回溫效應對典型泡沫塑料準靜態力學特性的影響

江 偉，盧玉斌*，蘇 實，余昆嶺

（1．西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010；2．北京睿拓時創科技有限公司，北京100025）

回溫效應對典型泡沫塑料準靜態力學特性的影響

江 偉1，盧玉斌1*，蘇 實1，余昆嶺2

（1．西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010；2．北京睿拓時創科技有限公司，北京100025）

利用三維數字散斑動態變形測量分析技術，結合材料試驗機對回溫處理后的硅橡膠泡沫（SRF）以及硬質聚氨酯泡沫（RPUF）試件進行準靜態拉伸、壓縮實驗研究了回溫效應對材料力學特性的影響。結果表明，在準靜態拉伸過程中，SRF和高密度RPUF的拉伸強度受回溫效應的影響較低密度RPUF顯著；SRF的壓縮強度和彈性模量均得到了極大提升且彈性變形階段相對延長，但屈服現象不顯著；低密度RPUF的屈服應力顯著提高，但屈服臺階縮短，塑性變形降低；高密度RPUF的彈性變形階段和屈服階段均有所增加，但其承載抗壓強度的能力降低。

硅橡膠泡沫；硬質聚氨酯泡沫；回溫效應；應力分布

0 前言

泡沫塑料是一種在生活中應用廣泛的高分子材料，不僅具有絕熱、絕緣、隔音等特性，而且可用于包裝、緩沖減振的吸能材料以及結構防護裝置的襯墊材料，在航空、機械、醫療和建筑等工程領域具有廣闊的應用前景［1］。關于溫度對泡沫塑料力學性能的影響，國內外已開展了廣泛的研究。龐海燕等［2］研究了不同溫度下RPUF塑料的性能，發現隨溫度的升高，其壓縮模量和強度降低，壓縮應變增加；拉伸模量和強度增加，應變減小。黃艷華等［3］對SRF的高低溫拉伸力學性能研究發現：在中低溫度范圍內，隨著溫度的降低其拉伸強度逐漸升高，斷裂伸長率先增大后減小；在中高溫度范圍內，隨溫度的升高其撕裂強度和斷裂伸長率逐漸降低。盧子興等［4］認為較高密度的泡沫塑料進行準靜態拉伸時受溫度效應影響較明顯，其拉伸強度和彈性模量隨溫度升高而顯著降低。Marcondes等［5］還認為溫度對泡沫塑料的緩沖性能會有一定的影響。以上主要是基于一定溫度下的比較研究，而關于泡沫塑料在溫度交變循環條件下（即回溫效應）的力學性能研究還鮮有報道。本文研究了回溫效應對泡沫塑料力學特性的影響，對進一步了解泡沫塑料的力學行為和發揮其應用價值具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

SRF，密度為1．058 g/cm3，孔隙度為11．028％，黏度為5．1 Pa·s，導熱系數為0．020 W/（m·K），深圳領航振宇密封科技有限公司；

低密度RPUF，密度為0．15 g/cm3，導熱系數為0．022 W/（m·K），閉孔率＞90％，北京京都順發保溫材料有限公司；

高密度RPUF，密度為0．54 g/cm3，導熱系數為0．024 W/（m·K），閉孔率＞93％，北京京都順發保溫材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

雙立柱微機控制電子萬能試驗機，WDW-100，上海百若試驗儀器有限公司；

電熱鼓風干燥箱，GZX-9070MBE，上海博訊實業有限公司；

鎢燈絲掃描電鏡（SEM），EVO18，德國蔡司公司；

毫秒級響應熱電偶，XH-WRNK-191，西安西弘自動化設備有限公司；

非接觸應變測量系統，VIC-3D，北京睿拓時創科技有限公司。

1.3 樣品制備

泡沫塑料的拉伸試樣按GB/T 9641—1988進行加工，原始標距為（50±0．1）mm，試樣厚度為10 mm，中間寬度25 mm，在試樣取向上，SRF選用90°取向，RPUF均選用0°取向；壓縮試樣按照GB/T 8813—1988進行加工，低密度RPUF壓縮試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，高密度RPUF試件壓縮尺寸為50 mm×50 mm×50 mm，SRF壓縮試件尺寸為50 mm×50 mm×50 mm；在試樣取向上，SRF和RPUF均分別選用0°、45°和90°取向；將加工好的試樣同時放入干燥箱進行加熱，每組各設定一個檢測試樣進行熱電偶測溫，待其中心溫度達到60℃后停止加熱，并適當保溫一段時間；然后取出試樣使其中心溫度完全冷卻至室溫后再進行試驗。

