聚苯乙烯泡沫材料压缩力学性能和吸能特性研究

Study on Compressive Mechanical Properties and Energy Absorption of Expanded Polystyrene Foam Materials

摘要

聚苯乙烯（EPS）泡沫材料在冲击防护领域具有良好的应用前景。为揭示EPS泡沫材料的压缩力学特性和吸能性能，开展不同密度（10、18、25 kg/m³）的EPS泡沫材料在不同加载速率（12、24、48 mm/min）下的单轴静力压缩试验研究。结果表明：同等应变条件下，EPS泡沫材料的压缩应力随材料密度和加载速率增加而增加。材料屈服强度和弹性模量与材料密度和加载速率呈非线性正相关。吸能密度随材料密度和加载速率增加而增加，且增加速率逐渐降低；比吸能随材料密度增加而减小，随加载速率增加而增加。研究结果可以为EPS泡沫材料在抗冲击方面的应用提供依据。

关键词

EPS泡沫材料 / 压缩力学特性 / 吸能性能 / 单轴压缩试验

Key words

Expanded polystyrene foam materials / Compressive mechanical properties / Energy absorption / Uniaxial compression tests

聚苯乙烯(EPS)泡沫材料是由聚苯乙烯颗粒经高温蒸汽发泡并聚合而成的一种泡沫材料^[1]，具有质量轻、抗压性能好、保温隔热等优点，目前在路基工程^[2-4]、桥梁工程^[5-6]、建筑工程^[7-9]、包装运输^[10-11]中应用广泛。近年来，由于质轻、比强度和比刚度高的特点，且具有良好的变形特性及耐久性，EPS泡沫材料逐渐开始应用于地质灾害冲击防护领域^[12-14]。在传统工程实践中，隧道洞口用于防护危岩落石灾害的明洞结构长期以来都采用砂土、碎石等作为回填缓冲层，但砂土材料自重大、缓冲效果差，其应用越来越受到制约，亟须开发新材料。在冲击防护中，主要利用EPS泡沫材料的压缩变形来吸收能量并保护下部结构。因此，量化EPS泡沫材料在压缩作用下的吸能指标极为重要。

针对EPS材料压缩力学性能，很多学者开展了相关的研究。邵成健等^[15]通过单轴压缩试验分析了试样尺寸、加载速率对EPS泡沫材料力学性能，特别是屈服强度、弹性模量等参数的影响，发现材料的屈服强度与加载速率正相关，而初始弹性模量受加载速率影响较小，并且二者都会受到试件尺寸的影响。雷忠琦^[16]以冰箱跌落冲击为案例，探讨密度、加载速率对EPS泡沫材料压缩特性的影响规律。结果表明：泡沫包装能够显著减小冲击力，对冰箱具有良好的缓冲减振效果。熊志远^[17]对EPS进行一系列的准静态压缩试验，同样分析了材料密度、应变率对EPS压缩力学性能的影响，研究了EPS在准静态压缩条件下的吸能特性。结果表明：压缩弹性模量、屈服强度随密度的增大而增大，在试验应变率范围内，不同加载速率下对弹性模量基本没有影响，而与压缩屈服强度存在正相关关系。都学飞等^[18]通过压缩试验发现EPS泡沫材料的可恢复性以及永久变形都与材料厚度有关，厚度越大，恢复率越小，永久变形越大。王文康等^[19]分析了0.004 8~100 s^-1应变率范围内EPS材料的应力-应变曲线，发现应变率越高，材料的弹性模量、屈服应力越大。以上研究主要获取EPS泡沫材料的压缩力学参数，但是没有定量分析材料的吸能特性。

因此，本实验以EPS泡沫材料为研究对象，采用单轴压缩试验，获取EPS泡沫材料的应力-应变曲线，研究其压缩力学性能以及加载速率和密度对其性能的影响，并计算材料的耗能指标，为EPS泡沫材料在冲击防护中的应用提供试验数据支撑。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚苯乙烯泡沫(EPS)立方体，尺寸为15 cm×15 cm×15 cm，3种EPS密度分别为10、18、25 kg/m³，锦州银龙泡沫制品厂。

1.2 仪器与设备

全自动压力试验机，YAW-2000G，山东联工检测设备有限公司。设备的最大试验力为2 000 kN，精度等级为1级，试验力测量范围为2%~100% FS，试验力示值误差为示值±1%以内，试验力分辨率为0.01 kN，压缩试验空间为220 mm，上压盘直径为300 mm，下压盘尺寸为400 mm×400 mm，活塞直径为320 mm，液压泵工作压力为25 MPa，活塞行程为400 mm，主机外形尺寸(长×宽×高)为760 mm×760 mm×1 520 mm，整机质量约为1 150 kg，电源为380 V、50 Hz、4 kW。

