（一般力学与力学基础专业论文）泡沫聚合物蠕变行为研究.pdf

湘潭大学硕士学位论文 摘 要 全文共分五章。第一章全面系统地综述了泡沫材料的研究历史与现状。第二 章对闭孔泡沫材料的力学性能进行了理论分析，主要集中在压缩和黏弹性方面。 第三章对典型的闭孔泡沫材料聚苯乙烯泡沫 （eps） 的压缩和压缩蠕变性能进 行了实验研究。第四章则通过有限元模拟，讨论了密度和应力对 eps 的压缩蠕变 的影响。 本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，对闭孔泡沫材料的 压缩和压缩蠕变的力学性能进行了较深入的研究。主要研究成果和结论如下： 1、分析了闭孔泡沫材料的压缩变形机制，指出压缩过程的每一个阶段均可建 立模型。具体分析了在线弹性状态下弹性模量与相对密度之间的关系。 2、研究了闭孔泡沫的黏弹性性能，得出了开、闭孔泡沫材料的黏弹性变形微 分方程。 3、选用典型的闭孔泡沫材料发泡型聚苯乙烯泡沫（eps）进行压缩实验。 实验表明 eps 的压缩应力-应变曲线可分为三阶段，即弹性段、塑性屈服平台段及 致密段。eps 受压下其应力- 应变曲线上不存在弹性与塑性间的明确分界点。根 据实验数据求得 eps 的弹性模量，并验证了 eps 的弹性模量与其相对密度的关系 符合二次函数规律。 4、 使用 eps 进行压缩蠕变实验。 实验表明任何一条压缩蠕变曲线都可分为三 个阶段，即瞬时弹性段，过渡蠕变阶段，稳态蠕变阶段。研究实验曲线，可以得 到应力和密度对压缩蠕变的影响： 同一密度的 eps 的蠕变随着应力的增加而增加， 高应力下的蠕变比低应力水平下的蠕变要大;不同密度的 eps 在相同应力作用下， 其蠕变随着密度的增加而减小，高密度的蠕变比低密度的蠕变小。即蠕变是随密 度的增大而减小，随应力的增大而增大。然后使用求解线黏弹性问题的方法建立 了包含应力与密度影响的 eps 压缩蠕变模型。 5、利用有限元分析软件 ansys 计算了 eps 块体在恒定压力下的蠕变过程。 从计算结果可以看出，有限元计算的结果和实验结果较为吻合，可以较好的反映 eps 块体的压缩蠕变性能。 关键词：发泡型聚苯乙烯泡沫；压缩；压缩蠕变；蠕变函数 i 湘潭大学硕士学位论文 abstract this dissertation consists of five chapters. the first chapter presents a comprehensive study of the historical and current studies in foams. chapter 2 theoretically analyzes the mechanical property of closed-celled foam, focuses on the compression and viscoelasticity. it carried out on the experiment research to the compression and compression creep performance of the typical closed-celled foameps in chapter 3. chapter 4 through the finite element simulate, discusses the density and stress on the impact of eps compression creep. by combining experimental study, theoretical analysis and numerical simulation, the mechanical properties of compression and compressive creep of closed-celled foam are analyzed thoroughly. main research results and conclusions are as follows: 1. the deformation mechanism of compression of the closed-celled foam are analyzed, it is pointed out that every stage of the compressive process can be modeled. the dissertation specifically analyzes the relationship between elastic modulus and relative density under linear elastic stage. 