Глоссарий

• Прочность при сжатии

Одна из основных областей применения однокомпонентных монтажных пен — термо- и звукоизоляция стыковых соединений. Такие соединения должны поглощать движение элементов строительной конструкции, вызванное изменением температуры, ветровой нагрузкой и т.д. и обеспечивать определенную гибкость, чтобы выдерживать продолжительное воздействие таких нагрузок. Эта гибкость может быть измерена усилием сжатия куска монтажной пены. Результат пропорционален степени сжатия. Типичное значение — сжатие на 10%.***

Потенциал парникового эффекта Показатель способности веществ вызывать нагрев атмосферы. Все показатели ППЭ даны по отношению к диоксиду углерода, как наиболее известного газа, обладающего потенциалом парникового эффекта. ППЭ диоксида углерода равен 1. HFC 132а по шкале Агентства охраны окружающей среды считается газом с высоким ППЭ. Используемый большинством производителей однокомпонентных монтажных пен HFC 132а имеет ППЭ 1300, что означает, что его потенциал парникового эффекта в 1300 раз выше, чем у диоксида углерода. Henkel перестал использовать R 134a в составе монтажных пен задолго до его запрещения.

Полиэтилен

Полимерное соединение, содержащее множество уретановых связей (-N-C-O-). Сокращенно ПУ

• Пористый материал

Пористыми называются материалы, частично или полностью пропускающие через себя жидкости и/или газы (например, дерево, стеклопластик, пробка и т.д.). С другой стороны, непористые материалы не пропускают жидкости или газы (например, стекло, металлы, пластмассы).

• Прочность на сдвиг

Прочность на сдвиг является важным свойством пены, необходимым для оценки ее фиксирующей способности, особенно при установке дверных коробок. Полезно рассчитать необходимую площадь фиксации (для веса конкретного дверного полотна или наоборот. Этот тест также позволяет определить точку разрушения фиксации, которая может находиться либо внутри пены (когезионное разрушение) или между пеной и соединяемой поверхностью (потеря адгезии).

Первое независимое тестирование профессиональных монтажных пен

Результаты независимого тестирования профессиональных монтажных пен

Стало быть, уже не так должны мы заботиться о том, что скажет о нас большинство, а должны заботиться о том, что скажет о нас тот, кто понимает, что справедливо и что несправедливо, — он один да еще сама истина

Сократ (470 до н.э. —399 до н.э.)

Производство окон представляет собой довольно точный процесс, который не заканчивается в тот момент, когда уже готовая конструкция покидает помещение цеха. Для того, чтобы окно на протяжении долгих лет служило заказчику, недостаточно ограничиться лишь выбором качественных материалов и поиском фирмы-производителя с исключительными отзывами. Практически 50% качества работы окна и его эксплуатационных характеристик зависит от правильно проведенного монтажа и грамотно подобранных материалов в зависимости от каждого случая установки.

Понимание важности процесса проведения монтажа оконной конструкции и проблемы выбора качественных материалов легло в основу цикла маркетинговых и физико-технических исследований «В помощь оконщику». Данное мероприятие ставит своей задачей охват широкого спектра материалов и комплектующих для производства и монтажа окон. Организаторами независимых исследований выступили Интернет-каталог www.fasadinfo.com и технико-аналитическое издание «Оконные технологии».

Еще одним фактором, который подтолкнул организаторов к проведению данного мероприятия, стал тот неизмеримый поток низкокачественной продукции, хлынувший на отечественный рынок СПК, дабы удовлетворить спрос в дешевых материалах и комплектующих. Ведь, после изменения динамики роста, на оконном рынке началась ожесточенная борьба за выживание. А стремление снизить себестоимость изделия вновь толкнули производителей искать варианты удешевления окна порой даже в ущерб качеству. Задачей было также выявить те марки, которые причисляют себя к тому или иному классу качества необоснованно, вводя потребителя в заблуждение явно завышенными показателями на упаковке, либо характеристиками, которые не могут быть легко проверены без специальных испытаний.

Первым из общего цикла исследования, по обозначенным причинам, стало тестирование профессиональных полиуретановых монтажных пен, которые представлены на отечественном рынке. В ходе этого мероприятия было запланировано следующее:

— проверить соответствие материалов существующим стандартам и нормативам;

— вывести рейтинг производителей пены по ключевым параметрам и характеристикам;

— проверить соответствие информации, предоставляемой покупателю, реальному качеству продукции;

— провести общий конкурентный анализ продукции.

Несмотря на то, что это первый опыт проведения таких масштабных проектов для Интернет-каталога www.fasadinfo.com и технико-аналитического издания «Оконные технологии», идея его проведения была с большой инициативой поддержана ведущими производителями профессиональных монтажных пен. В ряд участников вошли лидирующие в Украине производители данной продукции, которые представлены в большинстве своем европейскими и ближневосточными торговыми марками.

К исследованию проявили интерес и представители официальных учреждений, среди которых присутствовали: Мещеряков В.А. (исполнительный директор ассоциации «Украинские производители светопрозрачных конструкций»), а также ведущий специалист отдела испытаний светопрозрачных конструкций института Киев ЗНИИЭП Максим Лозан.

Для того, чтобы провести сравнительный анализ и дать более полную оценку продукции в ходе исследования дополнительно было приобретено несколько образцов профессиональной пены, которая представлена в розничной сети. Организаторы столкнулись с отсутствием официальных представителей данной пены в Украине и, соответственно, невозможностью привлечения их в качестве участников. А, учитывая довольно обширный спектр торговых марок, которые реализуются через рынки и небольшие строительные магазины, единственно правильным решением по выбору образца было определить дополнительные торговые марки для испытания по своему усмотрению. Для этого была приобретена продукция, которая реализовывалась по самым высоким розничным ценам и предлагалась продавцами, как товар наилучшего качества. Еще одним критерием было широкое присутствие этой пены в розничной сети. Кроме того, одним из участников тестирования был отечественный производитель монтажных пен.

Для того, чтобы не публиковать результаты исследования продукции без согласования с его производителями и исключения обвинений в необъективности, ввиду отсутствия последних в ходе тестирования и фиксации результатов, торговые марки, выбранные в качестве дополнительных образцов полиуретановых пен производства Турции и Украины, приводятся под условными названиями.

Возвращаясь к общему регламенту исследования монтажных пен, отметим, что он включал комплекс тестов и замеров, которые проходили в четыре этапа на протяжении 9 дней.

Этапы проведения исследования

День 1:

—   фиксирование показателей, указанных производителем на баллоне;

—   выдув пены в коробы, определение первичного расширения пены;

— фиксирование показателей по времени образования нелипнущей пленки и времени первичного затвердения;

—     выдув пены в П-образные формы для определения стойкости к стеканию;

— выдув пены в формы для получения образцов для исследования на гигроскопичность.

День 2:

—          фиксирование показателей вторичного расширения пены, оценка стойкости к стеканию (адгезия к поверхности).

День 8:

— проверка усадки пены;

— оценка размеров и равномерности пор;

— испытание на сжатие образцов монтажной пены.

День 9:

— определение гигроскопичности пены.

Далее приводится подробное описание процесса тестирования и фиксируемых результатов по итогам каждого испытания. Обращаем Ваше внимание на то, что целью проведённых исследований было сравнение потребительских свойств пен различных производителей, представленных на рынке Украины. Мы стремились, применяя доступные средства, выявить наиболее сильные стороны монтажных пен и показать их потребителю в сравнении с показателями других аналогичных пен.

