高韧性酚醛泡沫的研究.docx

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高韧性酚醛泡沫的研究

短纤维增强酚醛泡沫塑料的力学特性

摘要:

纤维增强酚醛泡沫塑料力学性能的特点与非增强泡沫在脆性，压缩和剪切性能，以及简易的夹层梁的抗弯性能等方面进行比较。

与传统的酚醛泡沫相比，芳纶纤维增强泡沫具有显着低脆性，高抗开裂，多向性的行为，而玻璃纤维增强泡沫是明显更强硬。

增强酚醛泡沫芯夹层结构具有独特的破坏性状，这种结构是灾难性的，但她可以完全避免。

通过本文的研究结果，再加上先前的结论表明增强酚醛泡沫是一种防火的，坚韧和低成本的具有潜力的工程材料。

1介绍

酚醛泡沫塑料具有优良的防火性能，包括低可燃性，低的热释放速率峰值（PHRR），在燃烧过程中无水蒸汽，低烟密度和毒性。

此外，它是市面上最便宜的聚合物泡沫材料之一。

因此，酚醛泡沫接收防火性能是至关重要的的,如运用于建材，交通运输和军用飞机，舰艇，多领域。

然而，因为极端的脆性，酚醛泡沫结构的应用已极为有限。

在过去的几十年的，经过无数的努力，都想使酚醛泡沫强硬[1]，但完全没有成功。

我们在最近出版的[2]，短纤维增强酚醛泡沫表现较强抗剥离性的非增强泡沫增长7倍，证明了这种方法的的实验性，以加强在不降低防火性能的酚醛泡沫塑料的断裂韧性。

在本文中，我们描述了更广泛的特性，增强酚醛泡沫塑料的力学性能，包括脆性

压缩，剪切和弯曲性能作为关键。

目前，聚氯乙烯（PVC）和聚氨酯泡沫夹心内核在结构应用普遍的选择。

PVC发泡是僵硬和强大的的相对于大多数其他泡沫，而聚氨酯泡沫具有中等刚度和易于加工。

两种泡沫夹芯材料被广泛用作。

然而，聚氨酯泡沫是易燃，在燃烧过程中产生的有毒烟雾。

PVC发泡虽然具有相对较低的可燃性，在燃烧条件下释放有毒含卤气体。

由于材料易燃，烟密度和毒性（FST）的标准低于全球日益严格，传统的结构泡沫的限制可能的妨碍其继续使用。

因此，本文的是关于PVC和聚氨酯泡沫增强酚醛泡沫的防火阻燃，无毒防火关键结构应用的替代的研究，以评估其潜力。

2实验

2.1材料和试样的制备

使用专利配方的在我们的实验室的合成酚醛泡沫样品[3]和正在申请专利的技术[4]，在以前的出版物的所述[2]。

本文中使用的增援短纤维芳纶纤维（Nomexw，从杜邦公司）和Eglass纤维（欧文斯-康宁公司），用6.4毫米（1/4英寸）的印章长度。

除另有规定外，所有的形式制作的实现了密度为80kg/m3的（5光子晶体光纤，每立方英尺）。

在此密度，非增强的酚醛泡沫细胞的大小是100毫米。

通常情况下，泡沫板，去除板坯试样取样。

最后，获得了所需的尺寸与金刚石锯片带锯切片。

切削方向具有尊重的泡沫上升方向给予特别关注。

样品尺寸进行选择，以符合不同的测试ASTM标准。

万能试验机（英斯特朗1330）在按照ASTM标准进行机械测试（脆性试验除外）。

至少有三个重复为每个试样进行了测试，结果所有的平均值95％的信心复制。

2.2脆性试验

脆性测定用滚筒进行.根据ASTMC421。

对于每个试样，剪裁12个边长25.4毫米（1英寸）的泡沫立方体边长19.0毫米（3/4英寸）的立方体二十四个橡木混合。

