PVC/TPU共混材料静动态力学性能及本构模型研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.001

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (5): 1-6.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.001

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PVC/TPU共混材料静动态力学性能及本构模型研究

雷经发¹^,²(), 胡基波¹, 刘涛¹^,²(), 吴文奇¹, 沈朝阳¹

^1.安徽建筑大学机械与电气工程学院，合肥 230601
^2.工程机械智能制造安徽省教育厅重点实验室，合肥 230601

收稿日期:2023-09-19 出版日期:2024-05-26 发布日期:2024-05-20
通讯作者: 刘涛（1984—），男，副教授，从事材料静动态力学性能测试研究，liutao19841015@163.com
E-mail:rain78828@163.com;liutao19841015@163.com
作者简介:雷经发（1978—），男，教授，从事材料静动态力学性能测试、机器视觉检测等方面研究，rain78828@163.com
基金资助:
合肥市自然科学基金项目(2021019);安徽高校自然科学研究重大项目(KJ2023AH040036);安徽高校协同创新项目(GXXT?2023?025)

Study on static and dynamic mechanical properties and constitutive model of PVC/TPU blends

LEI Jingfa¹^,²(), HU Jibo¹, LIU Tao¹^,²(), WU Wenqi¹, Shen Zhaoyang¹

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601，China
^2.Anhui Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Construction Machinery，Hefei 230601，China

Received:2023-09-19 Online:2024-05-26 Published:2024-05-20
Contact: LIU Tao E-mail:rain78828@163.com;liutao19841015@163.com

摘要/Abstract

摘要：

利用万能材料试验机和高速拉伸试验机对2种成型方式和6种共混比的聚氯乙烯/热塑性聚氨酯（PVC/TPU）共混材料开展静动态拉伸力学性能测试，并基于断裂伸长率和邵氏硬度进行成型方式和共混比优选。进一步获取了共混材料在较宽应变率范围（0.001~700 s^-1）的应力⁃应变数据，并进行了拉伸断面的微观表征。结果表明，模压成型材料断裂伸长率更高，共混比为90/10时材料具有最高的断裂伸长率，邵氏硬度符合试验假人软组织材料的硬度范围（邵尔40~70 A）。共混比为90/10（PVC/TPU）材料在静动态载荷下均具有显著的应变率效应。选取朱⁃王⁃唐（ZWT）方程和Sherwood⁃Frost方程构建了材料的本构模型，对比发现Sherwood⁃Frost方程拟合效果更好。形貌分析发现，静动态加载下，材料均为典型的脆性断裂，未出现明显的相分离现象。随着应变率的增加，断面逐渐变粗糙，并产生空穴及微小裂纹。

关键词: 聚氯乙烯, 热塑性聚氨酯, 应变率, 本构模型

Abstract:

In this study， both universal material testing and high⁃speed tensile testing machines were used to measure the static and dynamic tensile mechanical properties of the poly（vinyl chloride）（PVC）/thermoplastic polyurethane （TPU） blends by using two molding methods and six blending ratios. The molding methods and blending ratios were optimized according to the fracture elongation and Shore hardness of the blends. The stress⁃strain data were obtained in a wide strain⁃rate range of 0.001~700 s^-1， and microscopic characterization was carried out up on the cross⁃section of the tensile samples. The results indicated that the molded material obtained higher fracture elongation， and it achieved maximum fracture elongation at a PVC/TPU mass ratio of 90/10. The Shore hardness meets the hardness range of the soft tissue material of the test dummy （Shore 40~70 A）. The PVC/TPU （90/10） blends exhibited a significant strain⁃rate effect under both static and dynamic loads. The Zhu⁃Wang⁃Tang′s and Sherwood Frost′s equations were employed to construct a constitutive model for the blends， and a comparative investigation indicated that the Sherwood Frost′s equation had better fitting effect. The topography analysis indicated that under static and dynamic loads， the blends exhibited a typical brittle fracture without significant phase separation. As the strain rate increased， the cross⁃section became rough gradually and produced voids and small cracks.

