2.3. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭКСТРУЗИОННОГО ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПЕНОПЛЭКС^®

Возможность применения термофлуктуационного подхода к исследованию долговечности экструзионного пенополистирола подтверждается результатами длительных испытаний поперечным изгибом образцов ПЕНОПЛЭКС^® 45 [20].

Полученные графические зависимости логарифма долговечности (времени до разрушения) от напряжений при заданных температурах отражены на рис. 2.4.

Видно, что они образуют семейство параллельных прямых. Как отмечается в работе [17] это наблюдается при хрупком разрушении полимеров, в которых наряду с химическими и межмолекулярными связями существуют и силы промежуточной величины, отвечающие водородным связям. В этом случае полученная зависимость описывается формулой (2.9).

Рис. 2.4. Зависимости времени до разрушения (lgτ) от напряжения (σ) при поперечном изгибе экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 45 [20]

Подставив в уравнение (2.9) указанные в табл. 2.3 значения констант, можно определить срок службы рассматриваемого пенопласта при любых  эксплуатационных нагрузках и температурах.

На основании длительных испытаний образцов экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 45 сжатием до 10%-ной деформации в работе [20] были получены зависимости логарифма долговечности lgθ (времени до достижения деформации величиной 10%) от напряжений s при заданных постоянных температурах (20, 40, 60 °С) (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Зависимости времени достижения 10%-ной деформации (деформационной долговечности lgθ) при сжатии пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 45 от напряжений сжатия (σ) при соответствующих температурах [20]

Представленная на рис. 2.5 зависимость, имеет вид веерообразных прямых, сходящихся в одну точку – полюс и, согласно работе [17], описывается уравнением (2.7). Значения входящих в него констант рассчитывались графоаналитическим способом (табл. 2.4).

Все это позволяет прогнозировать деформационную долговечность экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 45, работающего в условиях сжатия. Также можно рассчитать предельную величину температуры или нагрузки, при которых деформации утеплителя не превысят 10% в течение заданного срока службы.

В пункте 1.7 отмечается, что характерной особенностью вспененных пластмасс, в том числе и экструзионного пенополистирола, является зависимость их физико-механических свойств от кажущейся плотности. Показана существенная разница между прочностью и жесткостью плит ПЕНОПЛЭКС^® объемным весом 35 и 45 кг/м³. В свою очередь это не может не отразиться на их долговечности. В связи с этим авторами монографии проводились исследования длительной работы плит ПЕНОПЛЭКС^® 35 в условиях поперечного изгиба, сжатия и пенетрации.

2.3.1. Долговечность пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 35 при поперечном изгибе

Для того чтобы иметь возможность прогнозировать основные параметры работоспособности экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 35 при поперечном изгибе в широком диапазоне эксплуатационных нагрузок и температур, необходимо экспериментально определить константы, входящие в соответствующие уравнения.

С этой целью из плит пенополистирола были изготовлены образцы-балочки размерами 20×30×120 мм (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Образцы-балочки пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® для испытаний поперечным изгибом (а); развитие трещин в растянутой зоне образца в момент разрушения (б)

Длительные испытания поперечным изгибом образцов-балочек производили следующим образом:

– образцы помещали на опоры испытательного стенда (рис. 2.7), расстояние между которыми – 100 мм, термостатировали при заданной температуре в течение 30…60 мин, затем нагружали рассчитанной в соответствии с заданным напряжением нагрузкой и фиксировали с помощью секундомера время от момента нагружения до разрушения образца (долговечность);

Рис. 2.7. Схема испытательного стенда для испытаний материала поперечным изгибом:
1 – рама; 2 – скоба; 3 – опоры; 4 – ТЭНы; 5 – ЛАТР1М 220В-9А; 6 – нагружающее устройство; 7 – кожух

– прогревание образцов и поддержание температуры в зоне испытаний осуществляли с помощью ТЭНов, подключенных к сети через ЛАТР. Испытания проводили при температуре 10, 30 и 50 °С;

– для получения одной прямой долговечности проводили пять серий испытаний по шесть образцов при заданных температуре и напряжениях;

– значения напряжений принимались в пределах (0,80…0,95)σ_вр таким образом, чтобы разрушение образцов происходило не ранее нескольких секунд.

– σ_вр установили на основании кратковременных испытаний поперечным изгибом шести образцов пенополистирола.

По результатам испытаний были получены графические зависимости, представленные на рис. 2.8, а.

Рис. 2.8. Графические зависимости:
а – долговечности (lgτ) пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 35 от напряжений при поперечном изгибе (σ); б – долговечности пенополистирола (lgτ) от обратной температуры (1000/Т); в – энергии активации пенополистирола (U) от напряжений при поперечном изгибе (σ)

Из рисунка 2.8 видно, что прямые долговечности в координатах lgτ – σ сходятся в одну точку (полюс) и образуют так называемый «прямой пучок», описываемый уравнением (2.3).

Значения констант приведены в табл. 2.5.

Из таблицы 2.5 видно, что значения трех констант T_m, U₀, γ близки к значениям таких же констант для беспрессового пенополистирола. Величины T_m и U₀  практически равны энергии активации и предельной температуре существования чистого полистирола. Это говорит о том, что взаимодействие добавок с основным сырьем материала происходит на физическом, а не химическом уровне. В то же время величина γ у ПЕНОПЛЭКС^® 35 в 1,2 раза меньше, чем у беспрессовых пенопластов, что связано с более прочной и однородной структурой данного материала. Достаточно большое в сравнении с другими пенопластами значение τ_m объясняется повышенной прочностью и жесткостью экструзионного пенополистирола.