1.4 性能測試與結構表征

拉伸強度按GB 1040．1—2006-T進行測試，SRF的加載速率為50 mm/min，RPUF的加載速率均為5 mm/min；

壓縮性能按GB/T 1041—2008進行測試，SRF的加載速率為50 mm/min，RPUF的加載速率均為5 mm/min；

通過VIC-3D數字散斑動態變形測量技術對拉伸和壓縮變形過程進行實時記錄和分析，以便了解試樣在加載過程中的應力-應變的變化過程及分布狀態，關于試驗技術的詳細介紹，可參考文獻［6］，試驗前，首先要對三維動態變形測量系統進行標定，然后在試樣表面噴涂黑白啞光漆，形成黑白相間的隨機斑點圖案，用來實時跟蹤被測試件表面變形的散斑特征；

SEM分析：在試樣截面斷裂處或裂紋處進行取樣觀察，樣品尺寸約10 mm。

2 結果與討論

2.1 SRF回溫后的拉伸性能

2.1.1 實驗現象

SRF在準靜態拉伸過程中會發生彈塑性變形，并且在一定范圍內隨著載荷的增加，力與位移之間呈線性增長關系，即彈性變形階段。當載荷達到一定程度，隨著載荷的不斷增加，開始產生塑性變形且截面尺寸不斷縮小，表現為頸縮現象。實質上是SRF在拉伸過程中，其分子鏈出現相對滑動，克服范德華力等阻力，最終導致試件破壞。實驗研究發現，SRF力學性能在很大程度上取決于其泡孔結構。在拉伸應力作用下，泡孔結構沿軸向拉伸方向呈扁平狀。當外界載荷達到一定程度時，有些相鄰泡孔之間的泡孔壁開始出現斷裂，多個泡孔融為一體而形成一個大的泡孔，試件在拉伸后的SEM照片如圖1所示?？梢钥闯?，沿軸向加載方向在試件拉伸截面有明顯的撕扯痕跡，并且殘留著泡孔壁拉伸斷裂的碎片。

2.1.2 SRF的拉伸回溫效應

基于溫度效應對SRF拉伸特性的影響，來進一步探討回溫效應對材料的內部結構及力學性能的影響。對SRF拉伸試件選擇90°取向，實驗前將試樣放在電熱鼓風干燥箱內進行充分加熱，使其中心溫度達到60℃后停止加熱并冷卻至室溫（室溫為20℃）。在進行準靜態拉伸試驗過程中，加載速率均為50 mm/min，其對應的應變率為1．60×10－2s－1。SRF回溫前后的拉伸真實應力-應變曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，經回溫后SRF的拉伸強度明顯高于回溫前的拉伸強度，且隨著溫度的升高其拉伸強度會降低。這是由于SRF升溫后，其分子運動加劇，即表現為分子的熱效應，分子體積膨脹而導致泡孔壁厚度變薄。同時，由于克服范德華力作用分子鍵斷裂，而使拉伸強度降低。在冷卻到室溫的過程中，分子的體積不斷縮小以及分子間分子鍵重組，而且彈塑性變形增加，分子間的相互作用力增強，從而提高了材料的拉伸強度。

圖1 SRF拉伸試件的SEM照片Fig．1 SEM image of SRF tensile specimen

圖2 SRF 回溫前后的拉伸真實應力-應變曲線Fig．2 The real tensile stress-strain curves of SRF before and after the temperature cyclec

2.2 RPUF回溫后的拉伸性能

2.2.1 實驗現象

對回溫后的2種不同密度RPUF進行準靜態拉伸，其破壞截面的SEM照片如圖3示。通過對RPUF的泡孔結構觀察可發現，RPUF是由大量泡孔構成的三維網絡結構，而泡孔又是泡沫塑料的基本組成單元。各泡孔之間無規則緊密排列，且均由基本材料組成的薄層結構，低密度RPUF孔徑范圍為80～160μm，胞體呈多面體結構，高密度RPUF孔徑范圍為120～200μm，胞體呈球體結構。低密度泡沫塑料在回溫后的拉伸載荷作用下，泡孔壁的撕扯現象表現得更為強烈，泡孔壁的厚度明顯變薄。泡沫塑料在整個回溫過程中，由于受到熱脹冷縮的作用，泡孔的彈塑性變形會有所增加。由圖3（b）可以觀察到，高密度RPUF的泡孔結構表面有很多斷裂后殘留的碎屑，從而說明了高密度RPUF的拉伸斷裂屬于脆性斷裂。