Результаты проведённых испытаний не могут быть использованы в качестве материалов для научных работ.

Подробное описание проводимых испытаний

Первым этапом сравнительного исследования был выпуск пены из баллонов в картонные коробки. У подготовленных к заполнению пеной картонных коробок измерили длину и ширину днища, показатели длины и ширины занесли в протокол. Изготовили П-образные желоба из гофрокартона и подготовили ёмкости с поверхностью, к которой не прилипает монтажная пена (упаковки со слоем полиэтилена на стенках).

Подсоединяя пистолет к баллону, проверяли прочность крепления венчика (крестовины). Наиболее прочно венчики держались на баллонах с пеной «Tytan 65 O_2»и «Magic Pro»,а на баллонах TUR1 и TUR2 — проворачивались практически без сопротивления. В зависимости от прочности крепления венчика каждому производителю пен, которые участвовали в сравнительных испытаниях, было присвоено определённое количество баллов по показателю «Надёжность крепления венчика». Баллы распределились следующим образом: «Tytan 65 O_2»и «Magic Pro» получили по восемь баллов и были признаны лучшими по этому показателю; «Penosil» и UK1 получили по семь баллов; «Den Braven» и «Hercul» заработали по шесть баллов, и по пять баллов досталось пенам TUR2 и TUR1.

Каждый баллон с пеной энергично встряхивался в течение 1 минуты. Пеной заполнялись картонные коробки, желоба и специальные упаковки. Жёлоб располагался вертикально, поверхность жёлоба смачивалась водой из распылителя. Пену наносили на вертикальную поверхность жёлоба в направлении сверху вниз. 

Фиксировалось время заполнения жёлоба, непрерывно контролировалось состояние поверхности пены. Фиксировали время появления нелипнущей плёнки на поверхности пены, полученное время образования плёнки заносилось в протокол сравнительных исследований. Быстрее всего покрылась плёнкой пена «Magic Pro» – за четыре минуты. Следующей, по времени образования нелипнущей плёнки, оказалась пена «Tytan 65 O_2», ей понадобилосьчетыре с половиной минуты. Далее, по времени образования плёнки, пены расположились так: «Penosil» – восемь с половиной минут, «Den Braven», UK1 и TUR2 – по девять минут каждая, «Hercul» – десять с половиной минут и TUR1 – двенадцать минут.

Для наиболее точного оценивания в баллах показателей, выражаемых в цифровом исчислении, использовалась следующая методика оценки: разница между максимальным и минимальным показателями (диапазон оценивания) делилась на количество торговых марок (участников испытаний), в результате чего получался «шаг балла». Затем каждому участнику начислялись баллы в зависимости от его реальных показателей, полученных в каждом конкретном испытании. Таким образом, максимальной оценкой была «9», минимальной – «1», а промежуточные оценки определялись, исходя из отношения показателя к шагу балла.

По показателю времени образования нелипнущей плёнки на поверхности пены оценочные баллы распределились следующим образом: максимальную оценку получила пена «Magic Pro» – девять баллов, следующей, по времени образования нелипнущей плёнки, оказалась пена «Tytan 65 O_2» — восемь с половиной баллов. Далее пены расположились так: «Penosil» – четыре с половиной балла, «Den Braven», UK1 и TUR2 – по четыре балла каждая, «Hercul» – два с половиной балла и TUR1 – один балл. Этот показатель важен для заполнения больших объёмов послойно. Чем быстрее покрывается плёнкой пена, тем меньше времени нужно ждать, чтобы нанести следующий слой, соответственно, тем быстрее можно выполнить работу.

Консистенцию пены, залитую в желоба, непрерывно контролировали с целью зафиксировать время первичного затвердения пены. Полученное значение времени первичного затвердения занесли в протокол сравнительных исследований. Быстрее всех затвердела пена UK1 – за девятнадцать с половиной минут — и заработала максимальные девять баллов. Следующей, за двадцать три с половиной минуты, затвердела пена TUR2, ее оценка — 7,44 балла. Остальные пены показали следующие результаты: «Tytan 65 O_2» – двадцать четыре минуты и 7,24 балла, по двадцать пять минут – «Penosil» и «Den Braven», которым было присвоено по 6,85 балла, TUR1 – двадцать восемь минут и 5,68 балла, «Hercul» – тридцать семь минут, за которые было присвоено 2,17 балла, и «Magic Pro» – сорок минут и один балл. Быстрое затвердевание пены позволяет быстрее начать обрезать излишки, обработать её.

Предварительно планировалось сравнить пены на устойчивость к стеканию, для этого и были изготовлены и заполнены пеной вертикальные желоба. Но все исследуемые пены показали очень хороший результат в этом отношении. Смещение пены за нижнюю отметку жёлоба было весьма незначительным, и, затруднившись интерпретировать это смещение, как стекание пены или просто её расширение, мы присвоили всем пенам высший балл оценивания устойчивости к стеканию — 9 баллов, отметив равную высокую устойчивость к стеканию у всех испытываемых пен.

Внутренние поверхности картонных коробок смачивали водой из распылителя. Коробки заполняли пеной послойно до полного выхода пены из баллонов. Каждый слой пены смачивали водой из распылителя, наносили следующий слой не раньше, чем через минуту после нанесения предыдущего слоя. Измерили высоту столба свежей пены в коробке, занесли значение высоты столба в протокол сравнительных исследований. Умножив высоту столбца пены на площадь основания коробки и прибавив один литр (объём пены, которая была использована для заполнения упаковок с полиэтиленовыми стенками и желобов), получили объём первичного расширения пены. Максимальный объём первичного расширения показал «Tytan 65 O_2» – 51,1 литра, за ним «Magic Pro» – 39,2 литра, «Penosil» – 38,1 литра, «Den Braven» – 29,6 литра, «Hercul» – 25,5 литра, UK1 и TUR1 – по 23,6 литра каждый, TUR2 – 22,1 литра. В зависимости от показателей первичного расширения каждой испытанной пене было присвоено определённое количество баллов. Баллы распределились следующим образом: максимальное количество баллов было отдано пене «Tytan 65 O_2» – 9 баллов, за ней следует «Magic Pro» – с 5,82 баллов, «Penosil» – 5,41 балла, «Den Braven» – 3,05 балла, «Hercul» – 1,92 балла, UK1 и TUR1 – по 1,41 балла каждый, TUR2 – 1 балл.

Несколько слов о впечатлениях от особенностей выдувания различных пен

«Tytan 65 O_2». Пены из баллона выходит много. Однако она не терпит спешки при использовании. Выдувать её нужно медленно и заполнять большие объёмы послойно, позволяя застыть предыдущему слою перед нанесением следующего. Иначе возможно образование пустот и каверн либо нитей полиуретана в массе пены, что может привести к снижению качества заполнения шва. Вынужденная медленность работы с этой пеной компенсируется отсутствием неприятного запаха и отсутствием выделения токсичных паров изоцианатов из свежей пены. После полного выхода пены из баллона в нём ещё находится остаточное давление вытесняющего газа, что следует учитывать при смене баллона на пистолете.

«Magic Pro». Пена очень устойчивая к стеканию и оплыванию. Создаётся ощущение «сухой» пены, тоесть как Вы её уложили, так она и затвердевает. Эту особенность пены следует учитывать при заполнении пустот сложной формы и тщательно следить за тем, чтобы сразу заполнять все «закоулки» шва, поскольку сама пена туда вряд ли заползёт. Пена идеально подходит для заполнения как вертикальных швов, так и для горизонтальных швов с достаточно большой высотой заполнения. Можно быть уверенным в том, что пена не сползёт, не оплывёт, не растечётся, а максимально сохранит форму, приданную ей во время выдувания из баллона, и обеспечит качественное и равномерное заполнение шва.