2. the dissertation research the viscoelastic performance of the closed-celled foam, make the viscoelastic deformation differential equation. 3. then it uses the typical closed-celled foameps to carry out compression experiment. the experiment shows there are three stages of epss compression stress-strain curve: elastic stage, plastic yielded platforms stage and tight stage. there is not clear threshold between the elastic and plastic zooms on the stress-strain curve under the compression of eps. according to the experimental data, the elastic modulus is calculated. it shows that the relationship between elastic modulus and relative density fit the quadratic function. 4. the compressive creep experiments are carried out of eps. the experiments show that every compressive creep curve can be divided into three stages, namely instantaneous elasticity stage, transient creep stage, steady state creep stage. and we can get an impact of stress and density on compression creep: the creep of same density eps is with the stress increases, the creep of the higher stress is more than the lower stress; under the same stress different densities of eps, the creep of eps is with the density decreases, the creep of the higher density is more than the lower density. simply, the creep is with the stress increases and with the density decreases. using the method of solving viscoelastic problem, the compression creep model of eps which includes ii 湘潭大学硕士学位论文 the effect of the density and stress is established. 5. using ansys, the creep process of eps under constant pressure is calculated. from the calculation result, the result of finite element tally is close to the result of experiment, it can reflect that the compressive creep performance of eps better. key words: expanded polystyrene( eps）; compression ; compression creep ; creep function iii 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 引言引言 聚合物工业是一门新兴的正在迅速发展的工业，它从概念建立到工 业化和实用化，短短半个多世纪内就得到了迅速发展。高聚物及其复合 材料具有比强度和比刚度高、性能可设计和易加工成型等多种优越性， 正被越来越广泛地应用于机械、化工、建筑、交通乃至航空航天等工业、 农业和国防建设的各个领域。聚合物被广泛用来代替铜、钢等有色金属 及其它传统材料，它已成为目前公认的三大材料（金属、陶瓷、聚合物） 之一。国民经济和高新技术产业的蓬勃发展，对聚合物材料的性能提出 了越来越高的要求，聚合物基复合材料应运而生并迅速发展。