圖3 回溫后RPUF拉伸斷面的SEM照片Fig．3 SEM images of the strectched sections of RPUF after the temperature cycle

圖4 RPUF 回溫前后的拉伸真實應力-應變曲線Fig．4 The real tensile stress-strain curves of RPUF before and after the temperature cycle

2.2.2 RPUF的拉伸回溫效應

為了研究RPUF在回溫后的拉伸力學性能，實驗選取了2種不同密度的RPUF材料進行準靜態拉伸。其中，加載速度均為5 mm/min，相應的應變率為1．67×10－2s－1。圖4為RPUF 的拉伸真實應力-應變曲線，可以看出，隨溫度升高RPUF的拉伸強度和彈性模量均降低，即使回溫后，拉伸強度和彈性模量相對初始狀態也有所降低。但對于低密度RPUF，其彈性變形階段會有所增加，導致屈服階段向后延遲；而高密度RPUF受回溫效應的影響較為明顯，在拉伸加載下表現出明顯的非線性應力應變特性。這是因為隨溫度升高，RPUF泡孔內的氣體分子運動比較活躍，表現為其分子的熱效應；同時，在加熱過程中，泡孔會發生體積膨脹，增大了分子間的自由空間，表現為其分子的體積膨脹效應。這2種效應在一定程度上減小了分子間作用力，從而影響了RPUF的拉伸力學性能。當溫度回到室溫后，氣體活躍性再次降低，泡孔體積縮小，但由于升溫過程中部分分子鍵遭到破壞，分子間作用力削弱，導致回溫后的拉伸強度相對初始強度有所降低。此外，低密度和高密度RPUF在拉伸破壞處臨界時刻Y方向應變云圖，如圖5所示。

圖5 RPUF拉伸的臨界時刻Y方向應變云圖Fig．5 Tensile strain contour in the Y direction at the critical moment of RPUF

從應變云圖中可以看出，低密度RPUF在拉伸臨界時刻的Y方向應變為0．037，要稍大于高密度RPUF臨界時刻的Y方向應變0．025。從而再次驗證了低密度RPUF材料具有黏彈性，其斷裂屬于韌性破壞；而高密度RPUF為脆性斷裂。此外，試件經加熱處理后，內部泡孔發生膨脹變形，而由于試件本身的設計——端部向中部過渡時橫截面突變，回溫過程中由于內外溫差的影響以及材料自身導熱系數較低等緣故導致在試件中下部的過渡區變形較大，通常在距試件中部2/3處容易斷裂。

2.3 SRF回溫時的壓縮性能

2.3.1 實驗現象

通過圖6可以看到，SRF的泡孔相當密集而且排列無序，有些相鄰泡孔之間的泡孔壁有明顯的斷裂痕跡。這是由于加載過程中，泡孔體積縮小，內部壓強增大而最終使泡孔壁擠破，從而這些相鄰的泡孔會因泡孔壁的破壞而融合成一個大的泡孔。還有一些兩泡孔之間的泡孔壁雖未發生斷裂破壞，但卻發生了相互折疊?？梢娕菽柘鹉z在壓縮過程中主要發生2種破壞：一是泡孔的變形使相鄰泡孔之間的泡孔壁受到橫向拉應力的作用而發生破壞；另一種是相鄰泡孔之間的泡孔壁發生相互疊加而造成的破壞。