«Penosil». Наиболее удачно сбалансированная пена из тех, что были представлены в испытаниях. Удобная для нанесения плотная консистенция пены позволяет работать наиболее комфортно. Равномерность консистенции пены, как в начале выхода пены при почти полном баллоне, так и в конце выхода пены из почти пустого баллона, позволяет уделять меньше внимания настройкам пистолета. Умеренная мягкость свежей пены позволяет ей заполнить все неровности шва, и в то же время достаточно высокая устойчивость к оплыванию позволяет пене сохранять форму в шве.

«Den Braven» и «Hercul». Эти марки хорошо сбалансированы по консистенции и выходу пены. Некоторая неравномерность выхода вынуждает к более частому встряхиванию баллона во время выдува пены и дополнительного подстраивания пистолета. В ходе работы с пеной чувствуется определенный запах. Хотелось бы отметить отличное качество пистолета для пены торговой марки «Den Braven». Он обладает «растянутым» диапазоном движения пусковой скобы по отношению к степени открывания выходного отверстия. Это свойство в комплексе с исключительной мягкостью и плавностью хода пусковой скобы позволяет очень тонко регулировать выход пены и наносить её с почти хирургической точностью.

UK1, TUR1 и TUR2. Показали непредсказуемость поведения пены при выходе. Резкие смены скорости выхода пены из баллона и изменения консистенции требуют постоянного повышенного контроля процесса нанесения пены и гораздо более частого встряхивания баллона с пеной. Для улучшения перемешивания ингредиентов пены в баллоне UK1 находится специальный шарик.

Каждый баллон взвешивали до и после использования, таким образом получили массу выхода продукта в граммах. Испытываемые пены показали следующие результаты по массе выхода продукта: «Tytan 65 O_2» – 899граммов, «Magic Pro» – 880 граммов, «Penosil» – 874,5 грамма, «Den Braven» – 866,5 грамма, «Hercul» и TUR2 – по 809 граммов, TUR1 – 775,5 грамма и UK1 – 738,5 грамма.

После выхода пены из баллона, она, под действием выделяющихся в процессе полимеризации газов, продолжает расширяться ещё некоторое время.

Для полного расширения отливок пены они были выдержаны в течение суток. По истечении суток отливки были взвешены, и был измерен их объём. Таким образом, были получены показатели плотности пен, а также объём полного и вторичного расширения.

Наиболее плотной оказалась пена TUR2 – 17,4 грамма на литр, за этот показатель ей было присвоено максимальные девять баллов. Следующей за ней пеной была «Den Braven» – 16,73 грамма на литр и 8,47 балла. Далее пены расположились следующим образом: TUR1 – 16,41 грамма на литр и 7,91 балла, «Hercul» – 16,05 грамма на литр и 7,27 балла, «Penosil» – 15,5 грамма на литр и 6,33 балла, «Magic Pro» – 15,41 грамма на литр и 6,17 балла, UK1 – 14,02 грамма на литр и 3,76 балла и «Tytan 65 O_2» – 12,43 грамма на литр и один балл.

Максимальный объём полного расширения показал «Tytan 65 O_2» – 66,61литра и заслуженные девять баллов за этот показатель. За ним идёт «Penosil» – 51,72 литра и 3,9 балла. Далее «Magic Pro» – 51,26 литра и 3,8 балла, UK1 – 47,48 литра и 2,5 балла, «Den Braven» – 47,02 литра и 2,4 балла, «Hercul» – 45,45 литра и 1,8 балла, TUR1 – 45,25 литра и 1,7 балла и, наконец, TUR2 – 43,04 литра и один балл.

Как известно, одним из главных показателей качества профессиональной пены является минимальное вторичное расширение, при котором можно быть уверенным в том, что шов не «разопрёт» пеной и не деформирует сопрягаемые конструкции.

Минимальное вторичное расширение среди испытываемых торговых марок показали пены «Magic Pro» и «Tytan 65 O_2», показавшие значения 26,55 и 26,59 процентов вторичного расширения по отношению к объёму первичного выхода пены. Эти пены разделили первое место и получили по девять баллов каждая. Далее, по результатам вторичного расширения, пены распределились так: на втором месте «Penosil» – 30,5% и 8,52 балла, «Den Braven» – 52,36% и 5,88 балла, «Hercul» – 70,29% и 3,7 балла, TUR1 – 83,84% и 2,06 балла, TUR2 – 85,62% и 1,85 балла, UK1 – 92,64% и один балл.

Имея значения объёма полного расширения и стоимость пены, мы определили удельную стоимость каждого литра готовой затвердевшей пены. Для этого разделили стоимость баллона пены на значение максимального объёма полного расширения. Показатель стоимости готовой пены имеет намного большее значение, чем цена баллона, т.к. определяет реальную стоимость, которую платит покупатель за готовый продукт, а не за его упаковку.

Наилучшее соотношение цена/выход получилось у «Tytan 65 O_2»– 0,68грн./л, за что ему было начислено девять баллов. Следующей оказалась пена «Magic Pro» – 0,74грн./л и 7,01 балла. За ними TUR2 – 0,81грн./л и 4,77 балла, UK1 – 0,82грн./л и 4,63 балла, «Hercul» – 0,86грн./л и 3,39 балла, «Penosil» – 0,87грн./л и 3,02 балла, TUR1 – 0,88грн./л и 2,59 балла, «Den Braven» – 0,94грн./л и один балл

Одним из свойств, присущих монтажным пенам, является усадка пены. Она обусловлена тем, что вторичное расширение происходит под действием избыточного давления выделяющихся газов, растягивающих поры пены. После затвердевания пены газ диффундирует через стенки пор, избыточное давление внутри пор снижается, стенки пор под действием собственной упругости сокращаются, и поры уменьшаются в объёме. Вместе с уменьшением объёма пор уменьшается и общий объём пены. Чем меньше показатель усадки пены, тем выше качество самой пены.

Для определения степени усадки испытываемых пен полученные отливки-образцы были выдержаны в течение недели, после этого они были вновь измерены. Полученные результаты измерений сравнили с показаниями объёма полного расширения и определили показатели усадки.

Две пены из общего числа тестируемых не показали усадки вообще — это «Magic Pro» с показателем усадки 0,8% (0,8% расширения), заработавшая девять баллов, и «Tytan 65 O_2» с усадкой 0,7% (0,7% расширения), которому было начислено 8,93 балла. У остальных пен – участниц испытаний усадка и оценки за неё были такие: «Den Braven» – усадка 2,7% и 7,47 балла, UK1 – усадка 4,1% и 6,88 балла, TUR2 – усадка 4,3% и 6,77 балла, «Hercul» – 5,4% и 6,27 балла, «Penosil» – усадка 5,7% и 6,18 балла и TUR1 с усадкой 17,6% и одним баллом за этот показатель.

Для осмотра и оценки равномерности распределения размеров пор, отсутствия пустот в пене, отливки были разрезаны. Результаты осмотра смотрите на таблице 1.