满足一定 的力学性能是聚合物作为结构材料的前提，因此高聚物及其复合材料的 变形和破坏规律以及结构与性能的关系等课题一直是材料和力学工作者 共同关注和研究的问题，也是我国国家自然科学基金委员会重点支持和 鼓励的研究领域。泡沫聚合物就是其中的一个研究热点。 泡沫塑料作为一种聚合物，又称多孔塑料，是一种以塑料为基本组 成成分，内部含有大量气泡空隙的多孔塑料制品。由于泡沫塑料由大量 充满气体的气孔组成，因此亦可视为以气体为填料的复合塑料。一般热 固性塑料、通用塑料、工程塑料和耐高温塑料等均可制成泡沫塑料，该 类多孔体是目前塑料制品中用量最多的品种之一，在塑料工业中占有重 要地位 1,2 。 全面、系统地研究泡沫材料的性能是在泡沫塑料出现以后。有关聚 合 物 泡 沫塑料力学性能的实验 及理论研究情况已由meinecke和clarke 3 及hilyard 4 进行了比较系统的总结； gibson和ashby 5 等又进一步介绍了 泡沫材料的结构及力学性能的研究。国内这方面的研究和介绍却比较少 见。 本章介绍了泡沫塑料的分类、物理特点、制备和应用，以及本文的 主要研究对象发泡型聚苯乙烯泡沫塑料的基本情况。 1.2 泡沫塑料概述 1.2 泡沫塑料概述 泡沫塑料可定义为气体分散于固体聚合物中所形成的聚集体，其密 度取决于气体和固体聚合物的体积之比。泡沫塑料是指气体与塑料的体 湘潭大学硕士学位论文 积之比在 9:11.5:1 范围内的材料。 11 1.2.1 泡沫塑料的分类1.2.1 泡沫塑料的分类 2,6 泡沫塑料品种繁多， 分类方法也多种多样， 较常见的有以下 3 种： （1）按泡体的空隙结构，可分为开孔泡沫塑料和闭孔泡沫塑料。开 孔泡沫塑料的泡孔相互连通，其气体相与聚合物相各自呈连续分布。流 体在多孔体中通过的难易程度与开孔率和聚合物本身的特性有关。闭孔 泡沫塑料的泡孔相互分隔，其聚合物相呈连续分布，但气体孤立存在于 各个不连通的孔隙之中。实际的泡沫塑料中同时存在着两种泡孔结构， 即开孔泡沫塑料中含有一些闭孔结构，而闭孔泡沫塑料中也含有一些开 孔结构，含有的开孔结构多达。 90%95% （2）按多孔体的密度，可分为低发泡、中发泡和高发泡等 3 种泡沫 塑料。密度在以上，气体/固体发泡倍率小于1.5的为低发泡泡沫 塑料；密度在之间，气体/固体发泡倍率为1.5的为中发 泡泡沫塑料；密度在以下，气体/固体发泡倍率大于的为高发泡 泡沫塑料。常用的泡沫塑料制品，如床垫、坐垫、包装衬块和包装膜等 多属高发泡型；而发泡板、管、异性材等以塑代木的泡沫塑料多属低发 泡型。 3 0.4g/cm 3 0.10.4g/cm9.0 3 0.1g/cm9 （3）按泡沫体质地的软硬程度，可分为硬质、软质和半硬质泡沫材 料等 3 类。在常温下泡沫塑料中的聚合物处于结晶态，或其玻璃化温度 高于常温，这类泡沫塑料在常温下质地较硬，称为硬质泡沫塑料；而泡 沫塑料中聚合物晶体的熔点低于常温，或无定型聚合物的玻璃化温度低 于常温，这类泡沫塑料在常温下质地较软，称为软质泡沫塑料；介于这 两类之间的则为半硬质泡沫塑料。 从量的角度来定义，在和的相对湿度条件下，弹性模量大 于的聚合物多孔体称为硬质泡沫塑料；在相同的温度和相对湿度 条件下，弹性模量小于的聚合物多孔体称为软质泡沫塑料；而弹 性模量在70之间的则称为半硬质泡沫塑料。 23 c ? 50% 700mpa 70mpa 700mpa 1.2.2 泡沫塑料的特点1.2.2 泡沫塑料的特点 2,62,6 尽管泡沫塑料的品种很多，但都含有大量的气孔，所以具有一些共 同的特点，如密度小、热导率低、隔热性好、可吸收冲击载荷、缓冲性 能佳、隔音性能优良及比强度高等。 （1）相对密度低泡沫塑料中含有大量的泡孔，其密度一般仅为 对应的致密塑料制品的几分之一到几十分之一，加之塑料本身是一种密 度较小的材料，故泡沫塑料产品的密度可以很小; 2 湘潭大学硕士学位论文 3 （2）隔热性能优良由于泡沫塑料中存在着许多气泡，泡孔内气 体的热导率比固体塑料的低 1 个数量级，因此泡沫塑料的热导率比对应 的致密塑料大大降低； （3）吸收冲击载荷性好泡沫塑料在冲击载荷作用下，泡孔中的 气体会受到压缩，从而产生滞流现象。这种压缩、回弹和滞流现象会消 耗冲击载荷能量。此外，泡沫体还可以产生较小的负加速度，逐渐分步 地终止冲击载荷，因而呈现出优良的减振缓冲能力； （4）隔音效果佳泡沫塑料的隔音效果是通过以下的两种方式来 实现的：一是吸收声波能量，从而终止声波的反射传递；二是消除共振， 降低噪声； （5）比强度高比强度是材料强度与相对密度的比值。泡沫塑料 的比强度远远高于孔率相当的多孔金属和多孔陶瓷材料。 1.2.3 泡沫塑料的制备1.2.3 泡沫塑料的制备 11 泡沫塑料的制备工艺一般可归结为混料和成形两大步骤，在成形过 程中同时形成气孔而得到多孔的泡沫产品，其中常用的成形方式有注射 发泡、挤出发泡、模压发泡、浇注发泡、反应发泡、旋转发泡和低发泡 中空吹塑等技术 2,6 ，使用设备与普通塑料制品的加工设备基本相同 2 。 