PL222842B1 - Sposób wytwarzania gradialnej pianki poliuretanowej o ujednorodnionym rozkładzie właściwości mechanicznych, zwłaszcza pianki auksetycznej - Google Patents

Abstract

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie wytwarzania gradialnej pianki poliuretanowej o ujednorodnionym rozkładzie właściwości mechanicznych zwłaszcza pianki auksetycznej na poduszki siedzisk. Wyjściowy blok pianki poliuretanowej wycina się w kształcie ściętego ostrosłupa lub pryzmy i poddaje wielostopniowej mechanicznej kompresji objętościowej w odczynniku chemicznym zmiękczającym jej materiał za pomocą zestawu form o ścianach z otworami o nieregularnych lub regularnych kształtach i wymiarach od 10 do 20% mniejszych dla kolejnych stopni kompresji do finalnego stopnia kompresji. Piankę osusza się po każdym stopniu kompresji. Tak wykonaną piankę gradialną zagęszcza się mechanicznie w procesie jednostopniowej lub wielostopniowej kompresji objętościowej w odczynniku chemicznym za pomocą form o kształtach nieregularnych lub regularnych ze ścianami wyposażonymi w otwory i wymiarach od 10 do 20% mniejszych dla kolejnych stopni kompresji. Piankę osusza się po każdym stopniu kompresji. Piankę zagęszcza się do osiągnięcia odpowiednio 50% i 40% wymiaru dolnej i górnej podstawy pianki wyjściowej i około 50% wysokości w stosunku do wymiaru wyjściowego, po czym zanurza się w odczynniku chemicznym na czas potrzebny do tego, aby pianka rozprężyła się i wypełniła formę o wymiarach finalnego stopnia kompresji (wyrobu). Dalej piankę poddaje się oddziaływaniu temperatury dla ustabilizowania własności.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania gradialnej pianki poliuretanowej o ujednorodnionym rozkładzie właściwości mechanicznych, zwłaszcza pianki auksetycznej na poduszki siedzisk.

Materiały auksetyczne, czyli o ujemnym współczynniku Poissona charakteryzują sie taką strukturą, która zwiększa swoje wymiary poprzeczne przy rozciąganiu i zmniejsza przy ściskaniu. Takie zachowanie jest odmienne niż w materiałach konwencjonalnych takich jak guma, stal, pianka poliuretanowa, charakteryzujących się dodatnim współczynnikiem Poissona, które podczas rozciągania zmniejszają swój przekrój poprzeczny. Możliwy jest również współczynnik Poissona równy zero. Materiały charakteryzujące się takim współczynnikiem, na przykład korek, nie zmieniają swoich wymiarów w przekroju poprzecznym zarówno podczas rozciągania jak i ściskania. Materiały auksetyczne charakteryzują się również między innymi większą odpornością na obciążenie udarowe, tworzeniem powierzchni podwójnie zakrzywionej pod wpływem zginania, lepszymi właściwościami tłumiącymi w stosunku do tradycyjnej pianki poliuretanowej. Za takie zachowanie tych materiałów odpowiada geometria wewnętrzna struktury, o komórkach z załamanymi ściankami w kształcie kolanek, umożliwiająca ich odpowiednią deformację. Taką strukturę wytwarza się w procesie przekształcania pianki poliuretanowej, złożonej z komórek otwartych w piankę auksetyczną.

W znanym ze zgłoszenia wynalazku nr GB 2489457A sposobie wytwarzania materiału gradialnego w tym gradialnej pianki auksetycznej, materiał o wyjściowym kształcie regularnym lub nieregularnym poddaje się mechanicznej kompresji w formie o dostosowanym do założonego współczynnika Poissona kształcie nieregularnym lub regularnym i jednocześnie podgrzewa się a następnie chłodzi.

W innej postaci znanego sposobu materiał o wyjściowym kształcie poddaje się działaniu czynnika chemicznego podczas mechanicznej kompresji w formie o kształcie nieregularnym lub regularnym a następnie osusza się.

Przedstawione procesy wytwarzania wymuszają zmianę geometrii w wewnętrznej strukturze pianki, powodującej wytworzenie w niej kolankowej struktury ścian komórek o zmiennym kącie pomiędzy kolankami. W wyniku zastosowania znanych sposobów, można uzyskać piankę gradialną o ujednorodnionym rozkładzie właściwości mechanicznych, ale tylko dla dużego współczynnika kompresji objętościowej, rozumianego, jako stosunek objętości pianki w stanie wyjściowym do objętości pianki po przetworzeniu. Pianka o dużym współczynniku kompresji jest nieprzydatna do zastosowania na poduszki siedzisk, ponieważ wykazuje dodatni współczynnik Poissona przy ściskaniu. Dla pianki o mniejszym współczynniku kompresji, znany sposób wytwarzania pianki gradialnej o zmiennym współczynniku Poissona nie zapewnia ujednorodnionych właściwości mechanicznych w całej objętości. Pod względem właściwości mechanicznych taka pianka ma mniejszą sztywność w środkowym obszarze, szczególnie przy większych gabarytach przetwarzanej pianki. Ponadto uzyskanie pianki auksetycznej w jednorazowym procesie wytwarzania wiąże sie z możliwością wystąpienia niedoskonałości struktury w postaci zafałdowań. Oprócz tego pianka wytwarzana przy zastosowaniu tylko czynnika chemicznego powraca z czasem do swojego pierwotnego kształtu ograniczając w ten sposób praktyczne wykorzystanie.

