ИСКОЖ-СЕРВИС

является представителем ОАО «Искож» — лидера и крупнейшего в России и СНГ производителя и поставщика искусственных материалов для автомобильной, мебельной, галантерейной, обувной и швейной промышленностей.

580-937-890 (бухгалтерия)
684-810-074 (склад)
Наша продукция
ВИНИЛИСКОЖА (искусственная кожа) МАТЕРИАЛЫ ПЛЕНКА ПВХ ПЕНОПОЛИУРЕТАН (поролон)

Просядет ли поролон?

Просядет ли поролон, знает только плотность и коэффициент упругости.
Написать данную статью нас побудили многочисленные обращения потребителей и изготовителей эластичного ППУ по проблеме "проседания поролона" и отсутствия простой и надежной методики оценки этого показателя. Имеющиеся в старой технической документации на поролон циклические (250000 циклов) испытания при постоянной деформации требуют 3-х суток непрерывной работы, а результат испытаний не позволяет судить о долговечности ППУ. Мы надеемся, что этой публикацией открываем тему оперативных, простых в использовании методов оценки базовых показателей пенополиуретанов. В ближайшем номере мы планируем закончить публикацию по проблеме проседания, где предложим классификацию ППУ по долговечности, исходя из простых экспресс анализов.
ВВЕДЕНИЕ
Эластичный ППУ - это уникальный вспененный полимер, который практически не имеет конкурентов со стороны синтетических и натуральных материалов в области изготовления мягких элементов мебели, автомобильных и авиационных кресел. В этом качестве эластичный ППУ подвергается циклическим нагрузкам, когда пену сотни тысяч раз нагружают и разгружают в течение ее срока службы. В большинстве случаев пена, подвергнутая циклическим нагрузкам, будет постоянно терять большую часть своей несущей способности и не сможет обеспечить уровень комфорта, заданный первоначально. Циклические нагрузки могут также ухудшить пространственную стабильность пены и испортить внешний вид мягких элементов мебели и кресел транспортных средств. Такие вредные эффекты, которые называют недостаточной долговечностью и усталостью, наблюдаются обычно на подушках мебели и матрасах в виде сморщенной наружной обивки и, в самом негативном случае, полностью просевших кресел и диванов.
Усталость в полимерах - хорошо изученное и давно известное явление. В общем случае испытание заканчивается разрушением испытуемого образца полимера. В случае эластичного ППУ разрушение наблюдается очень редко, и усталость видна только по уменьшению несущей способности пены и уменьшению ее первоначальной толщины. Это создает определенные проблемы в интерпретации усталости пены. Порой бывает очень трудно установить границу, когда испытание на усталость дало плохой результат. Эта граница обычно оценивается сугубо субъективно, исходя из оценки части потребителей или изменения внешнего вида (сморщенной обивке и просевшей мебели). В своей работе, на основании многочисленных испытаний образцов эластичных ППУ отечественных и зарубежных фирм мы попытались выделить из многочисленных физико-механических показателей, характеризующих эластичные ППУ, основной показатель, определяющий их усталость. Таким показателем, дающим представление об усталости и долговечности эластичного ППУ, может служить коэффициент упругости, и его производная - коэффициент долговечности.

КОЭФФИЦИЕНТ УПРУГОСТИ
В основном производители ППУ, характеризуя его качество, обычно приводят два показателя -кажущуюся плотность и жесткость, отражая их иногда в названии марки: ППУ-2232, ППУ-2536 и т.д. Первые две цифры - это кажущаяся плотность (22 или 25 кг/м3), остальные - жесткость (3,2 и 3,6 кПа при 40% деформации). Но ни плотность, ни жесткость не характеризуют напрямую эластичные свойства ППУ. Чтобы подчеркнуть упругое качество пены, приводят показатель "эластичность по отскоку", который определяют по величине отскока специального маятника или падающего шарика. Однако этот показатель сильно зависит от особенностей макроструктуры образца, которые не влияют на поведение пены при ее эксплуатации.
Так что же все-таки характеризует упругие свойства ППУ? Общепринятой мерой эластичности упругого материала является величина коэффициента механических потерь, определяемого при записи диаграммы сжатия образца.
Если записать полную диаграмму сжатия, то получится кривая, показанная на рис.1. Ветвь разгрузки образца идет ниже ветви нагружения, и площадь, ограниченная этими ветвями (гистерезис), характеризует рассеивание энергии материалом за 1 цикл (на рис.1 эта площадь заштрихована). Гистерезис - это мера количества потерь работы во время цикла сжатия. Эта работа приводит к разогреву образца или к процессам его разрушения.


Рисунок 1.