Монтажные пены, зачастую, применяются для заполнения швов и пустот, подверженных температурным деформациям. Поэтому пены должны обладать упругими свойствами для того, чтобы при сжатии и последующем расширении обеспечить герметичность шва. Для сравнения упругих свойств испытываемых пен была проведена проверка на сжатие. Из каждой отливки ножом был вырезан образец в виде параллелепипеда с размерами основания, примерно, 10 см на 10 см и высотой, примерно, 8 см, из участка с наиболее равномерно расположенными порами без пустот и уплотнений. Размеры образца занесли в протокол сравнительных испытаний. Взвесили грузы для испытаний, их вес занесли в протокол сравнительных испытаний. В связи с тем, что весьма трудно вырезать из пены абсолютно одинаковые образцы для испытаний, было принято решение учитывать не вес груза, а давление, оказываемое на образец. Исходя из веса груза и площади основания образца, вычислили величину давления в килопаскалях, действию которого будет подвержен образец в ходе проверки.

Образец разместили на ровной горизонтальной поверхности. Положили на образец груз,выдержали образец под грузом в течение одного часа. По истечению часа измерили высоту образца под действием груза, занесли ее значение в протокол сравнительных испытаний. Зная давление, которому был подвержен образец, его исходную высоту и высоту под действием давления, определили величину упругой деформации, выразив её в единице %/КПа, то есть изменение высоты образца под действием давления в один килопаскаль, выраженное в процентах по отношению к начальной высоте образца. Сняли груз с образца и измерили высоту образца сразу после снятия груза. Занесли ее значение в протокол сравнительных испытаний. Определили значение остаточной деформации сразу после снятия груза, занесли в протокол сравнительных испытаний. Для того, чтобы позволить образцам максимально восстановить свою форму и размеры, после снятия нагрузки и определения значения остаточной деформации образцы были выдержаны в течение суток. Через сутки после снятия груза измерили высоту образца. Значение высоты занесли в протокол сравнительных испытаний. Определили значение остаточной деформации, занесли в протокол сравнительных испытаний.

Минимальный (нулевой) показатель остаточной деформации оказался у двух пен – «Penosil» и «Den Braven».

В этом испытании пены показали следующие результаты.

Одним из важных показателей качества пены является её низкая гигроскопичность. Пена, обладающая низкой гигроскопичностью, впитывает меньше воды, следовательно, меньше теряет в показателе теплоизоляции и меньше разрушается в результате заморозки.

Для сравнения показателей гигроскопичности исследуемых пен была проведена проверка гигроскопичности образцов пен погружением в воду и выдержкой в погружённом состоянии в течение суток. Кроме того, часть образцов выдерживали в воде с обрезанной гранью для определения разницы глубины проникновения воды внутрь образца через обрезанную и необрезанную поверхность. Для того, чтобы лучше увидеть границу проникновения воды внутрь образца, воду подкрасили чернилами.Измерили высоту, длину и ширину образцов,

которые были получены в результате заливки пены в специальные упаковки с покрытием, препятствующим налипанию пены. Значения размеров образцов занесли в протокол сравнительных испытаний. Взвесили образцы.Значение веса образцов занесли в протокол сравнительных испытаний. Погрузили образцы в ёмкость с водой, подкрашенной чернилами. Для недопущения всплывания образцов их зафиксировали в затопленном состоянии с помощью решётки и груза. Провели опрессовку образцов водой в течение 1 суток.

По истечению суток сняли фиксирующую решётку, извлекли образцы из воды. Взвесили образцы после опрессовки водой. Эти значения занесли в протокол сравнительных испытаний. Определили гигроскопичность, как процентное отношение количества воды, проникшей внутрь образца, к общему объёму образца. Ножом разрезали образцы вдоль по вертикали, измерили и сфотографировали глубину проникновения подкрашенной чернилами воды внутрь образцов. Разница между значениями глубин проникновения воды внутрь образцов через обрезанную и необрезанную поверхности оказалась весьма незначительной. Если через необрезанную поверхность вода проникала на 2-3 миллиметра внутрь образца пены, то через обрезанную поверхность образца вода проникла на 3-4 миллиметра.

Испытываемые пены в результате проверки показали следующие значения гигроскопичности.

TUR1 – 0,93% и девять баллов, «Magic Pro» – 1,09% и 8,61 балла, TUR2 – 1,14% и 8,48 балла, «Hercul» – 1,19% и 8,34 балла, «Penosil» – 2,28% и 5,59 балла, «Den Braven» – 2,33% и 5,46 балла, UK1 – 2,85% и 4,15 балла, «Tytan 65 O_2» – 4,09% и один балл.

Подведение итоговых результатов позволило сформировать рейтинг, в котором производители пен расположились по количеству набранных баллов. Обращаем внимание на то, что для определения лидирующей марки в расчет брался не общий балл, а средний по всем тестам с учетом коэффициента важности.

Кроме этого, участникам были присвоены номинации согласно тем «эксклюзивным» характеристикам, которые выделяют именно их продукцию из ряда других монтажных пен и одновременно гарантируют потребителю получение наивысшего результата при использовании пены конкретного производителя.

Очень хотелось бы также представить к вашему вниманию краткие блиц-интервью, которые были получены сразу же, после окончания всего цикла исследования. По мнению редакции лучшая оценка исследования – это оценка самих его участников.

Компания УБТ 2000 ТМ «Hercul», Алексей Гончаренко

— Хотелось бы услышать от Вас, как представителя компании «Hercul», как Вы оцениваете то, что было сделано за эти четыре дня?

 — Вначале были сомнения по поводу того, что конкурс будет проходить объективно. Но когда мы собрались, увидели, что все настроены доброжелательно, что все хотят показать себя и на других посмотреть. Поэтому все единогласно решили, что все что здесь – полностью объективно и абсолютно не заангажировано. А Виктор Валериевич – действительно единственный нейтральный и независимый представитель – будет осуществлять выдув всей пены, которую потом мы все вместе будем замерять. Так оно и получилось. Я остался очень доволен процессом. Спасибо большое.

— Насколько Вы довольны или недовольны результатами, которые показала Ваша компания?

— Результатами мы довольны, даже можно сказать, они превзошли наши ожидания!

Компания «Ноябрь 95» ТМ «Pinosil», Андрей Федько

— Андрей, каково Ваше мнение об исследовании и о том, как все прошло?

— Исследование прошло очень открыто, и что самое главное, вопросов ни у кого не возникало. Все было настолько прозрачно и наглядно, что, я думаю, все участники этого эксперимента остались довольными. Что качается результатов испытания – мы довольны. У нас есть достаточно сильные конкурентные качества нашего продукта – и вы это еще раз подчеркнули. Спасибо.

Компания «Селена» ТМ «Tytan», Алексей Федорчук

— Насколько Вы довольны этим исследованием? Ваши замечания и пожелания?

— Во-первых, идея провести такое исследование назревала очень давно. У участников цивилизованного рынка появилась возможность познакомиться друг с другом, узнать новости друг о друге. Очень полезным было то, что были приглашены смежные структуры – Институт Киев ЗНИИЭП и Ассоциация украинских производителей с/п конструкций, а также представители независимых оконных компаний. Во-вторых, впервые в Украине была разработана методика исследования пены. На рынке творится хаос: ни покупатели, ни продавцы в пенах пока не разбираются. Если на рынке продуктов такое происходит регулярно, то на рынке строительной химии впервые проводится такое исследование – это большой скачек в развитии рынка. Исследование прошло очень прекрасно – сделан первый шаг, следующие шаги будут еще более профессиональными и более эффективными. Отмечу высокую организацию проведения исследования: все происходило объективно, и у нас нет никаких претензий, и у остальных участников их тоже нет. Вы молодцы.