Uzyskanie gradialnej pianki bez powyższych wad, posiadającej regularny lub nieregularny kształt i ujednorodniony rozkład właściwości mechanicznych, zwłaszcza pianki auksetycznej na poduszki siedzisk o zmiennym, ujemnym współczynniku Poissona, w tym wzdłuż kierunku, w którym ona będzie poddawana naprężeniom w warunkach eksploatacji jest możliwe w sposobie według wynalazku, którego istota polega na tym, że wyjściowy blok pianki poliuretanowej wycina się w kształcie ściętego ostrosłupa lub pryzmy i poddaje wielostopniowej kompresji objętościowej w odczynniku chemicznym zmiękczającym jej materiał za pomocą zestawu form ze ścianami o nieregularnych lub regularnych kształtach, zawierającymi otwory o wymiarach od 10 do 20% mniejszych dla kolejnych stopni kompresji do uzyskania finalnego stopnia kompresji. Piankę osusza się po każdym stopniu kompresji. Tak uzyskaną piankę gradialną zagęszcza się w procesie wielostopniowej kompresji objętościowej, w odczynniku chemicznym za pomocą form ze ścianami o kształtach nieregularnych lub regularnych, wyposażonymi w otwory o wymiarach od 10 do 20% mniejszych dla kolejnych stopni kompresji. Piankę zagęszcza się do osiągnięcia odpowiednio 50% i 40% jej wymiaru dolnej i górnej podstawy i około 50% wysokości w stosunku do wymiaru wyjściowego. Piankę osusza się po każdym stopniu kompresji. Zagęszczoną i osuszoną piankę wprowadza się ponownie do formy o wymiarach finalnego stopnia kompresji i zanurza w odczynniku chemicznym na czas potrzebny do tego, aby pianka rozprężyła się i wypełniła formę, a po odsączeniu i odparowaniu odczynnika, przed wyjęciem pianki z formy

PL 222 842 B1 podgrzewa się ją do temperatury bliskiej lub wyższej od temperatury jej mięknienia. Po ostudzeniu do temperatury otoczenia i wyjęciu pianki z formy poddaje się ją ręcznemu rozprężeniu we wszystkich kierunkach w celu zapobieżenia adhezji kolanek komórek pianki po czym piankę umieszcza się ponownie w formie o wymiarach finalnego stopnia kompresji i wytrzymuje w podwyższonej temperaturze poniżej temperatury mięknienia a następnie ochładza do temperatury otoczenia.

Zaletą sposobu według wynalazku jest uzyskanie pianki auksetycznej charakteryzującej się ujemnym współczynnikiem Poissona przy naprężeniach ściskających i ujednorodnionym rozkładzie właściwości mechanicznych. Możliwe jest zmniejszenie rozrzutu naprężeń nawet ponad 40% w stosunku do pianki wykonanej według znanego sposobu. Natomiast ujemny współczynnik Poissona zmienia się w sposób płynny wewnątrz struktury pianki w kierunku, w którym będzie ona poddawana naprężeniom w warunkach eksploatacji, jako materiał na poduszkę siedziska.

Przykład realizacji sposobu według wynalazku przedstawiono poniżej.

Przykład

Próbkę z pianki poliuretanowej, poliuretanowej o symbolu S28280 o gęstości 26,5 kg/m i współczynniku Poissona przy ściskaniu równym 0,45 przy odkształceniu podłużnym 2% oraz o wymiarach podstawy dolnej 225x225 mm i górnej 176x176 oraz wysokości 74 mm poddaje się czterostopniowej trójosiowej kompresji mechanicznej w formach ze ścianami o kształtach regularnych zawierających otwory w kształcie prostokąta o wymiarach 36x4 mm i wymiarach 216x216x72, 192x192x64, 170x170x56 i finalnej kompresji w formie 150x150x50 mm. Każdą formę ze skompresowaną pianką zanurza się w acetonie na czas 4 minuty po czym odsącza i suszy. Następnie tak uzyskaną piankę gradialną zagęszcza się mechanicznie w formach o ścianach z otworami w kształcie prostokąta o wymiarach 36x4 mm i wymiarach 136x136x45, 122x122x41 mm i ostatecznie w formie o wymiarach 108x108x36 mm. Po każdym stopniu kompresji piankę w formie zanurza się na 4 minuty w acetonie po czym osusza. Następnie zagęszczoną piankę wkłada się ponownie do formy o wymiarach 150x150x50 mm i zanurza w acetonie na 10 sekund. Po odsączeniu i odparowaniu acetonu, formę z pianką umieszcza się w suszarce o temperaturze 180°C i wygrzewa przez okres 27 minut. Po ostudzeniu wytworzoną piankę wyjmuje się z formy i rozpręża ręcznie we wszystkich kierunkach. Następnie piankę ponownie umieszcza sic w formie 150x150x50 mm i wygrzewa w czasie 60 minut i temperaturze 120°C po czym piankę ostudza się do temperatury otoczenia i wyjmuje z formy uzyskując kształtkę gradialną o wymiarach 148x148x49 mm. Współczynnik kompresji objętościowej kształtki wyniósł około 2,7. Współczynnik kompresji liniowej (stosunek wymiaru po kompresji do wymiaru przed kompresją) podstawy dolnej wyniósł 0,66, podstawy górnej 0,85 i wysokości kształtki 0,65.