圖6 SRF在回溫后的壓縮SEM照片Fig．6 SEM image of compressed SR after temperature cycle

2.3.2 壓縮回溫效應

為了研究SRF在回溫后的壓縮力學特性，分別與其在室溫（20℃）、60℃條件下的準靜態壓縮試驗進行對比。試樣取向為90°，尺寸為50 mm×50 mm× 50 mm，加載速率為50 mm/min，對應的應變率為1．67×10－2s－1。SRF在以上3種不同溫度條件下的壓縮真實應力-應變曲線，如圖7所示。在室溫（20℃）和60℃時，其彈性階段和屈服階段的力學性能基本相似，并且隨溫度的升高其壓縮強度呈下降趨勢；回溫后，應力隨應變增加而急劇上升，而且材料的彈性模量有一定的提高，但屈服現象不是很明顯。在回溫的過程中，由于溫度的降低而使泡孔體積縮小，泡孔壁厚度逐漸恢復，但由于加熱過程中已經使材料內部產生了殘留預應力，從而使材料的壓縮強度相對增強。此外，SRF壓縮過程的膨脹應變云圖如圖8所示，可以看出在試件中間紫色區域（A）橫向膨脹應變（壓縮應變為負值）最大量，云圖中的綠色區（B）域與紅色區域（C）表示上下兩端縱向壓縮應變最大量。由于材料本身的對稱性和泊松效應的影響，通常在其中性面的左右兩端膨脹應變最大。當膨脹應變達到材料的極限膨脹應變時，最終側面由于應力集中被壓潰。

圖7 SRF 回溫前后的壓縮真實應力-應變曲線Fig．7 The real compressive stress-strain curves of SRF before and after the temperature cycle

圖8 SRF試件壓縮過程膨脹的應變云圖分布Fig．8 The distribution of swelling strain contour of a SRF specimen during compression

2.4 RPUF回溫時的壓縮性能

2.4.1 實驗現象

回溫后的2種不同密度的RPUF在壓縮載荷作用下發生破壞后，破壞截面的SEM照片，如圖9所示。從圖中可以看出，低密度RPUF的泡孔結構已發生深度變形，本來一個個排列緊密，形似碗口狀的泡孔結構在壓力載荷作用下，其邊緣和孔壁表現為明顯的彎曲變形和重合折疊。而對于那些變形不是特別明顯的泡孔，從細觀層次而言，卸載后試件所發生的一定程度的回彈性變形可能與那些未發生明顯塑性變形的泡孔結構有一定的內在聯系，或正是由于這些泡孔黏彈性而改變了材料的宏觀結構。高密度RPUF破壞形貌表現得更為直觀，本來呈均勻球體結構的泡孔結構幾乎被完全壓潰，與低密度RPUF表現明顯不同的是其孔壁壓潰之后表現為邊緣折斷和孔壁碎裂，并有較多的碎屑彌散其間。同時，也再次驗證了高密度RPUF的脆性斷裂特性。

圖9 回溫后RPUF壓縮的SEM圖像Fig．9 SEM images of the compressed RPUF after the temperature cycle

2.4.2 壓縮回溫效應

與拉伸性能相同，為研究RPUF在壓縮力學性能下的回溫效應，在同一應變率條件下分別對其在溫度循環中室溫（20℃）、60℃和回溫后（20℃）3個臨界溫度進行準靜態壓縮實驗。其中，圖10（a）是試件取向為45°，加載速率為5 mm/min，尺寸為100 mm×100 mm× 50 mm的低密度RPUF 的壓縮真實應力-應變曲線；圖10（b）是試件取向為0°，加載速率為5 mm/min，尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的高密度RPUF的壓縮真實應力-應變曲線。由圖可知，回溫效應可以降低RPUF的壓縮強度，并且延長了了材料的屈服臺階，但對壓縮彈性模量影響不大。此外，對于低密度RPUF，回溫效應不僅增加了材料彈性變形階段，而且還提高了其屈服強度；對于高密度RPUF，其屈服臺階相對初始狀態有明顯延長，而且應變增加，表現出明顯的塑性變形。

RPUF試件壓縮過程膨脹的應變云圖分布如圖11所示?？梢钥吹?，低密度和高密度RPUF的膨脹應變均有明顯的分層。其中，紅色區域（C）表示橫向膨脹應變最大，紫色區域（A）表示縱向壓縮應變最大。由于在軸向加載的過程中會產生泊松效應，自試件中部向左右兩側逐漸產生橫向膨脹變形，同時在縱向也會產生壓縮應變。因此，通常在試件中間層兩端部分的橫向膨脹應變最大，上下兩端壓縮應變最大。但由于低密度材料泡孔較多、密度小、彈塑性較好的緣故而不易從側面開裂；相反，高密度RPUF屬于脆性材料，而膨脹變形又容易使側面應力較為集中，所以往往會從左右兩側面開始產生裂紋，最終由多條裂紋相互貫通而被壓潰。