— Довольны ли Вы результатом своей пены?

— Честно говоря, перед тем, как везти баллоны на тестирование, мы их выдували у себя, и там был немного другой результат. Но в целом мы очень довольны.

Компания «Бравогласс» ТМ «MagicPro», Давид Мартиросян

— Как Вы оцениваете исследование, которое проходит уже четыре дня?

— Давно уже пора было его провести, потому что сейчас на рынке столько недобросовестной конкуренции. Я скажу, что это исследование было абсолютно объективным, и я надеюсь, что такие исследования будут повторяться если не раз в год, то хотя бы раз в два года. В целом очень хорошо, что Вы начали это делать. Я думаю, это пойдет на пользу украинскому рынку пены. А результат нашего продукта – просто отличный. Мы довольны. Спасибо.

С своей стороны от имени редакции «Оконных технологий»® и партнеров каталога www.Fasadinfo.com мы от всей души благодарим всех участников тестирования, а также членов наблюдательного совета, которые отозвались и поддержали нашу инициативу по проведению первого независимого исследования профессиональных монтажных пен, представленных на отечественном рынке.

Отдельную благодарность выражаем президенту производственного предприятия КВИН СВИГ Андросову Игорю Михайловичу (изготовление элитных светопрозрачных конструкций) за предоставление производственного цеха для проведения всего цикла исследования.

Материал был подготовлен

Техническим руководителем проекта —

Козенко Виктором Валерьевичем

Сводная таблица по результатам исследования

Резюмирующие результаты тестирования, с учётом коэффициентов значимости каждого показателя

Примечания:

* Все оценки выводились по шкале от 1 до 9 баллов: 1 — min, 9 — max.

* Шаг балла по каждой категории рассчитывается следующим образом: (макс значение — минимальное значение) / 8 участников.

Профессиональная монтажная пена REALIST — информационная статья

Профессиональная монтажная пена REALIST

Уникальная рецептура монтажной пены REALIST и высокое качество ее компонентов обеспечивают стабильно большой выход пены из баллона, превосходную адгезию пены, отличную заполняющую способность и монтажные свойства, быстрое застывание в широком диапазоне температур.

Что нас отличает от конкурентов:

• мы твердо знаем, какая должна быть «оконная» монтажная пена;
• в производстве нашей пены мы используем только самое лучшее сырье и комплектующие;
• у нас очень высокий уровень технологии химического производства и уникальная рецептура, по которой мы производим наши монтажные пены;
• мы контролируем качество каждой партии сырья в собственной лаборатории, а также осуществляем двойной контроль качества готовой продукции;
• мы постоянно проводим исследования, изучаем нюансы «поведения» пены в различных условиях ее применения, выясняем причины неудовлетворительных результатов применения пены на практике, даем рекомендации.

Высокая экономичность монтажной пены REALIST достигается за счет ее высокой вспениваемости при сохранении однородной мелкоячеистой структуры, т.е. при равном наполнении баллона пеной выход пены REALIST из баллона больше любой другой пены минимум на 20% (при равных условиях выпенивания).

Помимо этого пена REALIST отличается сбалансированной газовой системой, превосходной адгезией, отличной заполняющей способностью и монтажными свойствами, быстрым застыванием в широком диапазоне температур. В экстремальных температурно-влажностных условиях она также справится со своей задачей лучше других пен.

Лидер среди пен с повышенным выходом

Сбалансированная газовая система

Отличные монтажные свойства

Монтажная пена REALIST самая лучшая на рынке «оконная» пена, разработанная
специально для монтажа светопрозрачных конструкций (окон, дверей, элементов отделки —
подоконников, откосов и т.п.), производимая из самых лучших сырьевых компонентов
по уникальной рецептуре.

Технические характеристики проф. монтажной пены REALIST:

ГОСТ 30971-2012; ТУ 2257-001-17340266-2013

виды, расход, рекомендации по использованию пены

Строительные и ремонтные работы практически всегда связаны с необходимостью выполнять герметичное соединение швов, пазов, удалять щели и пустоты, заполнять полости. Для этой цели используют монтажные герметики с быстрой фиксацией. Среди линейки продуктов производителей широкой популярностью и спросом пользуется монтажная пена Макрофлекс, которая обладает оптимальными свойствами для герметизации, тепло-, звуко- и шумоизоляции.

Технические характеристики

Пена быстро полимеризуется, обладает высоким коэффициентом расширения, равномерно заполняет обрабатываемые поверхности. Технические характеристики монтажного герметика Макрофлекс:

• Окончательное время полимеризации – 24 часа.
• Температурный диапазон эксплуатации – от -50 до +100°С.
• Классы огнестойкости монтажной пены – В1, В2, В3.
• Затвердевший состав имеет плотность от 25 до 35 кг/м3.
• Большой выход субстанции из баллона – 25-50 литров.
• Возгорание герметика наступает не менее, чем при 400°С.

При оптимальном температурном режиме +20°C полиуретановый монтажный герметик затвердевает быстрее установленного производителем времени – в течении 1-2-х часов. Пена обладает высоким уровнем прочности на сжатие и растяжение. Чтобы не нарушить свойства субстанции в процессе хранения, тубы с пеной оставляют в вертикальном положении вдали от солнечного света. Однокомпонентная структура положительно отражается на адгезивных свойствах герметика, благодаря чему монтажный состав хорошо сцепляется с деревянными, металлическими, бетонными, каменными поверхностями.

Сфера применения

Поскольку пена Макрофлекс обладает выраженными теплоизолирущими характеристиками, влагостойкостью и хорошей звуконепроницаемостью, герметик нашел широкое применение в разных отраслях строительства. Производитель выпускает несколько серий продукции, поэтому можно выбрать монтажную пену Макрофлекс для решения разных задач:

1. Монтаж межкомнатных и входных дверей.

2. Установка окон, пластиковых балконов.

3. Герметизация швов, стыков, пазов, щелей.

4. Оборудование звукоизолирующих экранов.

5. Заполнение стыков кровельных конструкций.

6. Утепление уличных дверей, террас, окон.

7. Монтаж отопительных, вентиляционных систем.

Пену Макрофлекс можно использовать для бытовых и производственных целей при проведении строительно-ремонтных работ. После распыления монтажный состав увеличивается в 20-40 раз. Это зависит от температуры, влажности и разновидности герметика.

Важно: Монтажная пена не заменяет механические крепления, а служит для герметизации стыковочных линий. При заполнении пустот между конструкциями из мягкого материала, нужно устанавливать распорки, чтобы избежать деформации.

Преимущества Макрофлекса

Компания-производитель выпускает полиуретановый герметик Makroflex в тубах различного объема, но самой ходовой считается пена в баллонах по 750 мм. Компонентный состав включает предполимер и газ, выталкивающий субстанцию из тубы, благодаря чему монтажная пена увеличивается в объеме и быстро затвердевает. За счет хороших изолирующих характеристик, полиуретановый состав отличается широкой применяемостью.

Преимущества Макрофлекса:

• Выраженные адгезивные свойства.
• Равномерное заполнение полостей.
• Высокая прочность, долговечность.
• Отсутствие токсинов, огнестойкость.
• Хорошие изоляционные характеристики.

Особенности

Повсеместное распространение монтажных герметиков началось со стартом деятельности компании Makroflex, которая в настоящий момент входит в состав всемирно известного холдинга Henkel (Эстония). Компания занимается производством пен, клеев, очистителей и другой продукции для монтажно-строительных работ.