Отношение площади петли гистерезиса к площади фигуры, ограниченной верхней ветвью петли и осью абсцисс (то есть фигуры ОСАВО), называют коэффициентом механических потерь. Чем меньше величина коэффициента механических потерь, тем меньше энергии рассеивается материалом в каждом цикле сжатия, и тем меньше будут изменяться свойства материала при испытании на циклическое сжатие при эксплуатации мебели.
КМП = SOCADO/SOCABO
Коэффициент механических потерь - редко используемая характеристика, и понятно, почему:
для его вычисления нужна запись диаграммы сжатия и последующее определение площадей криволинейных фигур. Однако, в технической зарубежной литературе при описании свойств ПУ иногда фигурирует показатель, прямо связанный с коэффициентом механических потерь, и при этом достаточно просто определяемый. Его обозначают РR25%, а называют "Return", что обычно переводят как "возврат", или "восстанавливаемость". Иногда используют термины "гистерезисный возврат", или даже "гистерезис". Этот показатель представляет собой отношение усилия при деформации образца на 25% на обратном ходе машины (на ветви разгрузки) к усилию при деформации образца на 25% на ветви нагружения. Будучи отношением, он представляет собой отвлеченное число. Мы предлагаем назвать этот показатель "коэффициент упругости" (Ку) и выражать его в процентах. В обозначениях рис.1:
Ку=ЕD/ЕС*100%
Очевидно, что чем шире петля гистерезиса, тем меньше величина Ку. Для идеально упругого материала коэффициент механических потерь равен 0, а Ку = 100%. Таким материалом можно считать стальную пружину при малой степени сжатия. Ветви нагружения и разгрузки у нее практически совпадают. Для идеально неупругого материала коэффициент механических потерь равен 1, а Ку=0. Примером такого материала можно считать хрупкий жесткий пенопласт, сжатый до разрушения. В момент разрушения образца усилие мгновенно падает до нуля. И ветвь разгрузки совпадает с осью абсцисс.
Мы определили Ку и коэффициенты механических потерь для ряда образцов ППУ и получили четкую зависимость, представленную на рис.2. Как видно из этого рисунка, разброс экспериментальных точек невелик. И это обосновывает возможность использования коэффициента упругости Ку вместо коэффициента механических потерь в качестве показателя, характеризующего эластичность ППУ. Коэффициент упругости определяется при испытании ППУ на сжатие, причем запись петли гистерезиса не обязательна.
Численная величина коэффициента упругости зависит от методики испытания (от способа подготовки образца, его размера, скорости деформации). Поскольку стандартов на эту методику нет, а в иностранных статьях условия опытов не указывают, очень трудно сравнивать между собой имеющиеся в статьях и рекламах некоторых изготовителей величины РR2 5%.
Мы провели сотни определений коэффициента упругости и подобрали удобную методику, дающую воспроизводимые результаты. В основу этой методики заложен метод испытания эластичных пенопластов на сжатие по ГОСТ 26605-93 (ISO 3386-1-86).


Рисунок 2.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ Ку
Приводим в сжатом виде предлагаемую методику определения коэффициента упругости. Подробности можно найти в ГОСТ 26605-93. Коэффициент упругости (Ку) определяется одновременно с определением напряжения сжатия при 40%-ной деформации (на том же образце ППУ и оборудовании). Образец ППУ представляет собой прямоугольный параллелепипед площадью сечения 100-200 см2 и толщиной 40-50 мм. Обычно это образцы размером 100*100*(40-50)мм или 140*140*(40-50)мм. Толщина образцов совпадает с направлением подъема пены при получении ППУ. Образец помещают под пуансон испытательной машины и проводят подряд 3 цикла сжатия со скоростью 50-120 мм/мин до деформации образца на 70-75%. Разгрузку образца в каждом цикле производят при той же скорости движения пуансона, пока расстояние между плитой и пуансоном не станет равным первоначальной толщине образца. Сразу же после этого проводят четвертый, рабочий цикл сжатия. Скорость движения пуансона машины в этом цикле должна быть равной 50±5 мм/мин.
Отмечают по шкале силоизмерителя усилие, соответствующее деформации образца на 25% (Р25%) и на 40% (Р40%). Эти измерения проводят, не меняя скорости движения пуансона. Сжатие продолжают до деформации образца на 70-72%, после чего переключают пуансон на обратный ход. Скорость движения пуансона та же (50±5) мм/мин. Во время обратного хода отмечают усилие, соответствующее деформации образца на 25% (Робр25%). По величине Р40% рассчитывают напряжение сжатия образца при 40%-ной деформации. Величину коэффициента упругости рассчитывают с точностью до единицы по формуле:
Ку= Робр25%/ Р25% *100%
Если машина снабжена записывающим устройством, производят запись четвертого рабочего цикла сжатия, отмечают на диаграмме значения Р25%, Р40%, Робр25% и производят те же расчеты. Повторное испытание одного и того же образца можно производить не ранее чем через 16 часов. Значение Ку при повторных испытаниях отличается не более чем на 2% (абсолютных).
Используя описанную методику, мы определили величины коэффициентов упругости у образцов различных ППУ, изготовленных на установках непрерывного действия в России и за рубежом в 1998-2000 гг. Образцы были получены от фирм-производителей на выставках в г. Москве. Полученные результаты представлены в табл.1.