Key words: poly（vinyl chloride）, thermoplastic polyurethane, strain rate, constitutive model

中图分类号:

TQ325.3

雷经发, 胡基波, 刘涛, 吴文奇, 沈朝阳. PVC/TPU共混材料静动态力学性能及本构模型研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 1-6.

LEI Jingfa, HU Jibo, LIU Tao, WU Wenqi, Shen Zhaoyang. Study on static and dynamic mechanical properties and constitutive model of PVC/TPU blends[J]. China Plastics, 2024, 38(5): 1-6.

图/表 13

图1 PVC/TPU共混材料的力学性能

Fig.1 Mechanical properties of the PVC/TPU blends

图2 延伸率及邵氏硬度与TPU含量的关系

Fig.2 Relationship between elongation， shore hardness and TPU content

图3 共混材料的准静态拉伸应力⁃应变曲线

Fig.3 Quasi static tensile stress⁃strain curves of the blends

图4 共混材料准静态拉伸前后

Fig.4 The blend material before and after quasi⁃static tension

图5 共混材料的动态拉伸应力⁃应变曲线

Fig.5 Dynamic tensile stress⁃strain curves of the blends

图6 各应变率下90/10共混材料的力学性能

Fig.6 Mechanical properties of the blends at various strain rates

图7 共混材料动态拉伸前后

Fig.7 The blend material before and after dynamic stretching

图8 各应变率下共混材料的断面微观形貌

Fig.8 Microscopic morphology of cross⁃section of the blends at various strain rates

图9 ZWT模型结构示意图

Fig.9 Schematic diagram of the structure of ZWT model

应变率/s^-1	E₀/MPa	E₁或E₂/MPa	α/MPa	β/MPa	θ₁或θ₂/s	R²/%
0.001	0.047 8	0.778 0	-1.623 2×10^-4	3.654 6×10^-7	6.149	99.83
0.01	0.063 5	5.486 3	-2.393 8×10^-4	5.138 4×10^-7	7.613	99.78
0.1	0.083 3	12.897 6	-3.761 2×10^-4	8.055 2×10^-7	51.485	99.74
100	0.044 2	5 268.966 1	-6.481 4×10^-5	3.405 4×10^-8	1×10^-6	99.12
400	0.057 0	8 117.692 4	-1.025 7×10^-4	5.827 5×10^-8	1.233 9×10^-6	94.58
700	0.134 8	32 744.138 8	-4.314 6×10^-4	4.386 7×10^-7	1.010 2×10^-6	98.18

表1 ZWT模型拟合参数值

Tab.1 ZWT model fitting parameter values

图10 ZWT模型拟合曲线与实验数据对比

Fig.10 Comparison of ZWT model fitting curves and the experimental data

应变率/s^-1	A₁	A₂	A₃	C	R²/%
0.001	0.294 0	-5.049 6×10^-4	5.009 3×10^-6	-0.173 0	99.95
0.01	0.278 3	-4.079 2×10^-4	3.216 8×10^-6	-0.204 7	99.98
0.1	0.307 7	-7.978 7×10^-4	3.916 7×10^-6	-0.259 1	99.99
100	0.088 0	-1.041 6×10^-4	1.286 2×10^-7	-0.863 0	98.57
400	0.050 1	-7.414 1×10^-5	8.378 7×10^-8	-1.993 0	99.44
700	0.040 3	-9.126 4×10^-5	1.121 3×10^-7	-3.761 1	99.70

表2 Sherwood⁃Frost模型拟合参数

Tab.2 Sherwood⁃Frost model fitting parameters

图11 Sherwood⁃Frost模型拟合曲线与实验数据对比

Fig.11 Comparison of Sherwood⁃Frost model fitting curves and the experimental data

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