1.2.4 泡沫塑料的应用1.2.4 泡沫塑料的应用 11 由于泡沫塑料具有质轻、质量比强度高、隔音、隔热和吸收冲击能 等优点，因此广泛应用于工业、农业、交通运输、军事、建筑及日常用 品等部门，作为包装材料、隔音材料、保暖材料、农用制品、建筑材料、 电器材料、医疗用品、机械零件和日用杂品等用途 2,7 。主要用途有（1） 作隔热材料； （2）作包装材料； （3）作吸声材料； （4）分离富集； （5） 负载应用； （6）灰尘捕集； （7）作结构材料;(8)防火抑爆； （9）漂浮性等。 1.3 泡沫塑料的结构形态 1.3 泡沫塑料的结构形态 泡沫塑料由骨架和气孔组成，其气孔结构分为闭孔和开孔两种形式。 闭孔结构是其内部气孔相互独立，由母体材料分离，每个气孔都是封闭 的。开孔结构为内部气孔相互连接在一起，单个气孔不是封闭的。在许 多泡沫塑料中，内部同时存在闭式气孔和开式气孔。 对泡沫塑料胞体结构的认识主要基于扫描电镜分析（sem）或其它 的显微观察。泡沫塑料本体的支架结构（见图 1.1）可分为： （1）孔壁 气孔和气孔交界的地方； （2）筋孔壁和孔壁交界的地方； （3）节 湘潭大学硕士学位论文 筋和筋交界的地方。对于开孔结构来说，气孔和气孔间是没有完整 的孔壁隔离的，而闭孔结构则正相反。当孔壁与筋相比显得非常薄时， 孔壁对材料整体的力学性能的影响就非常小，这样在分析材料力学性能 时，闭孔结构就可以作为准开孔结构来处理，即把孔壁的作用忽略掉或 折算到筋上。 目前研究泡沫材料性能的主要方法是从其微观结构出发，提出各种 胞 体 结 构 的 代 表 单 元 模 型 来 模 拟 泡 沫 材 料 的 力 学 性 能 。 gent和 thomas （1959 年） 8,9 首先提出描述开孔泡沫材料的弹性杆支柱网络模型及简 单立方体支柱模型（图 1.2 a、b） 。jone和fesman 10 通过一系列观察得 到了五边十二面体结构（图 1.2 c） ；smith 11 则证明，满足局部几何条 件的相同胞体每一多面体都具有 13.394 个面，每个面需要有 5.1043 个 边，因此，五边十二面体是这一条件的很好近似。按照kelvin的证明，满 足相容条件的唯一构形是图 1.2 （d）所示的最小面积的四-六边十四面体 （ tetrakaidecahedron） 。gibson和ashby 5 提出用反映弯曲变形机制的立 方体结构模型（见图 1.3）来模拟开孔和闭孔泡沫材料的力学行为，较为 系统地研究了泡沫材料的弹性性质。 此外，比胞体形状更为重要的是固相材料在孔壁、筋和节的分布。 通常假设孔壁比筋要薄，且厚度均匀；筋沿长度方向具有均匀截面；节 则比筋厚。有些学者则考虑了缺陷（如孔筋的弯曲和缺省、孔壁的弯曲、 褶皱、缺省和质量分布不均，以及裂纹等）和胞元宏观无序排列对泡沫 塑料性能的影响。 目前评价泡沫材料的结构一般采用如下几个参数： （1）孔径 * （2）密度 * s （3）相对密度 定义为泡沫材料密度和本体材料密度之比， 即 * s = （4）孔隙率 孔隙率与相对密度之间存在以下关系： * 11 s = = （5）体积分数 在闭孔的泡沫材料中，固相基体分别分布在胞体的 筋和壁中。体积分数定义为分布在孔筋上的固相材料所占的体积分数。 4 湘潭大学硕士学位论文 图 1.1 泡沫塑料的支架结构（胞元由十二个五边形构成） 图 1.2（a）支柱网络模型 （b）简单立方体支模型 （c）五边十二面体模型 （d）四-六边十四面体模型 图 1.3 gibson 和 ashby 模型 （a）开孔泡沫材料 （b）闭孔泡沫材料 5 湘潭大学硕士学位论文 1.4 国内外研究动态 1.4 国内外研究动态 1959 年，gent 和 thomas 的工作奠定了泡沫聚合物材料力学性能研 究的基础。 他们在 1959 年的著名论文中首次研究了泡沫塑料的力学行为， 并提出了弹性支柱网络模型和立方体结构模型。gent 和 thomas 的工作 对以后研究泡沫塑料力学性能的研究产生了深远影响，至今已有大量文 献发表。 对泡沫聚合物力学性能的进一步研究有利于改进生产制备的技术； 为材料及工程设计提供理论依据和参考；还可发现材料新的性能，进一 步拓展材料的应用范围。泡沫材料是一个前沿研究领域，倍受理论界和 工程界的广泛关注和极大重视。上世纪 90 年代至今，更成为研究热点。 较早的理论研究是 1963 年 gent 和 thomas 对泡沫弹性材料力学性能的研 究。非周期蜂窝材料的弹性性能由 sliva 等进行了研究。simon 等考察了 单胞尺度上的有关力学性能(强度、模量)以及细观缺陷对宏观力学行为 的影响，模拟、讨论了孔壁质量分布、弯曲和褶皱对泡沫聚合物刚度、 强度的影响。warren 和 kraynik 根据规则蜂窝结构中胞元周期性重复排 列的特点，得到了相应结构的宏观等效弹性参数近似解析解。