样品测​​定到毫克翻滚之前和之后的准确性。

在此之前，每个泡沫立方体用压缩空气清洗，以除去表面的灰尘。

翻滚的时间是10分钟60转，按标准规定。

每个试样的图像之前和之后的测试记录。

2.3压缩试验

压缩测试是根据ASTMD1621。

两个不锈钢压板，30平方毫米，25.4毫米厚的标本，被压缩负荷与十字头速度为0.5毫米/分钟（0.02/分钟）应用。

初始应力-应变曲线最陡的斜坡，并采取了压缩模量，强度最大负荷（10％）的应变范围，确定。

2.4剪切试验

搭接剪切试验是按照行业标准执行，BPS的D-124[5]，ASTMC273以及。

图1所示的测试配置和试样几何。

泡沫标本保税不锈钢板，具有快速固化环氧胶粘剂。

剪切夹具连接到一个引伸提供精度可达一微米平面剪切变形的措施。

剪切模量作为初始坡度最陡的应力-应变曲线，峰值应力值强度。

2.5四点弯曲夹心弯曲试验

根据ASTMC393短三明治梁四点弯曲试验弯夹心四点弯曲试验。

与的铝表面与环氧胶膜泡沫芯夹层梁标本制作。

类似的制造技术已在文献报道。

[6]，取得令人满意的结果。

底部和顶部的饰面，1毫米厚的铝见2024T3表，其中有73.2GPA一个年轻的弹性模量和极限抗拉强度的75兆帕[7]。

测试配置和几何如图2所示。

泡沫芯材的剪切性能，确定使用的关系，采用来自编号[8]。

特别的泡沫芯材的剪切模量由下式给出

的泡沫芯材的剪切强度

其中，P最大是最大的作用力。

公式

（1）和

（2）从经典夹层梁理论[9]推导出，其中包括一些相对较软的核心和集中载荷[10,11]，可导致在夹层结构的重大错误的假设。

然而，由于简单的形式，从经典理论推导的算法，它们被广泛应用于工程设计和分析[8,12]。

每四点弯曲试样的作用力与跨中挠度曲线，然后从曲线中提取的初始坡度最陡的最大作用力。

逆斜率值，即C;用来计算泡沫芯材的剪切模量，剪切试验结果进行比较的目的。

夹心核心断口进行期间有KEYENCEVH-8000数字显微镜的考验。

3结果与讨论

3.1松散

脆性是一个低密度泡沫材料的重要属性，计量，质量损失，由于表面耐磨和冲击损伤。

为低于100kg/m3的密度酚醛泡沫，脆碎度是如此之高，在生产和应用中出现严重问题。

例如，

据报道，酚醛泡沫塑料脆性导致粉尘污染，在生产领域和其他材料结合的困难。

在服务应用程序的震动也会造成限制，往往妨碍其在结构应用中的使用，即使是最温和的承重问题要求。

酚醛泡沫塑料易碎性被认为是源于脆性材料[13,14]。

因此，脆性问题是一个简单的方法，以提高酚醛泡沫的韧性。

脆性试验结果如图3。

此外，芳纶纤维，酚醛泡沫塑料脆性的一个显着的改善结果表明。

质量损失下降25％，纯酚醛泡沫，复合泡沫为10％芳纶纤维，五倍跌幅小于5％。

戏剧性的改善意味着，一个增加钢筋泡沫的韧性与脆性变化。

这种说法是最近的一次调查中的泡沫复合材料的断裂行为的支持，导致纤维增强韧性[2]在大幅提升。

泡沫抵抗断裂的能力密切相关易碎，其中包括磨损和反复轻撞击事件引起的微裂缝。

由于泡沫脆性降低，样品的形状保持提高，如图4所示。

芳纶纤维增强泡沫立方体的形状是由脆性试验（图4（b））大致维持不变。