Линейка монтажных герметиков Макрофлекс обладает приемлемой стоимостью, поэтому пенами производителя пользуются профессиональные строители и обычные потребители. Во время использования полиуретановой субстанции нужно учитывать описание технических характеристик монтажной пены Makroflex – из баллона 750 мл получится на 100% увеличенный объем герметичной массы.

Плюсы и минусы

Главное достоинство герметика – монтажный состав сразу готов к использованию, поэтому не нужно смешивать компоненты, выдерживать время приготовления средства. Основные плюсы полиуретановой субстанции:

1. Универсальное применение для разных поверхностей и климатических условий.
2. Простота и удобство использования – монтажная пена помещена в тубу, для распыления пользуются трубкой или пистолетом.
3. Полная полимеризация состава происходит в течение суток, а первоначальное затвердение наступает через несколько часов.
4. Обширный температурный диапазон, есть специальные герметики для зимнего использования.
5. Пена обладает хорошими изолирующими свойствами, во время работы исключено образование пыли.

Недостатком продукции является восприимчивость монтажного состава к ультрафиолетовым лучам. Чтобы масса не разрушалась со временем, герметик покрывают цементным, гипсовым или водоэмульсионным составом. В процессе распыления пены нужно пользоваться средствами индивидуальной защиты, чтобы полиуретановая смесь не попала кожу, волосы, в глаза. Для равномерного распределения массы на обрабатываемой поверхности удобно пользоваться пистолетом.

 На видео: плюсы и минусы монтажной пены Makroflex.

Виды

Компания Makroflex выпускает герметики с разными техническими характеристиками. Они определяют сферу и условия использования монтажной пены. На мировой рынок в ассортименте поставляется продукция эстонского производителя, которая включает несколько видов составов:

• Профессиональное средство Makroflex Premium на полиуретановой основе. Пена реализуется в баллонах по 750 мл, хорошо сцепляется с поверхностями.

• Пена для зимних работ Winter обладает важным преимуществом – герметик Makroflex Shaketec можно наносить в температурном диапазоне от -10 до +25 градусов при монтаже кровель, окон, дверей.

• Серия пен Premium Mega относится к категории профессиональных монтажных герметиков, специально разработанных для использования при отрицательной температуре.
• Материал с высоким коэффициентом пенообразования Makroflex Pro может увеличиваться в объеме до 65-ти литров, хорошо подходит для заполнения больших пустот и полостей, при утеплении помещений.
• Производитель выпускает инновационный продукт Whiteteq, главным достоинством которого является эффективное сопротивление состава ультрафиолетовым лучам за счет микропористой структуры Quattro.
• Монтажный «Пеноцемент» Макрофлекс используется для быстрого соединения блочных и панельных элементов, кроме пенобетонных изделий, а также ступеней, подоконников.

Перед приобретением монтажной пены Макрофлекс нужно учесть цель, для которой необходимо использовать герметик. Профессиональную пену 750 мл нерационально использовать для герметизации небольших швов и стыков – можно выбрать универсальный герметик бытового назначения. Средства обладают высоким коэффициентом вспенивания, а усадка не превышает 5-ти процентов, что исключает разрывы субстрата. Пена для бытового использования (полупрофессиональная с трубкой) стоит на порядок дешевле профессиональных монтажных субстратов.

На заметку: Выбирать герметик нужно по сезонному предназначению. В ассортименте Макрофлекс представлены универсальные, летние и зимние составы, используемые при низком, высоком и нормальном температурном режиме. Чем выше температура окружающей среды, тем быстрее средство затвердеет.

Расход

Чтобы правильно рассчитать расход монтажного герметика, нужно отталкиваться от размера, площади и формы обрабатываемой поверхности. Для заполнения пустот прямоугольного, квадратного сечения измеряют глубину и ширину стыковочного шва. Полученное значение будет соответствовать миллилитрам пены на один метр.

Простой пример расчета: если заполняемая герметиком полость имеет глубину 40 мм, ширину 10 мм, то 40х10=400 (мл) пены на один метр шва. Из одного баллона герметика объемом 750 мл получится на 100% больше пенного состава на выходе. Производитель указывает на упаковке средний расход герметика и выход субстанции, но на финальные расчеты влияет размер и форма заполняемого шва. Специалисты подсчитали, что при использовании «Пеноцемента» на 10 квадратов кирпичной кладки в 1 кирпич потребуется 850 мл герметика. Указанный производителем выход монтажной пены (объем) получается при выполнении работ при оптимальной влажности и температуре. Нужно учитывать, что герметики расширяют дважды – на выходе из тубы и в процессе полимеризации пенной массы. При заполнении щелей, стыков и швов нужно оставлять третью часть пространства незаполненным.

Время высыхания

На скорость затвердения и полной полимеризации монтажной пены Makroflex влияет температура и влажность окружающей среды, компонентный состав вещества и правильное распыление средства. Для герметизации оптимальной является температура в +20°С. В этом случае пена начнет твердеть через 2-3 часа, но для полной полимеризации состава нужно не меньше 12-ти часов.

Низкие температура окружающей среды не позволяет герметику «набрать» полный объем, а время высыхания состава увеличивается до суток. При выполнении некоторых работ увеличенный период засыхания на руку мастерам. В первые два-три часа, пока средство затвердеет, пену можно срезать, обрабатывать шпаклевкой и красить. Массу герметичной субстанции можно увлажнять, чтобы ускорить затвердение.

Рекомендации по использованию

Качество герметичной изоляции зависит от строгого соблюдения инструкций производителя при выполнении работ. Если монтажная пена Makroflex 750 мл предназначена для использования при температуре не ниже пяти градусов, не нужно распенивать состав на сильном морозе. Рекомендации мастеров помогут правильно выбрать и нанести герметик:

• Чтобы состав «адаптировался» к окружающей среде, перед запениванием тубу оставляют на 12 часов при комнатной температуре.
• Обрабатываемую поверхность нужно очистить от пыли, мусора, а пористую структуру увлажнить.
• Окружающие предметы, вещи, мебель и соседние поверхности нужно накрыть полиэтиленовым материалом.

• При распылении пены тубу держат под углом 90 градусов к поверхности, баллончик периодически встряхивают.

• Чтобы избежать деформации оконных и дверных конструкций, перед запениванием следует установить распорки.
• Если трубка или пистолет забились остатками герметика, инструмент очищают специальными смывками.

Чтобы не допустить попадания средства на кожу, мастера советуют пользоваться перчатками. Если хлопья попали в глаза, нужно срочно промыть лицо теплой чистой водой. Баллончик не снимают с пистолета до полного использования монтажной пены.

Внимание! Запрещено распенивать герметик на горячих, раскаленных поверхностях и электрических проводах во избежание взрыва.

Отзывы

По мнению профессиональных строителей, монтажная пена Makroflex pro  и другие составы производителя отвечают всем требованиям, которым должна соответствовать качественная изоляция. Герметики простые и практичные в использовании, составы быстро высыхают, обладают высоким коэффициентом расширения. Опытные мастера рекомендуют пользоваться проверенными и надежными пенами, чтобы получить надежную, прочную и долговечную изоляцию. В процессе работы нужно следовать прилагаемой инструкции и соблюдать элементарные правила безопасности.

