در صنعت خودرو، موادی مورد تقاضا بوده که تقریباً به هر طریقی قابل تغییر باشند و به طور کامل با نیازهای در حال تغییر برای وسایل نقلیه که روز به روز پیچیده تر می شوند، مطابقت داشته باشند. فوم پلی یورتان (PUR) این نیاز را برآورده می کند. علاوه بر کاربردهای سنتی خودرو مانند بالشتک صندلی، سیستم سپر، دمپرهای صدا و لرزش، فوم PUR با چگالی بالا نیز بیشتر به عنوان یک جزء ساختاری استفاده می گردد. این برای جلوگیری از صدمات به سرنشینان در صورت برخورد از جلو یا جانب استفاده شده تا ایمنی وسیله نقلیه را به طور قابل توجهی به دلیل خواص اتلاف انرژی عالی آن، بهبود بخشد. علاوه بر این، این فوم نسبتاً ارزان بوده و انعطاف‌پذیری زیادی در طراحی ایجاد می‌کند، زیرا می‌توان آن را به راحتی در قطعات هندسی پیچیده تولید کرد. فوم پلی یورتان یکی از متنوع ترین سیستم های فوم موجود است. می توان آن را به شکل فلکسیبل، نیمه ریجید یا ریجید با واکنش پلی ال و ایزوسیانیدها ساخت. نوع فوم تا حد زیادی به وزن مولکولی و محتوای هیدروکسیل پلی ال بستگی داشته و می توان آن را با افزودن مواد دیگر همراه با کاتالیزورها و سورفکتانت ها اصلاح کرد. دانسیته فوم با گنجاندن یک یا چند عامل فوم زا کنترل می شود. نحوه فوم شدن پلیمر و همچنین زمان، دما و فشار ابزار در طول فرآیند ساخت، ساختارهای سلولی متفاوتی از فوم به‌دست‌آمده را ایجاد می‌کند.
مطالعه حاضر برای فوم PUR با دانسیته بالا با دانسیته g/cm3 0.38-0.83 انجام شده است. این فوم با دانسیته بالا با موفقیت توسط بسیاری از شرکت های خودروسازی استفاده می شود. به ویژه پانل های تزئینی داخلی، قاب درها از این ماده استفاده می کنند. این نوع فوم ها که دارای دانسیته ۰.۲۵ گرم بر سانتی متر مکعب و بیشتر هستند، معمولاً فوم های ساختاری نامیده می شوند. این فوم PUR ساختاری خاص باید به صورت تجربی و با کمک روش‌های محدود مدل‌سازی شود تا در شبیه‌سازی ضربه بیشتر مورد استفاده قرار گیرد.
تاثیر دانسیته بر فوم پلی یورتان
خواص مکانیکی فوم را می توان با دانسیته فوم مرتبط کرد، در حالی که ماهیت سلولی ریزساختار، نحوه شکست را تعیین می کند. نمودارهای تنش-کرنش فشاری برای فوم PUR با دانسیته بالا، رفتار الاستیک-پلاستیک آن را نشان می‌دهد، که برای بسیاری از فوم‌های با دانسیته کم نیز معمول بوده و سه ناحیه مشخص را نشان می‌دهد: کشسانی خطی، پلاستیسیته و چگالش. در کرنش‌های کوچک، معمولاً کمتر از ۵ درصد، رفتار الاستیک خطی، با شیب برابر مدول یانگ فوم است. با افزایش بار، سلول های فوم شروع به فروپاشی می کنند. فروپاشی با بار فزاینده پیش می‌رود، تا زمانی که دیواره‌های متضاد در سلول‌ها به هم رسیده و لمس می‌شوند. با این حال، ناحیه پلاستیکی برای فوم PUR با دانسیته بالا کوتاه‌تر از فوم‌های PUR با دانسیته کم بوده و شیب آن بیشتر است. در ناحیه پلاستیک، رفتار سخت شدن مشاهده می شود. این را می توان در نمودارهای تنش-کرنش فشاری فوم مشاهده کرد.
نمونه ای از نمودار تنش-کرنش در فشرده سازی برای دانسیته ۰.۸۱ گرم بر سانتی متر مکعب در شکل ۱ نشان داده شده است. برای آشکار کردن تأثیر دانسیته بر روی خواص مکانیکی فوم با دانسیته بالا، صفحات با دانسیته های مختلف مورد مطالعه قرار گرفتند. نمونه های فشاری با ابعاد ۱۵ میلی متر × ۱۵ میلی متر × ضخامت های مختلف انتخاب شدند. آزمایش های کششی بر اساس استاندارد DIN 53430 انجام شد. منحنی های تنش-کرنش کششی محاسبه شده در شکل ۲ نشان داده شده است.
بر اساس منحنی‌های تنش-کرنش به‌دست‌آمده، برنامه‌ای توسعه داده شده است که منحنی‌های تنش-کرنش فوم PUR با دانسیته دلخواه را که در بازه ۰.۳۸-۰.۸۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب قرار دارد را محاسبه کرده و خواص مکانیکی فوم PUR را تخمین می‌زند. برای به دست آوردن نمودارهای تنش-کرنش متناظر برای سایر دانسیته‌های تعریف‌شده توسط کاربر، این منحنی‌های تجربی بسته به این واقعیت که دانسیته ورودی بین دانسیته‌های آزمایش‌شده یا خارج از محدوده آزمایش‌شده قرار دارد، درون‌یابی/برون‌یابی می‌شوند.