相比之下，加筋泡沫样品表现出明显的边缘四舍五入（图4（c））。

复合酚醛泡沫的脆性性能也超过了商业的聚氨酯泡沫，估计的11.1％的质量损失（65密度kg/m3，4PCF）的性能[18]。

纤维类型对脆性的影响是显而易见的，当研究玻璃纤维增​​强泡沫的行为。

如图减肥行为。

3，相应的样本图像如图4。

令人惊讶的是，结果显示玻璃纤维增​​强泡沫和加筋泡沫之间没有显着差异。

因此，玻璃强化改善脆性是无效的，而芳纶纤维是非常有效的。

这些意见是一致的剥离强度测量以前的报告，其中芳纶纤维更有效提高泡沫的韧性比玻璃纤维[2]类似的负荷。

3.2压缩

压缩条件下的蜂窝材料的变形行为已得到了很好的阐述和分析[15]。

像大多数的塑料泡沫，酚醛泡沫具有抗压试验时，受到一个多阶段的变形响应。

图。

5，压应力应变响应的初始显示部分（株，占20％）。

这是的最适合工程应用的有关部分，包含压缩模量和强度的关键参数。

从几个压缩试验数据表1总结。

当压缩力施加发泡方向平行，模量的5％（重量）芳纶纤维与酚醛泡沫是略高于加筋对口低，但强度较高。

此外，芳纶纤维（含10wt％）。

提高弹性模量，但它不超过加筋泡沫模。

然而，玻璃纤维添加剂表明在压缩性能的更大的提高。

5WT％玻璃纤维的加入导致了酚醛泡沫塑料的模量和强度的适度增加。

当负载增加一倍至10WT。

％，弹性模量上升到几乎两倍为加筋泡沫的价值，这是伴随着实力在增长31％。

玻璃纤维增​​强抗压性能的有效性超过芳纶纤维，拉伸性能报告了类似的趋势[2]。

虽然这种现象可以部分归因于比较与芳纶纤维玻璃纤维的刚度相对较高[16]，主要原因是沿发泡方向的程度更高的玻璃纤维取向。

这种说法是支持压缩力垂直发泡方向的测试。

在这些测试中，复合泡沫的反向趋势，芳纶纤维加固是比玻璃纤维在横向荷载作用更有效。

泡沫性能和正交轴向负荷方向的变化反映在纤维取向的差异，从而各向异性在本研究制备的酚醛泡沫的所有现存的。

吉布森和Ashby[15]指出，大多数泡沫，尤其是开模过程中产生的，在发泡和横向方向的各向异性。

可能会出现两个独立的因素，结构和材料的各向异性。

使用拉长立方米泡沫细胞模型，他们得出的杨氏模量的各向异性比单独依赖结构的各向异性，并发现

其中EK是衡量并行发泡方向的泡沫，年轻的弹性模量E“是的杨氏模量垂直发泡方向，和R为的形状各向异性比，定义为”单元格高度比（衡量泡沫方向）单元格的宽度（横向）。

这种关系得到了开孔泡沫，可能是有效期为闭孔泡沫时，细胞膜弱泡沫模的贡献可以忽略不计。

使用框架如上所述，泡沫模量的各向异性比进行了计算和表1中列出。

值显示，芳纶纤维增强酚醛泡沫塑料是近各向同性，EK=E“接近1，而其他的泡沫大幅各向异性。

报告聚氨酯泡沫细胞的形状各向异性比约为1.2[15]，并插入此式中的R值。

（3）产量EK=E“1.82。

这个估计是接近实测值见表1日报道，表明聚氨酯泡沫的表现像一个开放式泡沫。

如果关系（3）纯酚醛泡沫是有效的，形状各向异性比R应该是1.25。

然而，物业各向异性纤维增强泡沫，应该源于材料的各向异性，以及结构性来源。

纤维的存在可能会修改在泡沫细胞形成的过程，从普通的泡沫，泡沫细胞形态改变。

