聚氨酯泡沫塑料的疲劳性能研究

聚氨酯材料简介第五组：李春斌杨琳燦关凯2014年4月7日聚氨酯材料简介摘要：聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。

产品应用领域涉及轻工、化工、电子、纺织、医疗、建筑、建材、汽车、国防、航天、航空等。

本文从聚氨酯的微观结构开始入手分析，得出聚氨酯的主要性能，然后根据这些性能，列举了四个具体的聚氨酯材料的实际应用：鲨鱼皮泳衣、聚氨酯鞋底、聚氨酯涂料和聚氨酯胶黏剂。

关键字：聚氨酯；结构；性能；实际应用聚氨酯是指分子结构中含有许多重复的氨基甲酸酯基团（）的一类聚合物，全称为聚氨基甲酸酯，简称PU。

聚氨酯根据其组成的不同，可制成线型分子的热塑性聚氨酯，也可制成体型分子的热固性聚氨酯。

前者主要用于弹性体、涂料、胶黏剂、合成革等，后者主要用于制造各种软质、半硬质、硬质泡沫塑料。

聚氨酯于1937年由德国科学家首先研制成功，于1939年开始工业化生产。

其制造方法是异氰酸酯和含活泼氢的化合物（如醇、胺、羧酸、水分等）反应，生成具有氨基甲酸酯基团的化合物。

其中以异氰酸酯与多元醇反应为制造PU的基本反应，其反应式为：反应属于逐步加成聚合，反应过程中没有小分子副产物生成。

如异氰酸酯或多元醇之一有三个以上的官能团，则生成立体的网状结构。

一、合成聚氨酯的基本原料合成聚氨酯的基本原料为异氰酸酯、多元醇、催化剂以及扩链剂等。

（1）异氰酸酯异氰酸酯一般含有两个或两个以上的异氰酸酯基，异氰酸酯基团很活泼，可以跟醇、胺、羧酸、水等发生反应。

目前聚氨酯产品中主要使用的异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯（TDI）、二本基甲烷二异氰酸酯（MDI）和多亚甲基对苯多异氰酸酯（PAPI）。