تعیین دانسیته بهینه پلی یورتان
نتایج آزمایش‌های فشرده‌سازی نیز تأثیر دانسیته را بر خواص مکانیکی نشان می‌دهد. همانطور که قبلاً شناخته شده است، هدف ایمنی در صورت تصادف، اتلاف انرژی جنبشی جرم برخورد کننده بوده در حالی که حداکثر نیرو (یا شتاب) را زیر یک حد معین نگه می دارد. برای هر کاربرد، فوم با مقدار دانسیته بهینه را می توان یافت. در صورتی که دانسیته فوم بسیار کم باشد، قبل از اتلاف تمام انرژی، به ناحیه چگالش رسیده و نیروی بسیار بالایی حاصل می شود و بالعکس. در صورتی که دانسیته ساختار سلولی خیلی زیاد باشد، نیرو قبل از جذب انرژی کافی از مقدار بحرانی خود فراتر می‌رود، در حالی که کرنش فشاری ماده فقط تا حدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای تعیین توانایی جذب انرژی فوم های مختلف، استفاده از نمودار جذب انرژی که انرژی جذب شده W را به عنوان تابعی از تنش نشان می دهد، سودمند است. انرژی جذب شده مساحت زیر منحنی تنش-کرنش بوده و با فرمول زیر به دست می آید:
با کنار هم قرار دادن منحنی های انرژی جذب شده در برابر تنش برای دانسیته های مختلف، انتخاب مناسب ترین مقدار دانسیته برای یک کاربرد خاص آسان است. صفحه ای با دانسیته بهینه صفحه ای است که کمترین تنش را برای همان مقدار انرژی ایجاد می کند، زیرا ما علاقه مندیم انرژی جنبشی جسم برخورد کننده را با حفظ حداکثر نیرو زیر یک حد معین تلف کنیم(شکل۳). نمودار جذب انرژی نشان می دهد که فوم PUR با دانسیته بالاتر انرژی بیشتری را در فشرده سازی جذب می کند. با این حال، این مقادیر خیلی بالای دانسیته بهینه قرار ندارد، زیرا نمونه‌های متراکم‌تر، مقدار انرژی تجویز شده را تحت تنش‌های بالاتر جذب می‌کنند. هنگامی که دانسیته بالاتر از حد معینی باشد، قبل از جذب انرژی کافی، نیرو از مقدار بحرانی فراتر می رود، در حالی که تغییر شکل کم می شود.
به عنوان مثال، اجازه دهید مقدار انرژی جذب شده ویژهJ/cm2 15را در نظر بگیریم. این مقدار انرژی توسط فوم با دانسیته ۰.۳۸ گرم بر سانتی متر مکعب در تنش ۶۰ مگاپاسکال جذب می شود. فوم با دانسیته ۰.۸ گرم بر سانتی متر مکعب همان مقدار انرژی را در تنش ۵۴ – مگاپاسکال جذب می کند. بهترین قابلیت جذب انرژی، فوم با دانسیته متوسط ۰.۷ گرم بر سانتی متر مکعب را نشان می دهد که در تنش ۴۴ مگاپاسکال، انرژی ویژه ۱۵ ژول بر سانتی متر مربع را جذب می کند. با توجه به مطالعه تجربی انجام شده، صفحه با دانسیته ۰.۷ گرم بر سانتی متر مکعب و ساخته شده تحت پارامترهای خاصی بهترین خواص جذب انرژی را نشان می دهد.
علاوه بر این، نمودار کارایی نتایج به دست آمده را تایید می کند (شکل۴). صفحه با دانسیته بهینه ۰.۷ گرم بر سانتی متر مکعب دارای پارامتر بازدهی در حدود ۴۰ درصد است. پارامتر بازده به عنوان نسبت انرژی جذب شده به تنش σ تعریف می شود که بر تنش به صورت زیر تقسیم می شود:
راندمان همیشه در یک تنش معین دارای مقدار حداکثر بوده زیرا فراتر از یک سطح تنش معین، افزایش انرژی جذب شده کمتر از تنش مربوطه است. این در صورتی معتبر است که پاسخ ماده با افزایش یکنواخت تنش با کرنش مشخص شود. با این حال، همانطور که آزمایش های فشرده سازی نشان می دهد، در مورد فوم PUR ساختاری این اتفاق نمی افتد و از پارامتر بازده نیز می توان برای انتخاب فوم با پارامترهای ساخت بهینه استفاده کرد. هر دو نمودار جذب انرژی و بازده منجر به نتایج یکسانی می شوند.
حساسیت نرخ کرنش در پلی یورتان
تست های شبه استاتیکی برای کاربردهای دینامیکی فوم PUR کافی نیستند. به منظور استفاده از فوم PUR با دانسیته بالا در کاربردهای ضربه ای، بسیار مهم است که حساسیت نرخ کرنش این ماده را نیز آشکار کرده و این فوم را تحت بارگذاری های دینامیکی آزمایش کنیم. آزمایش‌ها در سرعت‌های ضربه متفاوت، مربوط به نرخ کرنش اولیهs-1 70 وs-1 100 انجام شد تا حساسیت نرخ کرنش این فوم آشکار شود. آزمایش‌های دینامیکی نشان می‌دهد که حساسیت سرعت فوم PUR به اندازه فوم‌های با دانسیته پایین‌تر نیست. با این حال، برای مدل‌سازی دقیق باید در نظر گرفته شود. دانسیته های مختلف، حساسیت نرخ کرنش متفاوتی را نشان داده و این حساسیت با افزایش دانسیته فوم کاهش می یابد. به عنوان مثال، نمودارهای تنش-کرنش فوم PUR با دانسیته ۰/۴ گرم بر سانتی متر مکعب در سرعت های مختلف ضربه در شکل۵ آورده شده است.
برای مطالعه بیشتر در رابطه با پلی یورتان و محصولات پلی یورتانی، به بخش بلاگ وب سایت مراجعه فرمایید.
بدون دیدگاه