano na rys. 9 Badania wszystkich próbek wykonano przy wykorzystaniu normy PN-EN ISO 4651. 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.10. Po d s u m o w a n i e Wytworzono pianki auksetyczne z pianek poliuretanowych siatkowych o komórkach całkowicie otwartych (TM 25450, TM 25133, S28280, S28190) w trójosiowym procesie mechaniczno-chemicznym. Badania odporności na ściskanie wykazały, że pianki auksetyczne TM 25450, TM 25133, S28280, S28190 w zakresie odkształceń powyżej 17% wykazują wyższe wartości naprężeń od pianek poliuretanowych o podobnych gęstościach (N90HD). Charakterystyka naprężenie-odkształcenie tych pianek w zakresie odkształceń do 30% nie przechodzi w plateau typowe dla pianek poliuretanowych, co może być związane (z mniejszą elastycznością tych pianek, zmianą kształtu komórek) z dużym współczynnikiem kompresji objętościowej tej próbki, 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 353 D, które charakteryzowały się najwyższą wartością przyspieszenia opóźniającego. Li t e r a t u r a [1] A. Anderson: home.um.edu.mt/ncs/ncs3/alderson.pdf [2] D. Rudnik i zespół: Wykonanie bada dynamicznych właściwości tłumiących pianek poliuretanowych na stanowisku zrzutowym do bada_udarowych Sprawozdanie z badań ITS Nr 0957/CBM/10, Warszawa, 2010 [3] R.S. Lakes, R. Witt: IJMEE v.30, no.1 (2000) 50-58 [4] J.N. Grima, A. Attard, R. Gatt, N.R. Cassar: Advanced Engineering Materials, v.21, 2009 [5] R.S. Lakes: Science, v. 235, no 27 (1987), pp. 1038-1040 [6] A. Alderson, K. Alderson, P. Davies, G. Smart: EP 2042252A1 (2009) [7] N. Chan, K.E. Evans: J. Mater. Sci, v. 32 (1997), pp. 5945-953 [8] J.N. Grima, D. Attard, R. Gatt: A novel chemo-mechanical process for making auxetic foams and for their reconversion to conventional forms http://www.auxetic.info Badania realizowane w ramach Projektu Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym, Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Janusz Lisiecki Teresa Błażejewicz Sylwester Kłysz Gabriel Gmurczyk Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych email: janusz.lisiecki@itwl.pl, teresa.blazejewicz@itwl.pl, sylwester.klysz@itwl.pl, gabriel.gmurczyk@itwl.pl 38