TDI主要用于软质泡沫塑料；MDI可用于半硬质、硬质泡沫塑料机胶黏剂等；PAPI由于含有三个官能度，可用于热固性的硬质泡沫塑料、混炼以及浇注制品。

（2）多元醇多元醇构成聚氨酯结构中的弹性部分，常用的有聚醚多元醇和聚酯多元醇。

泡沫材料的力学性能研究作为一种常见的轻质材料，泡沫材料具有良好的隔热性和吸能能力，被广泛应用于建筑、交通工具和电子设备等领域。

然而，对于泡沫材料的力学性能研究并不充分，这限制了其进一步的应用。

因此，研究者们开始着手探究泡沫材料的力学性能，以期能够深入了解其性质，从而改进工程应用，并指导设备设计。

首先，泡沫材料的强度是力学性能研究的一个重要方面。

强度主要包括拉伸强度和压缩强度两个方面。

拉伸强度是指材料在承受拉伸力下所能承受的最大应力。

研究表明，泡沫材料的拉伸强度与其泡沫结构有着密切关系。

泡沫结构的均匀性和孔隙度等因素都会影响材料的强度。

此外，泡沫材料的压缩强度也引人关注。

压缩强度是材料在承受压缩力时所能承受的最大应力。

研究表明，泡沫材料的压缩强度与材料的密度和孔隙数密切相关。

因此，通过对泡沫材料的强度进行研究，可以为工程应用提供指导和改进的方向。

其次，疲劳寿命是另一个需要关注的力学性能。

疲劳寿命是指材料在反复加载下能够保持足够强度的次数。

泡沫材料作为轻质材料，其疲劳寿命相对较短，承受颠簸和振动后容易疲劳破裂。

因此，研究者们通过改变泡沫材料的结构和物理性质，以提高其疲劳寿命。

例如，增加泡沫材料的孔隙度和减小孔隙的尺寸，可以有效减轻材料的疲劳损伤，延长其使用寿命。

此外，添加纤维增强剂等方法也被应用于提升泡沫材料的抗疲劳能力。

因此，疲劳寿命的研究对于泡沫材料的工程应用是至关重要的。

最后，泡沫材料的热稳定性也是力学性能研究的一部分。

泡沫材料的热稳定性主要包括其熔点和热膨胀系数等参数。

研究表明，泡沫材料的熔点与其化学成分和泡沫结构有关。

一些泡沫材料在高温下容易软化和分解，从而影响材料的力学性能。

因此，通过改变材料的配方和加工工艺，可以提高材料的热稳定性。

此外，研究泡沫材料的热膨胀系数也对其工程应用具有指导意义。

热膨胀系数是指材料在温度变化下体积的变化程度。

通过研究泡沫材料的热膨胀系数，可以避免由于温度变化而引起的尺寸变化，从而提高材料的使用性能。

聚合物基复合材料的疲劳性能研究在现代工程领域中，聚合物基复合材料因其优异的性能而备受关注。

这些材料在航空航天、汽车、船舶、体育用品等众多行业中得到了广泛应用。

然而，要确保这些材料在长期使用中的可靠性和安全性，对其疲劳性能的深入研究至关重要。

疲劳是指材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后，发生局部永久性结构变化，从而产生裂纹并逐渐扩展，最终导致材料失效的现象。

对于聚合物基复合材料而言，其疲劳性能受到多种因素的影响。

首先，复合材料的组分特性对疲劳性能有着显著的影响。

聚合物基体的性质，如分子量、交联度、结晶度等，会直接影响材料的韧性和强度，进而影响其抵抗疲劳破坏的能力。

增强纤维的种类、长度、直径、分布以及与基体的界面结合强度等，也在很大程度上决定了复合材料的疲劳性能。

例如，碳纤维具有高强度和高模量，能显著提高复合材料的疲劳强度；而玻璃纤维相对来说强度和模量较低，对疲劳性能的提升效果不如碳纤维显著。

此外，纤维与基体之间的界面结合强度若不够理想，在循环载荷作用下容易发生脱粘，从而加速疲劳裂纹的萌生和扩展。

其次，制造工艺对聚合物基复合材料的疲劳性能也有不可忽视的影响。

不同的成型方法，如手糊成型、喷射成型、模压成型、缠绕成型等，会导致复合材料内部的孔隙率、纤维分布均匀性等存在差异。

孔隙的存在会成为应力集中点，降低材料的疲劳寿命；而纤维分布不均匀则会导致局部强度薄弱，容易引发疲劳裂纹。

因此，优化制造工艺，减少内部缺陷，提高纤维分布的均匀性，对于改善复合材料的疲劳性能具有重要意义。

载荷条件同样是影响聚合物基复合材料疲劳性能的关键因素。

循环载荷的频率、幅值、波形以及加载方式等都会对疲劳寿命产生影响。

一般来说，高频率的循环载荷会使材料内部的热量积聚加快，加速材料的老化和损伤，从而降低疲劳寿命；而较大的载荷幅值则会使材料在较短的循环次数内就达到疲劳极限。

此外，拉伸压缩循环载荷相较于单纯的拉伸或压缩载荷，对材料的损伤更为严重，因为在拉伸压缩转换过程中，材料内部会产生更大的应力变化。

复合材料疲劳性能的实验研究在现代工程领域中，复合材料因其卓越的性能而备受关注。

复合材料具有高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等优点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等众多领域。