Таблица 1: Коэффициенты упругости промышленных образцов ППУ

Кажущаяся
плотность, кг/м3

Более 22-24
Более 24-27 Более 27-32 Более 32
Напряжение
сжатия при 40%
деформации, кПа
<3 3,0-3,8 >3,8 <3 3,0-3,8 >3,8 3,0-3,8 >3,8 <4 4,0-5,0
Количество
образцов
7 15 6 5 16 8 5 10 5 9
Коэффициент
упругости, %
62,4 53,5 50,8 61,0 57,3 55,6 59,6 63,5 78,0 73,0
Среднее значение 0,8 0,7 2,6 0,8 0,9 1,4 0,4 1,1 2,0 1,4
Коэффициент
долговечности, Кд
12,2-13,7 14,6-15,0 16,1-20,0 23,4-27,3

Таблица 2. Физико-механические показатели ППУ

Наименование показателя,
ед. изм.
Марка ППУ
ППУ-ВЭ ППУ-ТС-35 Изолан ЭЛ-42 Изолан ЭЛ-50
Кажущаяся плотность 32-37 33-35 37-42 40-45
Напряжение сжатия при
40% деформации, кПа
2,9-3,6 3,5 2,9-4,1 3,4-6,9
Коэффициент
упругости, %
72-74 66-69 73-81 74-80
Остаточная деформация
при сжатии
(50%, 72ч, 20оС)
3,0-4,0 3,0-4,0 2,5-3,5 2,0-3,5
Разрывное напряжение, кПа 120-190 125-135 120-140 110-150
Относительное удлинение
при разрыве, %
150-200 230-260 100-125 105-130
Горючесть по ОСТ1.90094-79
(верт. положение образца,
время поджига 30с)
трудносгораемый
Коэффициент
долговечности Кд
23-27 22-24 27-34 30-42

Из таблицы видно, что с увеличением кажущейся плотности ППУ возрастает и их коэффициент упругости. Внутри каждой группы ППУ с определенной кажущейся плотностью коэффициент упругости повышается для более мягких образцов (исключение - ППУ с плотностью 27-32 кг/м3, но именно в этой группе может сильнее всего сказаться разница в составе ППУ, так как в эту группу входят и тяжелые обычные и легкие высокоэластичные пены). Наиболее распространенные ППУ с кажущейся плотностью 22-27 кг/м3 и напряжением сжатия при 40%-ной деформации 3,0-3,8 кПа имеют, к сожалению, невысокий коэффициент упругости (53,5-57,3%). Именно этим обусловлена сравнительно быстрая "просадка" сидений из таких ППУ, вполне пригодных для других применений. Более жесткие ППУ (напряжение при 40%-ной деформации более 3,8 кПа при той же кажущейся плотности) имеют еще более низкий коэффициент упругости, и сиденья, изготовленные из них, быстро дадут "просадку", если нагрузка при их эксплуатации достаточно высока и обеспечивает деформацию сидений не менее чем на 40%. При небольшой нагрузке жесткий ППУ деформируется мало (не более чем на 10%) и служит долго. Однако такие сидения не обеспечивают комфорта, и их можно считать мягкими только условно.
Приведенные выше комментарии говорят о том, что один только коэффициент упругости не определяет однозначно поведение пены при циклических нагрузках. В первую очередь это относится к ситуации, когда более мягкие пены имеют более высокий коэффициент упругости.
Следуя логике, что только коэффициент упругости характеризует долговечность, мы приходим к неправильному выводу, что в сиденьях можно использовать легкие и мягкие пены, не опасаясь их проседания. Это не так. Есть другая четкая зависимость - зависимость долговечности от плотности ППУ. И это понятно, поскольку работа при циклическом сжатии переходит в энергию разрушения ППУ, и чем большая масса полимера участвует в этом процессе, тем меньше воздействие на единицу массы полимера.
Учитывая это, а также данные многочисленных исследований о влиянии плотности ППУ на долговечность, мы предлагаем ввести в терминологию эластичного ППУ понятие коэффициента долговечности, который выражается в произведении плотности на коэффициент упругости:
Кд = Плотность*Ку/ 100,
где плотность выражена в кг/м3.
Данные по этому коэффициенту приведены в табл.1 и 2.
Таким образом, чтобы не проседал диван (кресло, сиденье автомобиля, стул и т.д.), надо иметь коэффициент долговечности не ниже 15. Только пены с такими показателями гарантируют долговременную эксплуатацию мягких элементов мебели и автомобилей, снимают проблему, просядет сиденье или нет. Было бы неплохо, если бы изготовители мебели, рекламируя качество своей продукции, указывали коэффициент долговечности используемого ими эластичного ППУ. 

ВЫВОД
На основании анализа физико-механических испытаний ряда образцов эластичного ППУ российских и зарубежных производителей показано, что наиболее информативным показателем, относящимся к эксплуатационной долговечности эластичного ППУ, следует считать коэффициент упругости и его производную - коэффициент долговечности. Используя эти легко определяемые показатели, можно предсказывать поведение эластичных ППУ при длительных циклических нагрузках без проведения долговременных натурных испытаний на дорогостоящем оборудовании.

Ф.А.Крючков, к.х.н., В.И.Клименко, к.т.н.