1.3 样品制备

试验样品为从厂家购置的定制成品，样品制备过程主要在工厂中完成。图1为EPS泡沫材料。先通过高温蒸汽对聚苯乙烯颗粒进行膨胀，使其体积膨胀至原来的40倍左右；随后把膨胀后的EPS泡沫颗粒倒入指定模具中，采用高温将其聚合并塑性；冷却至室温；最后，用电热铜镍合金丝进行高温切割，成为指定的形状。经加热发泡以后，每立方分米体积内含有300~600万个独立密闭气泡，内含空气的体积为98%以上。

EPS泡沫材料的多孔结构赋予了材料轻盈、吸声和隔热的特性。相比传统材料，EPS泡沫材料具有极低的密度，大多位于15~50 kg/m³之间，使其成为一种轻量化的材料选择。该低密度特性不仅能够降低材料自重，还可减少能源消耗和减排^[20]。尽管EPS泡沫材料的密度较低，但其仍具有一定的抗压强度和弹性模量。通常其抗压强度在100~700 kPa之间。此外，EPS泡沫材料的导热系数通常在0.030~0.040 W/(m·K)之间，是常用工程材料的1/50~1/10^[21]。研究表明，EPS泡沫材料在大多数化学物质和溶剂中具有良好的稳定性，不易受到化学腐蚀或溶解^[22]。这种化学稳定性增加其在各种应用中的可靠性和耐用性。

1.4 性能测试及表征

静态压缩试验：试验环境为常温常压。加载速率设置为12、24、48 mm/min。试验流程可根据GB/T 8168—2008中的方法A进行。为保证数据的可靠性，每个工况进行3次重复性试验，取平均值。设定试件的轴向应变达到80%时，停止加载。

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线

图2为不同密度EPS材料应力-应变曲线随加载速率的变化。从图2a可以看出，EPS泡沫材料在压缩作用下的应力-应变曲线可以分为3个阶段，分别为线弹性阶段、塑性屈服平台段和致密化阶段。加载速率对应力-应变曲线的影响不大，主要影响在致密化阶段，表现为同等应变条件下应力随着加载速率的增加而增加。此外，从图中曲线可以获取泡沫材料在不同加载速率下的屈服强度、弹性模量以及致密化应变等力学参数。如12 mm/min工况下，可以从其线弹性阶段和塑性屈服平台段观察其陡变点，并推断出其屈服强度大约为0.04 MPa，对应应变为0.03，由此可推断其弹性模量约为1.33 MPa；从塑性屈服平台段和致密化阶段观察其陡变点并推断出其致密化应变大约为0.55~0.60。图2b同图2a类似，从图2b可以推断其在加载速率12 mm/min工况下的屈服强度约为0.045 MPa，对应应变为0.04，弹性模量约为1.13 MPa，致密化应变约为0.58。从图2c可以看出，25 kg/m³密度工况下，加载速率24 mm/min和48 mm/min的应力-应变曲线几乎重合，但显著高于加载速率12 mm/min的曲线。

图3为不同加载速率下EPS材料应力-应变曲线随材料密度的变化。从图3a可以看出，12 mm/min加载速率下，密度为10 kg/m³和18 kg/m³ EPS的应力-应变曲线几乎重合，说明在此范围内，密度对其应力-应变曲线的影响不大，但二者均显著低于密度为25 kg/m³的工况。从图3b可以看出，加载速率为24 mm/min工况下密度对曲线的影响较为明显，随着密度的增加，屈服强度和弹性模量均增加。图3c表现出与图3b相同的趋势。

结合以往的研究^[23-24]，可以总结EPS泡沫材料的压缩曲线特征。第一个阶段是线弹性阶段，主要反映胞孔结构的强度。当荷载超过屈服强度时，即进入塑性屈服阶段，该阶段可能由弹性屈曲、塑性屈曲或脆性断裂3种不同的失效机制控制，胞孔塌陷，材料被压碎，主要反映胞孔结构的屈曲过程。胞元被连续压馈失效后，即进入致密化阶段，在这个过程中，胞壁间发生接触，直至泡沫最终被压实，应力在1个小的应变范围内迅速增加，该阶段主要反映聚苯乙烯基材的材料性质。

表1和表2分别为由图2和图3获取的各试验工况中EPS泡沫材料的屈服强度和弹性模量。从表1和表2可以看出，在不同的加载速率下，EPS泡沫材料的屈服强度和弹性模量均随材料密度的增加而增加。而对于不同密度的EPS泡沫材料，除个别数据外，其屈服强度和弹性模量随加载速率整体也呈现增加的趋势。其中，个别数据的误差分析是由于试验中加载速率的变化不明显，在此加载速率范围内EPS泡沫材料的应变率效应并不是特别明显。