Виды монтажной пены (2 видео)

 Виды монтажной пены Makroflex и сферы применения (20 фото)

Пена монтажная профессиональная ТЕХНОНИКОЛЬ №70 PROFESSIONAL зимняя (1020 г/ шт)

Пена монтажная профессиональная ТЕХНОНИКОЛЬ №70 PROFESSIONAL зимняя (1020 г/ шт)

Пена монтажная профессиональная ТЕХНОНИКОЛЬ 70 PROFESSIONAL представляет собой однокомпонентный полиуретановый материал в аэрозольной упаковке. Монтажная пена отличается хорошим первичным расширением, повышенным объёмом выхода пены. Пена обладает хорошей адгезией к большинству строительных материалов, за исключением фторопласта, силикона и полиэтилена. Монтажная пена имеет специальную формулу, которая обеспечивает повышенный выход пены.

Область применения:

Пена монтажная профессиональная ТЕХНОНИКОЛЬ 70 PROFESSIONAL зимняя применяется для герметизации, тепло – и шумоизоляции швов, щелей, пустот, монтажа деталей при выполнении строительных и отделочных работ.

Основные физико-механические характеристики:


Вес брутто баллона, г — 1020±10

Объем выхода из баллона, л, до — 70

Время отлипа при (23±5) ⁰С, мин, не более — 10

Время полной полимеризации, час, не более — 30

Кажущаяся плотность монтажной пены, кг/м3, не более — 30

Теплопроводность, Вт/м*К, не более — 0.03

Разрушающее напряжение при растяжении, кН/м2, не менее — 80

Прочность при сжатии при 10% линейной деформации, кН/м2, не менее — 35

Производство работ:


Пена монтажная профессиональная ТЕХНОНИКОЛЬ 70 PROFESSIONAL зимняя применяется при температуре от -18°С до +35°С. Пена монтажная профессиональная ТЕХНОНИКОЛЬ 70 PROFESSIONAL всесезонная применяется при температуре от -10°С до +35°С.

Хранение:

Хранить и перевозить баллоны с пеной следует в вертикальном положении, в сухих условиях при температуре от +5°С до +25°С. Запрещается хранение под прямыми солнечными лучами и нагревание баллона свыше +50°С. Допускается кратковременное (на срок не более 7 суток) снижение температуры до -20 градусов.

Гарантийный срок хранения — 18 месяцев.

Транспортировка:

Баллоны с пеной монтажной транспортируют автомобильным и железнодорожным видами транспорта в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на данном виде транспорта от — 10 °С до +40 °С

Сведения об упаковке:

Пена монтажная профессиональная ТЕХНОНИКОЛЬ 70 PROFESSIONAL поставляется в металлических баллонах 1000 мл (12 шт в упаковке).

Пена монтажная профессиональная Технониколь 65 Maximum всесезонная

По своей универсальности и применимости на различных участках строительных работ монтажная пена занимает одно из важных мест. Это надежный и удобный в применении герметик, используемый для различных отделочных работ. 

Монтажная профессиональная пена Технониколь 65 Maximum представляет собой однокомпонентный полиуретановый материал в аэрозольной упаковке. На верхней части баллона имеется пластиковая резьба, куда накручивается монтажный пистолет. Данная монтажная пена обладает высокой производительностью и максимальным выходом пены из баллона. Кроме того, она отличается хорошим первичным расширением и хорошо увеличивается в объеме сразу же после нанесения.

Монтажная пена Технониколь 65 Maximum обладает хорошей адгезией к большинству строительных материалов, за исключением фторопласта, силикона и полиэтилена. Она используется для фиксации, изоляции окон, дверей, стеновых панелей, металлических листов, черепицы и т.д.

Преимущества монтажной пены Технониколь 65 Maximum:

• Обширная сфера применения.
• Простота в использовании.
• Высокий уровень тепло- и звукоизоляции.
• Высокая проникающая способность.
• Хорошее первичное расширение.
• Повышенный объем выхода пены.
• Легко заполняет пустоты и щели.

Технические характеристики монтажной пены Технониколь 65 Maximum:

Монтажная пена Технониколь 65 Maximum всесезонная применяется при температуре от -10°С до +35°С.

Хранить и перевозить баллоны с пеной следует в вертикальном положении, в сухих условиях при температуре от +5°С до +35°С. Запрещается хранение под прямыми солнечными лучами и нагревание баллона свыше +50°С. Допускается кратковременное (не более 1 недели) снижение температуры до -20 градусов.

Тех карта пена 65

%PDF-1.5 %
1 0 obj >/OCGs[12 0 R 90 0 R 136 0 R]>>/Pages 3 0 R/Type/Catalog>> endobj 2 0 obj >stream
application/pdf

2019-01-28T08:44:36+10:002019-01-28T08:44:36+10:002018-12-03T21:01:14+11:00Adobe Illustrator CC 22.1 (Windows)

uuid:0f84823c-aff4-442f-9d85-ce00ee162badxmp.did:97779d73-2d94-9c41-8b8c-21d372e1b3f0uuid:5D20892493BFDB11914A8590D31508C8proof:pdfuuid:6db464b0-0817-4526-bad7-9ea332e4b3c1xmp.did:a693d33a-5b66-1c48-b44d-a6a5a10b263duuid:5D20892493BFDB11914A8590D31508C8proof:pdf

PrintTrueTrue121.00015729.700009Centimeters

Adobe PDF library 15.0021.0.1

endstream endobj 3 0 obj > endobj 5 0 obj >/Resources>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/Properties>/XObject>>>/Thumb 144 0 R/TrimBox[0.plE5l VdvDp#ԩ :d*

Компрессионные свойства имеющихся в продаже пенополиуретанов в качестве механических моделей для остеопороза губчатой ​​кости человека

BMC Musculoskelet Disord. 2008; 9: 137.

, ^{# 1} , ^{# 1} и ^{# 1}

Purvi SD Patel

¹ Школа машиностроения, Бирмингемский университет, Бирмингем, Эдгбастон, B15 2TT, UK

Duncan ET Shepherd

¹ Школа машиностроения, Бирмингемский университет, Эджбастон, Бирмингем, B15 2TT, Великобритания

Дэвид В.Л. Хукинс

¹ Школа машиностроения Бирмингемского университета, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, UK

¹ Школа машиностроения, Университет Бирмингема, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, UK

Автор, отвечающий за переписку.

^# Распространяется поровну.

Поступила в редакцию 29 апреля 2008 г .; Принято 9 октября 2008 г.

Copyright © 2008 Patel et al; лицензиат BioMed Central Ltd.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе. при условии правильного цитирования оригинала.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Background

Пенополиуретан (ПУ) широко используется в качестве модели губчатого вещества кости. Пенопласты с более высокой плотностью используются в качестве стандартных материалов для биомеханических испытаний, но ни один из пенополиуретанов с низкой плотностью не является общепринятым в качестве моделей для остеопоротической (ОП) кости. Целью этого исследования было определить, может ли полиуретановая пена низкой плотности подходить для имитации ОП губчатой ​​кости человека.

Методы

Испытания на квазистатическое сжатие были проведены на баллонах из пенополиуретана разной длины (3.9 и 7,7 мм) и различной плотности (0,09, 0,16 и 0,32 г / см ^-3 ) для определения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для достижения текучести.

Результаты

Значения модуля Юнга составляли 0,08–0,93 МПа для пены ^-3 0,09 г / см и 15,1–151,4 МПа для пены ^-3 0,16 и 0,32 г / см. Предел текучести составлял 0,01–0,07 МПа для пенопласта ^-3 0,09 г / см и 0,9–4,5 МПа для пеноматериала ^-3 0,16 и 0,32 г / см.Было обнаружено, что энергия, поглощенная для получения текучести, пренебрежимо мала для всех цилиндров из пенопласта.