国内，北 京航空航天大学固体力学所的卢子兴教授对聚氨酯泡沫聚合物和聚苯乙 烯泡沫聚合物作过一系列力学实验与理论分析；另外，中国工程物理研 究院、东南大学、西安交大等对泡沫聚合物都作过一定的研究。 关于泡沫黏弹性能的研究也有一些，如 hart 等应用时-温叠加原理 预测了聚苯乙烯泡沫塑料的长期压缩蠕变行为；而 damore 等研究了高 密度热固型聚酯泡沫塑料的弯曲蠕变性质；gibson 和 ashby 等也考虑了 相应的蠕变问题。而 milte 和 ramon 研究了泡沫塑料的松弛特性，提出 了获得泡沫塑料松弛曲线的简单快速的方法。 由于在泡沫塑料的使用中经常受到动态载荷以及不同温度环境的作 用 ， 因 此 需 要 了 解 材 料 在 不 同 应 变 率 和 不 同 温 度 下 的 力 学 性 能 。 burchett 12 较早(1967 年)研究了泡沫塑料的应变率和温度效应，他针对 硬质聚氨酯泡沫塑料进行了 5 种应变率的实验(510 -3-2-1 、 510、 510、 5、 50s 3 0.32g cm 6 -1 )， 实验的温度范围是：， 泡沫塑料密度为15.6 115.6 c ? 。 实验结果表明，屈服应力随应变率增加而增加，随温度增加而降低。并 且在82.2以下随应变率增加，材料失效模式由流动失效类型转变为脆性 爆炸型失效，而在以上时，只有流动类型失效发生；这说明温度对 失效类型的转变起着根本的作用。 c ? 82.2 c ? 在此之后，应变率效应的研究引起人们的重视，相继发表了一系列 文章讨论这一问题。green 13 等在较大的应变率范围内()实验 33 1010 s -1 湘潭大学硕士学位论文 研究了聚氨酯泡沫塑料的静、动态力学性能；所用材料包括硬质和半硬 质两种，最大密度不超过 3 0.25g cm，并且是闭孔的。除聚氨酯泡沫塑料 显示应变率效应外，他们还得出一些重要结论：较高密度的材料屈服 后存在一个应力降，并且随应变率增加更为明显。屈服强度与材料密 度之间近似满足抛物线关系。半硬质泡沫塑料在所有应变率下可产生 很大的均匀压缩，屈服后几乎没有应力降。硬质泡沫塑料在拉伸下相 当脆(应变不到 5)，不存在塑性流动，最大应力发生在断裂处，并且硬 质泡沫塑料的断裂应力几乎与应变率无关。半硬质泡沫塑料动态应力 应变曲线与硬质的差别是，应变率超过时，断裂应力快速增加。 虽然，green等由shpb实验装置没能得到高应变率加载下泡沫塑料的应 力应变曲线，但却给出高速变形下材料破坏机理的讨论。中应变率的 压缩实验表明，硬质泡沫塑料在表现延性和脆性之间有一跳跃。而在高 应变率加载下，硬质泡沫塑料一般以爆炸方式破裂。 -1 1.0s rao 14 等专门研究了高应变率加载下软质泡沫塑料的力学行为。他 们通过实验确定了 25应变下泡沫密度，胞体尺寸、应变率和应力的关 系；还研究了泡沫塑料试件高度与面积关系的改变对泡沫塑料应变率性 质 的 影 响 和 预 压 缩 对 高 应 变 率 实 验 的 影 响 问 题 。 而melvin和roberts 15 的实验研究包括了聚乙烯泡沫、丸状聚苯泡沫等几种材料，它们均为闭 孔型的，密度为 3 0.017 0.184g cm；实验应变率为；他们将应力 -应变曲线分成 3 种类型（见图 1.4） ，其中软木泡沫、丸状聚苯泡沫的应 力 -应 变 曲线属于平台型(上面 曲线） ，聚乙烯和乙烯基泡沫属于强化型 （下面曲线） ，聚氨酯泡沫塑料的应力-应变曲线属于第 3 种类型，即含 有高峰载荷幅值的平台型。实验结果表明：软木是一种有效的能量吸收 材料；除乙烯基泡沫外，其它泡沫塑料的性质不随速度的增加而有明显 的增加。 02 10 10 s-1 7 图 1.4 应力-应变曲线类型 湘潭大学硕士学位论文 8 phillips和waterman 16,17 的工作考虑了温度的效应，他们研究了高密 度聚氨酯泡沫塑料的模量和屈服性质。实验结果表明：所用试件温度低 于软化点的温度时，得到的应力-应变曲线出现两个屈服点，第一个屈服 点归结为较弱的表面胞体的屈服，第二个屈服点对应试件整体屈服的开 始而且随温度增加，模量和屈服点都降低。他们还确定了软化点的温 度，它随密度的增加而降低。 关于温度和应变率对泡沫塑料力学性质的影响，gibson 5 等把温度 和应变率的影响分成两类：一类是与泡沫塑料基体性质有关的所谓“固 有的”温度及应变率效应，一类是与胞体内流体(如空气)有关的温度和 应变率效应。文中还给出粘弹性响应及蠕变等情况下，考虑温度和应变 率效应的一些实用公式，这里不再详述。 大多数的泡沫材料都是各向异性的。各向异性可由两种相当不同的 途径产生： （1）结构上的各向异性； （2）孔壁自身性能方面的材质各向 异性。对各向异性的严格处理具有的理论困难。cowin（1985） 18 发展 了一个理论框架，根据表征多孔或胞状微结构上的各向异性。