同时，纤维在泡沫可能获得择优取向和非均匀分布，从而导致泡沫性能的各向异性。

然而，另一种可能性是，芳纶纤维可能会经历一个“微型剥离的过程[2]在泡沫变形，造成局部应力松弛和减少加载方向的敏感性。

目前，钢筋泡沫的各向异性性质的起源这些说法在很大程度上是投机和未经证实的。

这个问题的调查，目前正在进行中，需要有关纤维取向的详细信息分布和细胞形态的在低密度钢筋泡沫。

然而，从表1的数据可以用来与其他市售的聚合物泡沫酚醛泡沫塑料。

一般来说，酚醛泡沫塑料是严厉的（具有较高的弹性模量），比在相同的密度聚氨酯泡沫，但不能作为PVC发泡僵硬。

虽然

加筋酚醛泡沫塑料的抗压强度低于聚氨酯和PVC发泡，增强酚醛泡沫达到的水平相当的实力。

这表明，纤维增强酚醛泡沫可以与这些结构性泡沫在某工程中的应用，尤其是那些需要防火性能的应用程序的竞争。

3.3剪切

夹心核心体验设计，主要是剪切应力[8]。

因此，剪切性能是其中最重要的核心材料夹层结构的选择标准。

评估酚醛泡沫在这种结构的应用潜力，剪切性能进行了测试，并在表2总结。

也显示了一些典型的剪切应力-应变曲线图6。

增强酚醛泡沫塑料均显示较高的剪切模量，比未增强的泡沫，和抗剪强度与加筋泡沫。

然而，玻璃纤维增​​强材料，再次产生剪切刚度比芳纶纤维在相同的光纤负载的同行更大的提高。

添加更多的纤维，有助于剪切模量和剪切强度显着提高。

在压缩性能的趋势一样，所有的酚醛泡沫塑料的剪切模量之间的聚氨酯和聚氯乙烯泡沫，而抗剪强度比均较低。

表2中的所有泡沫的数据表明，在飞机上正常的发泡方向的一贯强大的剪切阻力。

然而，剪切性能不太敏感，在泡沫细胞结构的各向异性，由Gibson和Ashby[15]假设。

GK=G“，剪切模量的各向异性，一个类似指数的计算方法见表2。

聚氨酯泡沫几乎是各向同性的剪切性能。

芳纶纤维增强酚醛泡沫塑料，泡沫的展品最少的各向异性，而加筋泡沫是最各向异性，玻璃纤维增​​强泡沫之间。

然而，在增强和非增强泡沫之间的弹性模量的各向异性的差异很小，表明酚醛泡沫塑料的剪切性能的各向异性敏感材料的各向异性。

正如图所示6。

芳纶纤维增强酚醛泡沫塑料显示有别于其他泡沫的独特的断裂行为。

其他泡沫材料，包括玻璃纤维之一，展现出经典的脆性断裂的最大负荷下，伴随着相当大的压力突然下降接近零，在应力-应变曲线。

然而，芳纶纤维增强泡沫表现在应力平稳下降后，在剪切应力-应变曲线的高峰。

如下的峰值应力在应力平稳下降，继续高应变水平。

事实上，剪切试验没有完全打破了芳纶纤维增强泡沫塑料标本，尽管高达50％的菌株。

虽然不能完全理解这种独特的断裂行为的机制会计，明显的抗剪切载荷和增强韧性是由于在泡沫相对灵活的芳纶纤维架桥影响。

类似的公设已经给予抗剥离性芳纶纤维增强酚醛泡沫[2]。

此外，夹层梁弯曲测试中遇到了类似的现象，其中纤维图像裂纹的桥接唤醒，用显微镜捕获。

下面的结果进行了讨论。

3.4夹心核心曲

不同的内核三明治梁的抗弯性能被描绘图7。

这表明总负荷与不同曲线梁的5％（重量）芳纶纤维增强酚醛泡沫核心的行为，是有别于其他材料。

不同于其他的横梁，承载能力大幅下降，其中展出初始故障发生后，芳纶纤维增强泡沫夹芯梁维护甚至损害开始后承重能力，一直持续到更高的载荷​​和挠度。