圖10 RPUF 回溫前后的真實壓縮應力-應變曲線Fig．10 The real compressive stress-strain curves of RPUF before and after the temperature cycle

圖11 RPUF試件壓縮過程膨脹應變的云圖分布Fig．11 The distribution of swelling strain contour of a RPUF specimen during compression

3 結論

（1）在準靜態拉伸試驗中，發現回溫效應可以提高SRF和RPUR的抗拉強度，但也會降低材料的彈性模量；從整個回溫過程中來看，拉伸強度都會隨溫度變化呈反向趨勢變化；此外，SRF的拉伸強度受回溫效應影響最為明顯，而低密度RPUF的拉伸強度所受影不大，但對彈性模量卻有顯著影響，并表現出明顯的線性應力-應變特性；高密度RPUF 表現出明顯非線性應力-應變特性和一定的屈服現象；

（2）在準靜態壓縮試驗中，SRF的破壞形式主要有2種：一是泡孔的變形使相鄰泡孔之間的泡孔壁受到橫向拉應力的作用而發生破壞；另一種是相鄰泡孔之間的泡孔壁發生相互疊加而造成的破壞；

（3）回溫效應對SRF的壓縮強度有一定的提高，而對RPUF的壓縮強度會有所削弱；此外，低密度RPUF的彈性變形和屈服強度也有一定的提高；高密度RPUF的屈服臺階相對延長，壓縮應變增加，局部還有明顯塑性形變的特點，而對于SRF卻沒有明顯的屈服現象。

［1］伍壁超，盧玉斌．泡沫硅橡膠力熱響應特性的實驗研究［J］．高分子材料科學與工程，2015，31（11）：130-131．Wu Bichao，Lu Yubin．Thermal and Mechanical Response Characteristics of Silicone Rubber Foam［J］．Polymer Materials Science and Engineering，2015，31（11）：130-131．

［2］龐海燕，敬仕明，溫茂萍，等．溫度對聚氨酯泡沫材料力學性能影響的研究［J］．測試技術學報，2002，16（2）：1121-1124．Pang Haiyan，Jing Shiming，Wen Maoping，et al．Study on Effect of Temperature on Mechanical Properties of Polyurethane Foam［J］．Journal of Test and Measurement Technology，2002，16（2）：1121-1124．

［3］黃艷華，蘇正濤，任玉柱，等．乙基硅橡膠低溫性能的研究［J］．有機硅材料，2008，22（6）：357-359．Huang Yanhua，Su Zhengtao，Ren Yuzhu，et al．Study on Low Temperature Properties of Ethyl Silicone Rubber［J］．Organosilicone Material，2008，22（6）：357-359．

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［5］Marcondes J，Hatton K，Graham J，et al．Effect of Temperature on the Cushioning Properties of Some Foamed Plastic Materials［J］．Packaging Technology and Science，2003，16（2）：69-76．

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Effect of Temperature Cycle on Quasi-static Mechanical Behavior of Representative Foam Plastics

JIANG Wei1，LU Yubin1*，SU Shi1，YU Kunling2
（1．College of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2．Beijing RuiTuo Technology Co，Ltd，Beijing 100025，China）

The quasi-static tensile and compression tests of temperature-cycling treated silicone rubber foam（SRF）and rigid polyurethane foam（RPUF）were conducted to investigate the effect of temperature cycle on their mechanical properties by three-dimensional digital speckle dynamic deformation techniques．The results indicated the tensile strength of SRF and high-density RPUF were influenced by temperature cycle more significantly compared with low-density RPUF in the quasi-static tensile process，which led to a remarkable improvement in tensile strength．In the case of SRF，the compressive strength and Young’s modulus were improved remarkably，and the elastic deformation was also increased to some extent．However，its yield phenomenon was not so evident．In the case of low-density RPUF，the temperature-cycling treatment led to an improvement in yield stress but resulted in shortening of yield stage and a decrease in plastic deformation．As for the high density RPUF，not only the elastic deformation was improved，but the yield stage was also extended due to the temperature-cycling treatment．However，its loading capability to pressure was reduced in the quasi-static compression process．

silicone rubber foam；rigid polyurethane foam；effect of temperature cycle；stress distribution

TQ328．3

B

1001-9278（2017）01-0036-07

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．007

2016-10-01

NSAF聯合基金（U1430110）；西南科技大學研究生創新基金項目（14ycx119）

*聯系人，yubinluzju＠hotmail．com