然而，在实际应用中，复合材料往往会承受循环载荷的作用，其疲劳性能就成为了一个至关重要的研究课题。

复合材料的疲劳性能不同于传统材料，它受到多种因素的影响。

首先，复合材料的组分和微观结构对疲劳性能有着显著的影响。

例如，增强纤维的类型、含量、分布以及基体的性能都会改变复合材料的疲劳行为。

其次，制造工艺也会对其疲劳性能产生作用。

不同的成型方法可能导致复合材料内部存在不同程度的缺陷和残余应力，从而影响其疲劳寿命。

为了深入研究复合材料的疲劳性能，我们进行了一系列精心设计的实验。

实验中，选用了常见的碳纤维增强环氧树脂基复合材料作为研究对象。

首先，对试样进行了严格的制备和预处理，以确保实验结果的准确性和可靠性。

在疲劳实验中，采用了先进的疲劳试验机，并设定了不同的加载频率、应力幅和应力比等参数。

通过控制这些参数，可以模拟复合材料在实际使用中所面临的各种疲劳工况。

在实验过程中，利用高精度的传感器实时监测试样的应变、位移等参数，并将数据传输至计算机进行存储和分析。

经过大量的实验数据积累和分析，我们发现了一些有趣的现象和规律。

首先，随着应力幅的增加，复合材料的疲劳寿命明显缩短。

这是因为较大的应力幅会导致材料内部的损伤更快地累积和扩展。

其次，加载频率对疲劳寿命也有一定的影响。

在较低的加载频率下，复合材料有更多的时间进行能量耗散和损伤修复，从而表现出相对较长的疲劳寿命。

进一步对疲劳失效后的试样进行微观分析发现，疲劳裂纹的萌生和扩展机制非常复杂。

在纤维与基体的界面处，由于应力集中容易产生微裂纹。

这些微裂纹会随着循环载荷的作用逐渐扩展，最终导致材料的失效。

此外，纤维的断裂、基体的开裂以及纤维与基体的脱粘等现象也在疲劳失效过程中起到了重要的作用。

通过对复合材料疲劳性能的实验研究，我们不仅深入了解了其疲劳行为的规律和机制，还为复合材料的设计和应用提供了重要的依据。

高回弹泡沫的耐疲劳性能研究黄旭王海迎赵怡高庆春（北京科聚化工新材料有限公司北京102200）摘要：本文对聚氨酯高回弹泡沫的静态和动态疲劳性能进行了研究,对比了不同异氰酸酯体系对泡沫疲劳性能的影响,并对产生影响的原因做了初步探讨。

关键词：高回弹泡沫；静态疲劳；动态疲劳；异氰酸酯1.前言软质泡沫聚合材料已有了数十年的发展历史,用途广阔,最主要是用于家具和运输工具的座椅垫料。

对于需要在应力作用下长时间地反复震动的汽车坐垫来讲，疲劳性能是检验其耐久性的一个重要指标，也是各个汽车OEM要求的一项重要物理性能指标[1]。

其评价方法主要有厚度损失和硬度损失，不同厂家的疲劳方法和测试项目略有不同，但基本与ISO 3385和ASTM D3574的方法类似。

ISO 3385规定的疲劳测试为：恒定应力750±20N下，连续重击压缩80000次，平均每分钟70±5次，测试项目包括：硬度损失和厚度损失。

ASTM D3574规定的疲劳测试还包括了静态疲劳的测试即在恒温恒湿下的压缩变形测试，从静态和动态两方面更为全面的表征泡沫的耐久性能。

目前国内外大部分的汽车主机厂对座椅泡沫提出了耐久性能尤其是动态疲劳性能的要求，如下表所示[2]：表1 部分汽车主机厂的泡沫疲劳性能要求ISO 3385测试后福特公司通用公司本田公司丰田公司厚度损失≤/% 5 4-6 5 5 40%压陷硬度损失≤/% 25 15-30 15-30 15-25 影响高回弹泡沫疲劳性能的因素很多，其中包括异氰酸酯组分[3]。

本工作对比了不同异氰酸酯体系——改性MDI、MT和TM体系对泡沫疲劳性能的影响，从静态和动态疲劳两方面来表征泡沫耐久性能，并对泡沫疲劳的机理进行了初步探讨。

2.实验部分2.1 实验原料聚醚多元醇,羟值为35 mgKOH /g；聚合物多元醇,羟值为28 mgKOH /g,天津石化三厂；改性MDI WANNATE 8001, WANNATE 8223，WANNATE 7025与聚合MDI PM200，NCO质量分数分别为29.3%, 32.4%，36.0%，31.2%，烟台万华聚氨酯股份有限公司；TDI 80，NCO质量分数为48.3%，拜耳公司；另外采用了醇胺类交联剂、B8715 硅油和胺类催化剂等。