Подставляя полученные значения физических констант в уравнение (2.3), можно прогнозировать долговечность ПЕНОПЛЭКС^® 35, работающего в условиях поперечного изгиба в широком диапазоне напряжений и температур. Также можно определить два других параметра работоспособности материала: предел длительной прочности (σ, МПа) и термостойкость (Т, К) в любое время эксплуатации (τ), выразив их из того же уравнения.

2.3.2. Долговечность пенополистирола ПЕНОПЛЭКС® 35 при сжатии

Исследование деформационной долговечности осуществлялось путем одноосного сжатия образцов ПЕНОПЛЭКС^® 35 размерами 30×30×20 мм (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Образцы пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® для испытаний сжатием до 10%-ной деформации

Длительные испытания сжатием до 10%-ной деформации производились по следующей схеме:

– образцы термостатировали при заданной температуре испытаний (20, 40, 60 °С) в течение 60 мин;

– прогретые образцы помещали под шток установки (рис. 1.7, а) без индентора, затем нагружали постоянной рассчитанной в соответствии с заданным напряжением нагрузкой и фиксировали с помощью секундомера время от момента начала нагружения до достижения 10%-ной относительной деформации (деформационная долговечность);

– величину деформации отслеживали с помощью индикатора часового типа с точностью 0,01 мм;

– в процессе эксперимента температуру в зоне испытания поддерживали постоянной, равной 20, 40 и 60 °С;

– для получения одной прямой долговечности проводили пять серий испытаний по шесть образцов при заданных температуре и напряжениях;

– значения напряжений принимались таким образом, чтобы достижение заданной деформации происходило не ранее нескольких секунд.
По результатам испытаний были получены графические зависимости (рис. 2.10), представляющие собой «прямой пучок», аналитическим описание которого является уравнение (2.7).

Рис. 2.10. Графические зависимости долговечности (lgθ) пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 35 от напряжений (σ) при сжатии до 10%-ной деформации

Графоаналитическая обработка представленных графиков позволила рассчитать значения соответствующих констант (табл. 2.6).

Величины констант θ_m, U₀, γ значительно превышают соответствующие показатели для беспрессового пенополистирола, что объясняется более однородной и жесткой структурой исследуемого материала. При сжатии до 10%-ной деформации в работу включается весь объем образца, что приводит к изменению полного сегмента полимерной цепи. Температура полюса T_m соответствует начальной температуре размягчения пенополистирола.

Подставляя полученные значения физических констант в уравнение (2.7), можно прогнозировать деформационную долговечность ПЕНОПЛЭКС^® 35, работающего в условиях сжатия до 10%-ной деформации в широком диапазоне напряжений и температур. Также можно определить два других параметра деформационной работоспособности материала: предел текучести (σ, МПа) и теплостойкость (Т, К) в любое время эксплуатации (θ), выразив их из того же уравнения.

2.3.3. Долговечность пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 35 при пенетрации

Как правило, при эксплуатации материал находится в сложном напряженно-деформированном состоянии, примером которого может служить пенетрация, т.е. внедрение в его поверхность твердого тела. В этом случае работа материала осложняется  действием в вершине индентора концентраторов напряжений, значения которых убывают с увеличением глубины внедрения.

В связи с этим исследовались температурно-временные зависимости прочности ПЕНОПЛЭКС^® 35 при длительной пенетрации образцов, аналогичных показанным на рис. 2.9.

Испытания проводились следующим образом:  

– образцы термостатировали при заданной температуре испытаний (20, 40, 60 °С) в течение 60 мин;

– прогретые образцы помещали под шток установки (рис. 1.7, а) с индентором, затем нагружали постоянной нагрузкой, рассчитанной в соответствии с заданным напряжением, и фиксировали с помощью секундомера время от начала нагружения до момента, когда индентор погрузится в образец на 2 мм (долговечность);

– величину деформации отслеживали с помощью индикатора часового типа с точностью 0,01 мм;

– в процессе эксперимента температуру в зоне испытания поддерживали постоянной  равной 20, 40 и 60 °С;

– для получения одной прямой долговечности проводили пять серий испытаний по шести образцов при заданных температуре и напряжениях;

– значения напряжений принимались таким образом, чтобы достижение заданной деформации происходило не ранее нескольких секунд.

В результате были построены графические зависимости, представленные на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Графические зависимости долговечности (lgθ) пенополистирола ПЕНОПЛЭКС^® 35 от напряжений (Н) при пенетрации

Из рисунка 2.11 видно, что прямые долговечности в координатах lgθ – Н сходятся в одну точку – полюс и образуют так называемый «прямой пучок», описываемый уравнением, аналогичным для изгиба и сжатия (2.7).

Значения констант определены графоаналитическим способом и приведены в табл. 2.7.

Как видно из таблицы, при пенетрации в экструзионном пенополистироле процесс разрушения преобладает над деформированием, что подтверждается значениями констант, близкими к значениям при поперечном изгибе ПЕНОПЛЭКС^® 35. Величина Т_m также соответствует термостойкости пенополистирола.

Полученные данные дают возможность прогнозировать деформационную долговечность ПЕНОПЛЭКС^® 35, работающего в условиях внедрения в него твердых тел в широком диапазоне напряжений и температур.