利用粘弹性建模对动态载荷作用下结构化聚氨酯复合材料的孔隙体积损失进行表征

《Polymer Testing》：Characterisation of the void volume loss of dynamically loaded structured polyurethane composites using viscoelastic modelling

本研究提出了一种基于广义Maxwell模型的新方法，用于计算动态压缩下压榨带的孔隙体积损失。通过实验验证，该方法与光学测量结果误差在±2.7%以内。研究表明，材料配方和工况条件（如水饱和、温度）对孔隙体积损失影响显著，而沟槽几何影响较小。该模型为优化造纸机压榨带设计提供了理论支持。

　　在纸张制造过程中，压带作为关键部件，其性能直接影响到纸张脱水效率。压带通常由编织的增强纤维嵌入浇铸聚氨酯（PU）基体构成，其结构设计与材料特性对于脱水过程至关重要。在压榨区，压带承受高度动态的压缩载荷，导致其内部“空隙体积”减少，从而影响脱水效果。本研究致力于开发一种新的计算方法，用于预测在动态载荷下压带的空隙体积损失，并验证其准确性。通过该方法，可以定量分析材料配方、几何结构、温度和饱和条件对空隙体积损失的影响，进而优化压带设计与操作条件。

压带的空隙体积损失主要源于其聚氨酯基体在动态压缩下的粘弹性行为。当压带在鞋式压榨机中工作时，其承受的载荷速率通常高达1000 MPa/s，远高于以往研究中所使用的静态或准静态条件。以往的研究虽然在一定程度上揭示了材料配方对空隙体积损失的影响，但未能充分考虑动态载荷条件下的变化。因此，本研究提出了一种基于粘弹性模型的新方法，通过结合实验获得的模量函数，实现了对空隙体积损失的动态预测。

研究中使用的压带样品分为不同材料配方和沟槽几何结构的类型。材料配方包括两种聚氨酯（PU-A和PU-B），其硬度分别为96 Shore-A和95 Shore-A。沟槽几何结构则通过不同的LG比（即土地与沟槽的比值）进行区分。实验过程中，部分样品在模拟压榨机环境的条件下进行了水饱和处理，并在60 °C的温度下进行测试，以研究温度对空隙体积损失的影响。通过多次重复实验，研究团队获取了在不同载荷和载荷速率下的数据，并利用最小二乘法拟合出适用于不同LG比的空隙体积损失函数。

研究结果表明，材料配方对空隙体积损失的影响显著高于沟槽几何结构。在相同的载荷条件下，PU-A-I和PU-B-I样品的空隙体积损失分别为55.9%和78.2%，说明不同的聚氨酯配方会导致不同的压缩行为。当载荷速率增加时，空隙体积损失会减少，表明动态载荷下压带的粘弹性特性对变形具有抑制作用。例如，在12 MPa载荷下，载荷速率从1 MPa/s增加到1000 MPa/s时，PU-A-I和PU-B-I的空隙体积损失分别减少到36.8%和57.7%。这一现象进一步验证了粘弹性材料在动态载荷下的响应特性。

水饱和对空隙体积损失的影响尤为显著。在25 °C条件下，水饱和使空隙体积损失增加了20%，对于PU-A-I样品，这一变化导致空隙体积损失达到91.2%，几乎完全闭合。而对于PU-B-I样品，水饱和的影响相对较小，仅增加了1.5%的空隙体积损失。温度升高同样对空隙体积损失产生影响，特别是在动态载荷条件下，PU-A-I样品的空隙体积损失增加了14.6%，而PU-B-I样品的增加幅度较小。这些结果表明，环境因素如水饱和和温度对聚氨酯基体的模量有显著影响，从而改变其压缩行为和空隙体积损失。

此外，研究还发现，沟槽几何结构对空隙体积损失的影响相对较小。在相同的载荷条件下，随着LG比的增加，空隙体积损失呈现出近似线性增长的趋势。然而，这种增长趋势在不同载荷速率下有所变化，且对动态载荷的敏感度较低。这表明，沟槽几何结构虽然在一定程度上影响空隙体积损失，但其作用远不如材料配方显著。因此，优化压带性能的关键在于选择合适的材料配方，而非仅依赖沟槽设计。

本研究提出的计算方法基于两个串联的广义三参数Maxwell模型，通过实验获得的模量函数，能够准确预测在不同载荷和载荷速率下的空隙体积损失。该方法在光学验证中表现出良好的精度，其预测结果与实际测量值的偏差在±1.3%到±2.7%之间。这一精度表明，该方法可以用于实际压榨机操作条件下的空隙体积损失预测，为压带设计和操作优化提供了理论依据和计算工具。

进一步的研究还揭示了空隙体积损失与载荷速率之间的关系。对于PU-A-I样品，在12 MPa载荷下，载荷速率从1 MPa/s增加到1000 MPa/s时，空隙体积损失减少了约20%。这一现象表明，快速载荷能够有效抑制聚氨酯基体的粘性流动，使其主要表现为弹性响应，从而减少沟槽变形和空隙体积损失。然而，水饱和和温度升高会降低基体的模量，增加空隙体积损失，这与聚氨酯材料的物理特性密切相关。

本研究的结果对于优化压带设计和操作条件具有重要意义。首先，它表明在压榨机操作中，选择具有较高动态压缩模量的材料配方可以有效减少空隙体积损失，从而提高脱水效率。其次，沟槽几何结构虽然在一定程度上影响空隙体积损失，但其作用远不如材料配方显著。因此，在设计压带时，应优先考虑材料配方的优化，而非过度依赖沟槽结构。此外，水饱和和温度升高会降低基体的模量，增加空隙体积损失，因此在实际操作中，应尽量避免这些不利条件，以维持压带的性能。

通过本研究，团队不仅开发了一种新的计算方法，还建立了一个适用于不同沟槽几何结构的空隙体积损失预测模型。该模型能够在载荷和载荷速率变化的条件下，准确预测空隙体积损失的变化趋势。这一成果为纸张制造行业提供了一个重要的工具，使工程师能够更好地理解和优化压带的性能，从而提高脱水效率和生产质量。

综上所述，本研究在动态载荷条件下揭示了压带空隙体积损失的影响因素，并开发了一种基于粘弹性模型的计算方法。该方法不仅能够准确预测空隙体积损失，还为材料配方和沟槽几何结构的选择提供了理论支持。未来的研究可以进一步扩展该方法的应用范围，包括其他类型的压带设计和不同材料配方的分析，以推动纸张制造行业的技术进步和可持续发展。