塑料的抗疲劳性与使用寿命研究随着塑料制品在日常生活和工业领域中的广泛应用，对塑料的性能和使用寿命的研究变得越来越重要。

其中一项关键性能指标就是塑料的抗疲劳性，也即材料在长时间循环加载下不会产生破损或失效的能力。

本文将对塑料的抗疲劳性与使用寿命进行研究，并探讨其相关的因素。

1. 塑料的抗疲劳性概述塑料材料具有较好的抗疲劳性能，其原因在于其分子链结构比较松散，使其能够在受到外力作用下发生一定的变形，从而减轻外力的作用。

相比于金属材料等其他材料，塑料的抗疲劳性通常更强，并且其疲劳寿命更长。

2. 影响塑料疲劳寿命的因素(1) 材料本身特性：不同类型的塑料具有不同的疲劳寿命。

一些塑料材料具有较高的耐疲劳性能，如聚酰亚胺、聚苯乙烯等，而一些塑料材料则较为脆弱，容易疲劳破损。

(2) 加工工艺：塑料制品的加工工艺与使用寿命密切相关。

不良的加工工艺可能导致材料内部存在结构缺陷或应力集中等问题，从而降低了塑料制品的抗疲劳性能。

(3) 外界环境条件：外界环境因素如温度、湿度、紫外线辐射等也会影响塑料的抗疲劳性能。

高温、高湿度等恶劣环境条件下，塑料的疲劳寿命往往会大幅缩短。

(4) 外加应力：外加应力是影响塑料疲劳寿命的重要因素。

较高的应力作用下，塑料的抗疲劳性能会大幅下降，从而导致更短的使用寿命。

3. 塑料使用寿命预测与评估为了提前评估塑料制品的使用寿命，科学的预测与评估方法势必需要应用到工程实践中。

目前常用的方法包括有限元分析、寿命试验等。

有限元分析方法通过建立塑料制品的数值模型，模拟其在不同外载荷下的变形和疲劳失效情况，从而评估塑料制品的使用寿命。

寿命试验则通过在实际使用条件下对塑料制品进行长时间疲劳加载，记录其疲劳失效时间，进而评估其使用寿命。

这些方法的应用有效地提高了塑料制品的设计与使用效果。

4. 塑料抗疲劳性的改进方法针对塑料的抗疲劳性能，研究人员提出了一系列改进措施，以提高塑料材料的使用寿命。

包括材料配方的优化、添加增韧剂、加工工艺的改进等。

塑料的疲劳寿命与耐久性评估塑料材料在现代工业中广泛应用，而其疲劳寿命和耐久性评估是决定塑料产品可靠性和使用寿命的重要因素。

本文将探讨塑料材料疲劳寿命与耐久性评估的相关内容。

1. 概述塑料材料由于具备轻质、耐腐蚀、制造性能好等优势，被广泛应用于汽车、航空航天、电子等领域。

然而，由于实际工作条件的不同，塑料材料往往需要承受各种外部力的作用，例如拉伸、压缩、弯曲等。

因此，了解塑料材料的疲劳寿命和耐久性评估是至关重要的。

2. 疲劳寿命评估塑料材料在受到周期应力作用时，会逐渐发生裂纹、断裂等损伤，这就是所谓的疲劳破坏。

评估塑料材料的疲劳寿命需要考虑以下因素：2.1 应力水平疲劳寿命与塑料材料所受的应力水平密切相关。

在设计和工程实践中，需要准确估计塑料材料所受的应力水平，并将其与疲劳曲线进行比较，以确定塑料材料的疲劳寿命。

2.2 疲劳曲线每种塑料材料都有其对应的疲劳曲线，用于描述塑料材料在周期应力下的破坏特性。

通过实验测试和数学模型计算，可以得到塑料材料的疲劳曲线，并应用于疲劳寿命评估中。

2.3 环境条件塑料材料的疲劳寿命受环境条件的影响。

例如，温度、湿度、化学介质等都会对塑料材料的疲劳性能产生影响。

因此，在进行疲劳寿命评估时，需要综合考虑环境条件对塑料材料的影响。

3. 耐久性评估在实际使用中，塑料材料需要经受各种力的作用，并承受长时间的使用。

因此，耐久性评估对于确保塑料产品的可靠性和长寿命至关重要。

3.1 力学性能测试通过对塑料材料进行拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试，可以评估其在受到外力作用下的强度、韧性、刚度等性能。

这些测试结果可以用于预测塑料材料在实际工作条件下的耐久性能。

3.2 加速老化试验为了更快速地评估塑料材料的耐久性能，可以进行加速老化试验。

通过模拟和放大实际使用条件，对塑料材料进行长时间的疲劳加载，以评估其耐久性能。

3.3 外部因素考虑在耐久性评估中，还需要考虑到外部因素对塑料材料的影响。

例如，紫外线辐射、化学药品侵蚀、湿度等因素都可能对塑料材料的耐久性能造成影响。

聚氨酯分子结构与性能的关系聚氨酯由长链段原料与短链段原料聚合而成，是一种嵌段聚合物。

一般长链二元醇构成软段，而硬段则是由多异氰酸酯和扩链剂构成。

软段和硬段种类影响着材料的软硬程度、强度等性能。

2.3.1 影响性能的基本因素聚氨酯制品品种繁多、形态各异，影响各种聚氨酯制品性能的因素很多，这些因素之间相互有一定的联系。

对于聚氨酯弹性体材料、泡沫塑料，性能的决定因素各不相同，但有一些共性。

2.3.1.1 基团的内聚能聚氨酯材料大多由聚酯、聚醚等长链多元醇与多异氰酸酯、扩链剂或交联剂反应而制成。

聚氨酯的性能与其分子结构有关，而基团是分子的基本组成成分。

通常，聚合物的各种性能，如力学强度、结晶度等与基团的内聚能大小有关。

聚氨酯分子中，除含有氨基甲酸酯基团外，不同的聚氨酯制品中还有酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲、芳环及脂链等基团中的一种或多种。