2.2 吸能指标

对于泡沫材料，其吸能能力直接与压缩应力-应变关系相关，一般可采用吸能密度(E _A)，即单位体积吸收能量来表征，其计算公式为^[25]：

E_{\mathrm{A}} = {\int }_{\mathrm{0}}^{\epsilon } \sigma \mathrm{d} \epsilon (1)

式(1)中：E _A为吸能密度，表示有效压缩距离内应力-应变曲线与坐标轴的包络面积，J/m³；σ为当前压缩应力，Pa；ε为当前应变。σ和ε存在如下关系^[26]：

(2)

式(2)中：E为弹性模量，Pa；σ _y为屈服强度，Pa；ε _y为对应的屈服应变；ε _d为致密化应变；κ、D、m为材料参数，由试验测定^[27]。

为对比材料的轻量化特征，采用单位质量吸收的能量，即比吸能(S _EA)来描述不同密度及加载速率下EPS泡沫材料的吸能性能^[28]，计算公式为：

S_{\mathrm{E}\mathrm{A}} = \frac{\mathrm{1}}{\rho } {\int }_{\mathrm{0}}^{\epsilon } \sigma \mathrm{d} \epsilon = \frac{E_{\mathrm{A}}}{\rho } (3)

式(3)中：S _EA为比吸能，J/kg；ρ为材料密度，kg/m³。

图4为EPS泡沫吸能密度随EPS材料密度和加载速率的变化。

从图4a可以看出，不同加载速率下吸能密度与EPS泡沫材料密度呈非线性正相关关系。加载速率为12 mm/min时，吸能密度随密度增长的斜率逐渐增加，加载速率为24 mm/min或48 mm/min时，吸能密度随密度增长的斜率则逐渐减小。当加载速率为48 mm/min和24 mm/min时，二者的吸能密度较为接近，但显著大于加载速率为12 mm/min的工况。以密度为18 kg/m³的EPS泡沫材料为例，当加载速率为48 mm/min和24 mm/min时，其吸能密度分别为136 050 J/m³和135 640 J/m³，加载速率为12 mm/min时，吸能密度为99 300 J/m³，比前两者分别减小27.01%和26.79%。从图4b可以看出，不同密度下吸能密度与EPS泡沫材料加载速率同样呈非线性正相关关系，折线斜率逐渐变小。以加载速率为12 mm/min的EPS泡沫材料为例，当密度为25 kg/m³时，其吸能密度为124 690 J/m³；当密度为18 kg/m³时，其吸能密度为99 300 J/m³；当密度为10 kg/m³时，其吸能密度为94 860 J/m³。密度为18 kg/m³和10 kg/m³时，EPS泡沫材料的吸能密度分别相比密度为25 kg/m³时的吸能密度减小20.36%和23.92%。

图5为EPS材料比吸能随材料密度及加载速率的变化。

从图5a可以看出，比吸能与材料密度呈非线性负相关关系且变化斜率逐渐减小。此外，加载速率越快，比吸能越高，具体表现为加载速率为48 mm/min和24 mm/min时，EPS泡沫材料比吸能较为接近，但显著大于加载速率为12 mm/min的工况。以密度为25 kg/m³的EPS泡沫材料为例，当加载速率为48 mm/min和24 mm/min时，其比吸能分别为6 084 J/kg和5 911 J/kg。当加载速率为12 mm/min时，其比吸能为4 988 J/kg，相对前两者分别减小18.01%和15.61%。从图5b可以看出，比吸能与加载速率呈非线性正相关关系且变化斜率逐渐减小，且密度越小，比吸能越高。以加载速率为12 mm/min的EPS泡沫材料为例，当密度为10、18、25 kg/m³时，其比吸能分别为9 486、5 517、4 988 J/kg。

3 结论

EPS泡沫材料的应力-应变曲线可以分为线弹性阶段、塑性屈服平台段和致密段，3个阶段分别反映泡沫胞孔的强度、胞孔的屈曲过程以及聚苯乙烯基材的强度特征。

在不同的加载速率下，EPS泡沫材料的屈服强度和弹性模量均随材料密度的增加而增加。而对于不同密度的EPS材料，除个别数据外，其屈服强度和弹性模量随加载速率整体也呈现增加的趋势。整体而言，材料密度对其应力-应变曲线的影响比加载速率更明显。

EPS泡沫材料的吸能密度随材料密度和加载速率的增加而增加，其中后者变化斜率逐渐减小。比吸能随材料密度增加而减小，随加载速率增加而增加，二者的变化斜率均逐渐减小。

相关结果可以为EPS泡沫材料在抗冲击方面的应用提供试验依据。

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