如果分量 可以确定，则该张量就有助于分析各向异性泡沫材料的线弹性响应，但 该方法向非线性响应的延伸（屈曲、塑性、断裂）还未得到证实，它也 没有包括孔壁材料的各向异性。 研究泡沫材料的各向异性问题的主要困难是基本胞体结构参数的测 量和取向方向的描述。harding 4 最早应用取向度的概念得出pur泡沫塑 料的压缩强度近似随取向度成比例增加的结论。benning 4 研究了聚乙烯 泡沫塑料的取向效应， 发现对变形的响应是各向异性的。patel和finnie 19 论了泡沫塑料的各向异性问题时认为，胞体沿胞体轴方向的伸长使更多 的支柱指向胞体轴方向。由于抵抗变形的有效面积的减少，使拉伸强度 和压缩强度随着胞体轴与加载方向夹角的增加而减少。另一种描述和测 量热塑性泡沫塑料结构各向异性的方法由mehta和colombo 20 提出，他们 按照压出型材在升高温度松弛时出现的尺寸变化来表示取向度，并且把 halpin-tsai方程中使用的结构参数同经验确定的尺寸变化联系起来，处 理了压延多孔聚苯板的力学各向异性问题。 在某些应用中，泡沫材料不是以单向压缩或拉伸的方式承载，而是 受到三向载荷(图 1.5)。 关于这方面的研究，triantafillou和gibson（1990）已对描述各向同 性的弹性-纯塑性开孔泡沫材料屈服行为的本构方程进行了研究；patel （1969）对一种几乎各向同性的聚氨酯所做的管状样品进行轴向拉伸或 湘潭大学硕士学位论文 压缩结合扭转和内部加压，以及十字形样品的双向拉伸；shaw和sata （1966）对聚苯乙烯做了相似的实验；zaslawsky（1973）则对刚性聚氨 酯做了相似的实验。上述实验的结果十分类似。 图 1.5 承受多向加载的孔穴 1.5 发泡性聚苯乙烯泡沫塑料简介 1.5 发泡性聚苯乙烯泡沫塑料简介 1.5.1 发泡型聚苯乙烯泡沫的结构及特点 1.5.1 发泡型聚苯乙烯泡沫的结构及特点 发泡型聚苯乙烯泡沫塑料（英文expanded polystyrene, 简称eps） 是由聚苯乙烯（ps）经加热发泡后形成的具有微细闭孔结构的泡沫塑料。 聚苯乙烯泡沫塑料是含有挥发性液体发泡剂的可发性聚苯乙烯（ps）珠 粒为原料，经加热预发泡后在模具中加热成型而制成的具有微细闭孔结 构的泡沫塑料板材，有普通型（pt）和阻燃型（zr）两种。该产品重量 轻，有极好的隔热性，耐低温性，有一定的弹性，吸水性小，容易加工 等特点，主要用于建筑、车辆、制冷设备和冷藏库等的保温材料及包装 材料。本材料极易切割加工，使用电热丝、刀锯等工具，加工简便迅速。 11 1.5.2 eps生产技术概况1.5.2 eps生产技术概况 聚苯乙烯（ps）一般采用悬浮聚合而得。悬浮聚合法是将苯乙烯单 体在强烈的机械搅拌下分散为油状液滴，并借助于悬浮剂的分散作用悬 浮于水中，在引发剂的作用下，聚合为聚苯乙烯（ps）珠状固体。eps 的生产工艺有一步法和二步法。 一步法工艺流程： 将苯乙烯、 软水、 悬浮剂及引发剂加入聚合釜内， 水油比约为1.01.5。 升温反应约8h，保持釜内的压力，待粒子成型熟化后，经过滤器放入洗 涤槽中进行中和、洗涤，然后离心分离至粒子含水量2%3%，经过热气 9 湘潭大学硕士学位论文 流干燥之后进行两次筛分，先去除小于的粒子，再除去大于的 颗粒（或根据市场要求设置 5 种筛网，分别得到15号eps珠粒），最 后经螺旋输送器送至料仓，称量、包装。粒料经过螺旋输送器时，加入 外部润滑剂。后将ps粒料进行浸渍，使发泡剂（戊烷等）渗透入ps珠 粒内；另外再蒸汽加热，ps珠粒软化且低沸点戊烷汽化，缓慢冷却生成 eps。 0.1mm2mm 二步法工艺流程： 第一步，将苯乙烯、软水、分散剂，溶解、混合，经计量槽加入聚 合釜内， 加入引发剂和部分助剂， 升温至90c， 保持釜内的压力0.3mpa， 反应6h后升温，分别在115c 和135c进行聚合约23h，待ps颗粒 熟化后经过滤器放入洗涤槽中洗涤，然后经离心机分离水分，使颗粒含 水量降至2%3%，再经热风干燥除去剩余水分后，按产品要求设置不同 孔径的筛网，得到15号料，分别进入各自的料仓待用。 第二步，将拟进行浸渍的ps粒料，在不断的搅拌下，用旋风加料器 或人工送至含发泡剂戊烷的浸渍釜中，釜夹套内通蒸汽，使釜内温度保 持在80c 90c，压力约0.9mpa，浸渍约为5h，戊烷渗透到ps珠粒内， 然后降温到40c以下洗涤，经离心机分离水分，再经热风干燥，通过螺 旋输送器，加外部润滑剂，然后进入料仓称量、包装。浸渍过程中应严 格控制温度，并不停地搅拌，以防止结块。另外再蒸汽加热，ps珠粒软 化且低沸点戊烷汽化，缓慢冷却生成eps。 在生产过程中，应勤于观察，定期分析。通过粒子的形成情况，及 时调整分散剂量、温度、搅拌转速等工艺参数，控制粒径的大小，提高 粒径粒子的收率。 0.1 2mmmm 就生产工艺而言，一步法和两步法生产各有千秋，两步法工艺成本 比一步法较高且操作周期长，流程长且能耗较高，但一步法要求粒径分 布比较窄，因而对聚合条件要求苛刻。 