Kształtkę poddano badaniom właściwości wytrzymałościowych przy ściskaniu. Właściwości wytrzymałościowe kształtki: naprężenie maksymalne o_m przy 77% odkształcenia i naprężenie CV₄₀ przy ściskaniu wzdłuż grubości kształtki, wyznaczone przy prędkości 100 mm/min wynoszą odpowiednio 166,4 kPa i 22,0 kPa. Po rozcięciu kształtki na 9 równych części wzdłuż linii równoległych do krawędzi i zbadaniu każdej części uzyskano naprężenie maksymalne o_m o wartości średniej, maksymalnej i minimalnej odpowiednio 160,8 kPa, 182,8 kPa i 132,2 kP oraz naprężenie CV₄₀ o wartości średniej, maksymalnej i minimalnej odpowiednio 18,4 kPa, 20,6 kPa i 15,4 kPa. Rozrzut naprężenia maksymalnego wynosi 50,6 kPa oraz naprężenia CV₄₀ 5,2 kPa. Oznacza to, że zastosowanie w procesie wytwarzania auksetycznej kształtki gradialnej dodatkowego procesu zagęszczania i rozprężania powoduje zmniejszenie rozrzutu naprężenia maksymalnego o 40% i naprężenia CV₄₀ o 43% w stosunku do kształtki wykonanej według znanego sposobu.

Wynalazek znajduje główne zastosowanie, jako materiał poduszek siedzisk i może być stosowany, jako zamiennik poliuretanowych struktur wielowarstwowych o różnej gęstości pianki w każdej warstwie jednego bloku, gdy wymagana jest zmiana gęstości materiału na jednym wymiarze struktury oraz płynnej zmianie gęstości i właściwościach auksetycznych w kierunku naprężeń ściskających, wynikających z warunków eksploatacji.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania gradialnej pianki poliuretanowej o ujednorodnionym rozkładzie właściwości mechanicznych, zwłaszcza pianki auksetycznej na poduszki siedzisk, w którym piankę poliuretanową o wyjściowym kształcie regularnym lub nieregularnym poddaje się mechanicznej kompresji trójosiowej w formie o kształcie nieregularnym lub regularnym, a następnie piankę w formie zanurza

   PL 222 842 B1 się w odczynniku chemicznym, po czym suszy się i podgrzewa do temperatury bliskiej lub wyższej od temperatury mięknienia, znamienny tym, że wyjściowy blok pianki poliuretanowej wycina się w kształcie ściętego ostrosłupa i poddaje wielostopniowej mechanicznej kompresji objętościowej w odczynniku chemicznym zmiękczającym jej materiał za pomocą zestawu form o nieregularnych lub regularnych kształtach ścian zawierających otwory i wymiarach od 10 do 20% mniejszych dla kolejnych stopni kompresji do finalnego stopnia kompresji, osuszając piankę po każdym stopniu kompresji, po czym tak wykonaną piankę gradialną zagęszcza sie mechanicznie w procesie wielostopniowej kompresji objętościowej w odczynniku chemicznym za pomocą form ze ścianami o kształtach nieregularnych lub regularnych wyposażonych w otwory i wymiarach od 10 do 20% mniejszych dla kolejnych stopni kompresji, piankę zagęszcza się do osiągnięcia odpowiednio 50% i 40% wymiaru dolnej i górnej podstawy pianki i około 50% wysokości w stosunku do wymiaru wyjściowego, piankę osusza się po każdym stopniu kompresji.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zagęszczoną piankę gradialną wprowadza się do formy o wymiarach finalnego stopnia kompresji i zanurza się w odczynniku chemicznym na czas potrzebny do tego, aby pianka rozprężyła sie i wypełniła formę przy czym po odsączeniu i odparowaniu odczynnika, przed wyjęciem pianki z formy podgrzewa się ją do temperatury bliskiej lub wyższej od temperatury jej mięknienia, a po ostudzeniu do temperatury otoczenia i wyjęciu pianki z formy poddaje się ją ręcznemu rozprężeniu we wszystkich kierunkach w celu zapobieżenia adhezji kolanek komórek pianki po czym piankę umieszcza się ponownie w formie o wymiarach finalnego stopnia kompresji i wytrzymuje w podwyższonej temperaturze poniżej temperatury mięknienia, a następnie ochładza się do temperatury otoczenia.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że wyjściowy blok pianki poliuretanowej wycina się w kształcie pryzmy.