在400轻微的负载下降n对应轻微裂缝，在泡沫芯（图8（a）），代表开始芳纶纤维增强酚醛泡沫塑料的剪切破坏。

然而，由于以前在剪切试验，裂纹是稳定的，不会因为沿裂纹唤醒（图8（b））纤维桥接迅速传播。

因此，核心的优越的抗剪切开裂损坏，导致“强硬”的三明治结构，不会出现灾难性的崩溃。

相反，结构恢复能力进行负载，负载大幅增加，光束偏转。

此功能表示容忍损害和夹层结构的灾难性故障的风险显着降低纤维增强泡沫芯材的潜力。

结构元素，以避免灾难性的崩溃的传统方法是增加安全系数设计[17]，导致过度设计，不必要的成本，和材料的浪费。

可避免这种浪费，如果增强泡沫夹层结构的芯材使用的

泡沫芯材的剪切性能均来自夹层梁弯曲测试得到的荷载-挠度关系，这些都是在表3中所列。

一般来说，数据显示的趋势与剪切试验结果的模可比看到的一致，而优势是低于聚氨酯泡沫。

短夹层梁的试验可能产生较高的剪切强度值比普通的剪切试验，因为面对张可进行剪切载荷的相当一部分[12]。

这种皮肤“加强”的影响进行审查表3从常规剪切试验数据计算束流测试结果相对偏差。

作为值显示，效果会导致在酚醛泡沫塑料的优势明显增加，但聚氨酯泡沫芯的实力相差是在实验误差可以忽略不计，表明无皮肤强化效果。

然而，剪切模量的值，短梁的试验结果是一贯比搭接剪切试验。

这种明显的差异可以归因于公式的固有缺陷

（1）用于计算剪切模量，这是基于经典三明治理论[9]。

sokolinsky等[11]最近报道，在一个相对较软的核心的情况下，

经典的三明治理论低估了剪切刚度高达20％。

低密度聚合物泡沫，通常有2-4级低于金属或复合材料刚度的订单，并与金属或复合皮夹心内核一起使用时，他们的言行举止作为'软'的核心。

因此，必须引入一个校正因子的剪切试验结果，以报告的准确值确定的剪切模量的计算公式。

这代表一个理论家夹层结构力学问题的工作挑战。

4结论

对复合酚醛泡沫的脆性，压缩和剪切性能进行了测定，并讨论在不同的纤维增强效果。

一般来说，纤维加固，提高各方面考虑的酚醛泡沫性能。

复合酚醛泡沫超越市售聚氨酯泡沫塑料的性能，在同等密度。

芳纶纤维添加剂，显着增强的韧性，降低脆性，改善酚醛泡沫的财产各向同性。

另一方面，玻璃纤维，提供显着的刚性和加强，特别是在泡沫上升方向的影响，。

纤维增强材料所取得的不同影响，意味着明智的选择，最佳比例的纤维添加剂可以生产，坚韧，阻燃，强和各种结构的应用负担的结构性泡沫。

然而，有几个问题可以宣告成功之前，仍有待调查。

首先，纤维加固效果较为完整的研究，必须进行量化的纤维特性，纤维长度，纤维负荷，泡沫纤维界面粘接的影响。

二，机械模型预测复合泡沫的行为和属性的能力是必要的。

该模型应纳入基本参数，如纤维强度/刚度，纤维长度，纤维负荷，方向，和泡沫密度。

第三，更广泛的表征需要来确定的化学，物理和增强酚醛泡沫塑料的力学性能。

最后，在技术进步，光纤的色散复合发泡技术的商品化和实施将起到至关重要的作用。

致谢

作者衷心感谢的C.吉尔基金会Merwyn的支持。

作者还感谢他的贡献脆性试验二的麦凯布先生。

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