各基团对分子内引力的影响可用组分中各不同基团的内聚能表示，有关基团的内聚能（摩尔内能）见表2-11。

酯基的内聚能高，极性强。

因此聚酯型聚氨酯的强度高于聚醚型和聚烯烃型，聚氨酯-脲的内聚力、粘附性及软化点比聚氨酯的高。

聚氨酯材料的结晶性、相分离程度等与大分子之间和分子内的吸引力有关，这些与组成聚氨酯的软段及硬段种类有关，也即与基团种类及密集程度有关。

2.3.1.2 氢键氢键存在于含电负性较强的氮原子、氧原子的基团和含H原子的基团之间，与基团内聚能大小有关，硬段的氨基甲酸酯或脲基的极性强，氢键多存在于硬段之间。

据报道，聚氨酯中的多种基团的亚胺基（NH）大部分能形成氢键，而其中大部分是NH与硬段中的羰基形成的，小部分与软段中的醚氧基或酯羰基之间形成的。

与分子内化学键的键合力相比，氢键是一种物理吸引力，极性链段的紧密排列促使氢键形成；在较高温度时，链段接受能量而活动，氢键消失。

氢键起物理交联作用，它可使聚氨酯弹性体具有较高的强度、耐磨性。

氢键越多，分子间作用力越强，材料的强度越高。

聚氨酯硬泡喷涂硬质聚氨酯泡沫本身的特点：轻质、隔热、保温、防水、防火、防腐、耐磨性、耐油性、耐疲劳性、抗震动性及极强粘结力。

聚氨酯硬泡材料的主要特点：聚氨酯硬泡喷涂是聚氨酯两种黑白料液体采用高压（大于10Mpa）无气喷涂机，混合式高速旋转及剧烈撞击在枪口上形成均匀细小雾状点滴喷涂物体表面，几秒内产生无数微小的相连但独立的封闭泡孔结构，整个屋面形成无缝的渗透深的粘接牢固的保温防水层，充分的雾化成封闭泡孔结构确保了高标准的聚氨酯硬泡现场施工质量。

聚氨酯的主要特点总结如下：（1）聚氨酯硬微小泡体闭孔率≥95%,吸水率≤１％，节能、隔热效果好。

聚氨酯硬泡体是高密度闭孔的泡沫化合物，导热系数≤mk，节能效果好。

聚氨酯硬泡体的抗压强度≥100Kpa，还可以根据实际情况加大抗压强度到600Kpa以上，满足了工程的各种不同要求。

（2）聚氨酯硬泡体直接喷涂于屋面层，系反应物料受压力作用,通过喷枪形成混合物直接发泡成型,液体物料具有流动性、渗透性，可进入到屋面基层空隙中发泡，与基层牢固地粘合并起到密封空隙的作用。

其粘结强度超过聚氨酯硬泡体本身的撕裂强度，从而使硬泡层与屋面基层成为一体，不易发生脱层，避免了屋面水沿层面缝隙渗透。

聚氨酯硬泡体能够与木材、金属、砖石、混凝土等各种材料牢固粘结。

（3）具有很强的抗渗透能力，通过机械化施工，可在屋面形成无接缝连续壳体。

（4）重量轻、大大减低屋面荷载聚氨酯硬泡体70mm代替了传统做法中的防水层、保温层及其中间的找平层等，且70mm 厚的聚氨酯硬泡体每平米重量约为，大大降低屋面荷载，适合各种复杂的屋面。

（5）现场喷涂施工，整体性好，即使局部破坏，也不会串水，易查找漏点，易修补（6）施工简便迅速，施工方便，施工效率高，单班组日喷涂量可达到500-800㎡简化了屋面整体的施工工艺。

（7）耐久性好，聚氨酯性能稳定，抗老化能力差，已用工程总结和研究表明，其使用年限可达25年以上，并且不含甲醛。