1.5.3 eps 的应用 1.5.3 eps 的应用 eps是 一 种 热 塑 性 材 料 ， 经 过 加 热 发 泡 以 后 ， 每 立 方 米 体 积 含 有 300-600 万个独立密闭气泡，内含空气体积为 98以上，这样的结构给 予它许多特性。同时，由于空气的热传导性很小，且又被封闭于泡沫塑 料中不能对流，所以eps是一种隔热保温性能优良的材料，因而被广泛 用在建筑、船舶、汽车、火车、冷柜、冷藏、冷冻等的保温绝热方面。 其主要应用在： 1 用于聚苯乙烯泡沫塑料塑料夹芯板； 10 湘潭大学硕士学位论文 2 用于钢丝网架聚苯乙烯泡沫塑料塑料夹芯板； 3 用于冷库墙保温； 4 用于包装材料； 5 用于建筑物外墙保温； 6 用于装潢造型； 7 用于管道保温； 8 用于地面保温； 9 用于屋面保温。 自上世纪 50 年代由德国basf公司开发eps珠粒生产工艺后，eps 泡沫塑料由于成型工艺简单及设备简易可行，并可制成各种形状、不同 密度的产品， 因而发展迅速。 现在 eps 已成为苯乙烯树脂三大产品(gpps、 hips、eps)中重要的产品之一。我国 eps 工业从 1958 年自行研制的悬 浮聚苯乙烯塑料上市至 21 世纪的今天，eps 得到空前的发展，著名的厂 家有龙王、兴达、台达等。 1.5.4 eps 的研究成果 1.5.4 eps 的研究成果 11 eps的研究成果主要有以下：horvath 21 用边长为的eps立方体试 件在应变速率为 5cm 10minmm的条件下，采用应变控制形式进行了无侧限单 轴压缩试验，得到压缩应力-应变曲线并对该曲线进行了分析。但没有对 多种密度与多种加载速率的情况进行试验比较和分析。duskov 22 采用直 径为10、高为的圆柱体eps试件在的作用下进行蠕变研究， 得出蠕变曲线，从蠕变曲线的分析中可以看出：eps材料的蠕变主要发生 在加载初期，随着加载龄期的增长，蠕变的速率趋于稳定，在加载 1 年 以后蠕变的速率几乎接近常数。阳以本 cm20cm20kpa 23 介绍了我国现阶段普遍采用的 螺旋传动，蒸汽加热发泡工艺生产的可发性聚苯乙烯泡沫材料密度与压 缩强度(压缩 50%)的关系， 分析成果应用的可行性给其摩托车生产工厂带 来好的经济效益(eps应用于摩托车成品包装)。程志胜 24 等通过动态和 静态压缩试验，分析了聚苯乙烯泡沫塑料衬垫的缓冲性能的基本特征， 并应用弹塑性理论，建立了既能反映静态应力应变规律，又能反映其缓 冲性能基本特征的非线性数学模型，同时根据试验数据识别了模型参数。 刘宏 25 等通过国内生产的聚苯乙烯泡沫塑料(eps)的物理力学特性的试 验研究，并结合国外对eps材料的应用与研究成果，详细分析了表观密度 为、的eps的物理力学特性。进而证明了密度为的 eps板材的物理力学性能完全可以满足土木工程的要求，该种材料具有吸 水率小，含气量高，且抗压性能良好，即使在浸水状态下抗压强度也不 3 20kg/m 3 45kg/m 3 45kg/m 湘潭大学硕士学位论文 12 会受到明显的影响。佟富强 26 等通过对聚苯乙烯泡沫材料进行不同形变 速率的压缩实验，经过数学处理得到不同形变速率条件下材料的缓冲系 数最大应力曲线，找出压缩速度对材料缓冲性能影响的变化规律， 可用以指导实际应用。洪显诚 27 等的研究表明，聚苯乙烯泡沫(eps)作 为一种超轻型材料，具有一定的强度和稳定性，应于路堤填筑工程可以 显著地减少路堤引起的地基沉降和对桥台背产生的侧土压力，提高地基 稳定性，为解决桥头跳车问题提供了一种新的方法。介绍了eps材料的物 理力学性质和在一个实际桥头软基路堤填筑工程中的应用。 1.6 本文的主要研究内容 1.6 本文的主要研究内容 本文对聚苯乙烯泡沫(eps) 进行了一系列的准静态压缩、压缩蠕变 实验。在实验研究的基础上，进行理论分析，并结合数值模拟的方法， 对聚苯乙烯泡沫(eps)的主要力学性能进行了较深入的分析研究。 第二章介绍了闭孔泡沫的压缩变性机理，得出泡沫材料性能与相对 密度及制备泡沫体所用材料性能的关系式方程。具体分析了在线弹性状 态下弹性模量与相对密度之间的关系。 分析了闭孔泡沫的黏弹性性能，得到了闭孔泡沫材料的黏弹性变形 差分方程。并简单介绍了蠕变，以及线黏弹性问题解法。 第 三 章 的 内 容 包 括 聚 苯 乙 烯 泡 沫(eps)在 准 静 态 范 围 内 的 单 轴 压 缩 实验，包括不同密度在同一应变率下的单轴压缩实验，并分析了实验结 果，指出了eps的力学性能（模量）随密度的变化关系。 另外包括eps的压缩蠕变实验，包括不同密度、不同应力下的单轴 压缩蠕变实验。实验表明：同密度的eps其蠕变量值随着应力水平的增 大而增大，同应力水平下的eps其蠕变量值随着密度的增大而减小。并 根据求解线黏弹性问题的方法，建立了包含密度和应力影响的eps压缩 蠕变模型。 第四章使用有限元软件ansys对eps的压缩蠕变进行数值模拟。 第五章对全文的工作进行了总结，提出进一步的设想和思路。 湘潭大学硕士学位论文 第二章 聚合物泡沫的力学性能 第二章 聚合物泡沫的力学性能 2.1 引言 2.1 引言 聚合物泡沫作为一种常见的功能材料，应用于冲击能的吸收（在包 装和防碰中）以及轻质结构（如夹层镶板芯材） ，它们的有效使用需要对 其力学行为作详细的了解。甚至在力学性能不是主要应用的时候如当 泡沫材料用于隔热、漂浮或过滤时其强度和断裂行为仍然是重要的。 所以，对聚合物泡沫的力学必须有所认识。 泡沫体的性能与其结构和其孔壁制备材料的性能有关。泡沫材料的 突出结构特征是其相对密度 * / s * 13 （是泡沫材料的密度， s 是构成孔壁 的固体材质的密度） 、开孔度和闭孔度以及形状各向异性率 12 r 13 r和。至 关重要的孔壁性能是 s e s ys fs 、杨氏模量、屈服强度、断裂强度和蠕变 参数 os s n os 、及。本章将根据这些参数分析泡沫体的性能，比较和标定 实验数据，得出适合设计的方程 28 。 本 章 主 要 研 究 闭 孔 泡 沫 材 料 在 压 缩 情 况 下 的 力 学 性 能 和 黏 弹 性 性 能。 2.2 泡沫材料的压缩力学性能 2.2 泡沫材料的压缩力学性能 泡沫材料的多数应用都是压缩承载，这也是泡沫材料研究的重点。 图 2.1 是弹性体和弹塑性体泡沫材料的压缩应力-应变曲线。弹性体和弹 塑性体泡沫材料在低应力下表现为线弹性，接着是一个长长的坍塌平台， 被应力陡然升高的密实化区所截断。当弹性泡沫材料受到压缩时，它首 先以线弹性的方式发生变形；然后它的孔穴产生屈曲，导致非线弹性； 最后，孔穴完全坍塌破坏，且随着孔面和孔棱压在一起，其应力急剧上 升。塑性泡沫材料的表现形式与此相似，除了线弹性后紧接着是塑性坍 塌破坏而不是弹性屈曲。这些过程的每一个均可建立模型，得出泡沫材 料性能与相对密度（/ s ）及制备泡沫材料所用材料性能的关系式方 程。 下面将就压缩变形的机制的进行详细讨论。 2.2.1 线弹性 2.2.1 线弹性 泡沫材料的线弹性性能可由一组模量来表征。描述各向同性的泡沫 湘潭大学硕士学位论文 材料需要用两个模量；通常它们选自杨氏模量 *（应力-应变曲线的初始 斜率） 、剪切模量、弯曲模量和泊松比 e * g * k * 。描述各向异性的泡沫体 则需较多的模量：当结构为轴对称时，需要五个；当结构为正交各向异 性时，则需要九个。在这里，根据孔壁模量 s e和泡沫体本身的相对密度 * / s 14 ，给出各向同性泡沫材料的、和 * e * g * k * 29-38 的表达式。 （a） 弹性体 (b)弹塑性体 图 2.1 弹性体和弹塑性体泡沫材料的压缩应力-应变曲线 闭孔泡沫材料的线弹性是由孔面延伸控制的。在闭孔泡沫体中，孔 穴棱边可弯曲、延伸或收缩，而形成孔面的膜则发生延展，增加了轴向 孔壁刚性对弹性模量的贡献 31-33,35,36,39 。如果孔膜不发生断裂，则陷在孔 穴中的流体的压缩也会提高其刚性。闭孔泡沫材料的变形是孔壁、棱和 膜以及孔穴内气体共同作用的结果，所以其变形机制是孔壁弯曲+棱收缩 和膜延展+被封入气体的压力。 当泡沫体由液体组元制得时,表面张力可将材料拉向孔棱，越过孔面 只留下一层薄膜，它易于破裂。因此，虽然泡沫体具有初始闭合的孔穴， 但其刚度全部来自孔棱，其模量则等同于开孔泡沫体。但并非所有闭孔 泡沫材料都像这样。一些聚合物和玻璃制得的泡沫材料孔面就由真正的 固体部分构成，这些孔面会增大多孔体的刚性；许多天然多孔材料（如 湘潭大学硕士学位论文 树叶）具有厚孔面的闭合孔穴。因而模量以略微不同的方式依赖于密度。 15 考虑孔棱所占固体分数为的泡沫体，其中孔棱厚度为；剩余部分 e t f t(1)为孔面所占，其中孔面厚度为。闭孔泡沫材料的杨氏模量是变性 机制所示的三种贡献的总和。 首先是孔棱弯曲的贡献： () * 2 1 0.86 ss e c e = （2.1） 式中：包括所有的几何比例常数。 1 c 其次是由孔穴流体压缩产生的贡献 33,40 。通过考虑体积为、相对 密度为 0 v * / s ，且孔穴中包含气体的泡沫材料样品来对它进行计算。若样 品作应变为的轴向压缩，其体积从减小至v，则有： 0 v ( * 0 11 2 v v ) = （2.2） 0 g v气体占据孔穴空间， 除去固体孔棱和孔面所占体积， 故其体积从减 小至 g v，其中 () * 0* 11 2/ 1/ s g gs v v = （2.3） 0 p其对模量的贡献由boyle定律作计算。若初始气体压力为（通常为大 气压力） ，则应变p后的压力为由下式得出： 0 0gg pvp v= （2.4） 须由作用应力克服的压力为 0 ppp = （2.5） 应用上面的式子发现： () () * 0 * 1 2 11 2/ s p p = （2.6） 对模量的贡献(取