Заключение

На основании этих результатов сделан вывод, что полиуретановая пена с плотностью 0,16 г / см ^-3 может оказаться подходящей в качестве модели губчатого вещества костной ткани при переломе, когда вызывает беспокойство напряжение перелома, но не рассеяние энергии.

Предпосылки

Образцы для испытаний из синтетической кости часто используются в пользу образцов из трупов из-за их низкой вариативности в свойствах материала и доступности (по сравнению с образцами из трупа), а также из-за незагрязненной и чистой среды тестирования, которую они обеспечивают.Жесткие пенополиуретаны с закрытыми порами (ПУ) плотностью обычно от 0,16 до 0,64 г / см ^-3 широко используются в качестве стандартных испытательных материалов для имитации губчатой ​​кости человека [1]. Пенополиуретан доступен в виде блоков, которые использовались для исследования фиксации костных винтов [2,3], и в этом виде будет использоваться в текущем исследовании. Пенополиуретан также используется в качестве губчатого материала сердцевины в моделях цельной кости с внешним покрытием для кортикальной кости; эти модели использовались для исследования таких устройств, как интрамедуллярные гвозди [4].Механические свойства моделей цельной кости сравнивали с характеристиками натуральной кости [5].

Небольшие исследования были выполнены с синтетическими материалами, которые могли бы имитировать губчатую кость человека при остеопорозе (OP). Остеопороз — это заболевание костей, при котором резорбция кости превышает отложение кости, что приводит к потере костной массы [6]. Различные жесткие полиуретановые пены с открытыми порами доступны для использования в качестве моделей костей OP из-за их низкой плотности материала (обычно около 0,09 г / см ^-3 ) [7].Однако поиск в литературе показал, что практически не существует исследований, позволяющих определить, может ли пенополиуретан быть подходящим тестовым материалом для ОП губчатого вещества кости. Джонсон и Келлер [8] сообщили о механических свойствах двух жестких полиуретановых пен с открытыми ячейками плотностью 0,09 г / см ^-3 и 0,12 г / см ^-3 в качестве моделей для синтетических грудных позвонков. Они пришли к выводу, что пена с открытыми ячейками представляет собой альтернативу статическим исследованиям или исследованиям усталости позвонков человека, предполагая, что будущая работа может включать пеноматериалы с различной пористостью для моделирования различной степени дегенерации ОП [8].Szivek et al. [9,10] измерили модуль упругости, текучесть и прочность на сжатие различных композиций пенополиуретана с закрытыми ячейками (приготовленных во время их исследования), которые обеспечили воспроизводимые механические свойства, попадающие в диапазон свойств губчатой ​​кости у разных типов пациентов. Тем не менее, это исследование не относилось к конкретному заболеванию при сравнении механических свойств составов пенополиуретана с опубликованными данными. Кроме того, не всегда практично составлять конкретные композиции пенополиуретана, учитывая, что существует несколько коммерчески доступных пенополиуретанов.В других исследованиях [11-13] изучались пенополиуретаны при сжатии, сдвиге и усталости с целью их использования в качестве материала-аналога губчатой ​​кости. Но ни одно из этих исследований не охарактеризовало пенополиуретан как модель губчатой ​​кости OP путем сравнения соответствующих данных со свойствами кости OP.

В этом исследовании цель состояла в том, чтобы определить, может ли какой-либо пенополиуретан низкой плотности (то есть с открытыми или закрытыми ячейками) подходить в качестве механической модели для OP кости человека. Пригодность определялась путем измерения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для получения текучести для трех пенополиуретанов, и непосредственного сравнения их с соответствующими значениями, полученными при исследовании губчатой ​​кости человека OP [14].Определение таких механических свойств может помочь в выборе соответствующих пенополиуретанов в качестве модели губчатого вещества кости OP в других исследованиях, например, при механической оценке характеристик имплантата [15].

Методы

2.1 Образцы пенополиуретана

В данном исследовании использовались пенополиуретаны трех различных плотностей. Пенополиуретан с закрытыми порами плотностью 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 (Американское общество испытаний и материалов, ASTM, класс 10 и класс 20) [1] был использован для моделирования низкой и средней плотности. губчатая кость соответственно.Жесткий пенопласт с открытыми ячейками плотностью 0,09 г / см ^-3 был использован для моделирования губчатой ​​кости очень низкой плотности. Все пенополиуретаны были закуплены в виде блоков размером 130 × 180 × 40 мм у Sawbones ^® Europe AB, Мальмё, Швеция. Плотность пены была предоставлена ​​Sawbones ^® Europe AB.

Используя заостренную трубку, шесть цилиндрических стержней диаметром 9 мм были просверлены из каждого из трех блоков пенополиуретана различной плотности. Керны были взяты с использованием метода, описанного Ли и Аспденом [14], в котором цилиндрическая ось керна была примерно перпендикулярна поверхности блока PU (это предпочтительная ориентация «трабекул»).Точный диаметр цилиндров из ПУ определялся как среднее из четырех измерений; это было необходимо, чтобы учесть неоднородность пенополиуретана ^-3 с открытыми порами 0,09 г / см, в частности.

Для этого исследования были выбраны цилиндры двух разной длины, чтобы проверить на любые эффекты потери устойчивости или формы. Цилиндр длиной 7,7 ± 0,2 мм был выбран так, чтобы результаты можно было сравнить с результатами опубликованного исследования ОП губчатой ​​кости человека [14]. Для исследования влияния размеров образца цилиндр длиной 3.9 ± 0,1 мм. Эта длина была получена из стандарта для испытаний резин [16]. Причина выбора этого стандарта заключалась в том, чтобы гарантировать, что образцы не вздуваются при сжатии; каучуки имеют значение Пуассона около 0,5 и поэтому поддерживают почти постоянный объем во время сжатия; в результате они вздуваются больше, чем большинство других материалов [17,18]. Размеры измеряли с помощью штангенциркуля с цифровым нониусом (Fisher Scientific UK Ltd., Лестершир).

Шесть цилиндров были подготовлены для каждой длины цилиндра и каждой плотности блока пенополиуретана.Требуемая длина цилиндра была достигнута либо с помощью небольших ножниц для пенополиуретана 0,09 г / см ^-3 , либо путем протирания цилиндра из пенополиуретана о лист наждачной бумаги (средний класс M2, SupaDec, RS Components Ltd. ., Нортгемптоншир, Великобритания), для пенополиуретана 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 .

2.2 Механические испытания

Испытания на квазистатическое безусловное сжатие были проведены с использованием испытательной машины материалов ELF3200 (для пенопласта с наименьшей плотностью) или ELF3300 (для других пенополиуретанов) (Bose Corporation, ElectroForce Systems Group, Миннетонка, Миннесота, США) .С.А.). Испытательная машина ELF3200 оснащена датчиком нагрузки с полной шкалой 225 Н (максимальная погрешность 0,21% от полной шкалы) и датчиком перемещения с полной шкалой 6,5 мм (максимальная погрешность 0,49% от полной шкалы). Испытательная машина ELF3300 оснащена датчиком нагрузки с полной шкалой 5100 Н (максимальная погрешность 0,1% от полной шкалы) и датчиком перемещения с полной шкалой 12,7 мм (максимальная погрешность 0,28% от полной шкалы). Допуски производителя на совмещение отверстий составляют ± 0,1 мм.

Пенопласт с наименьшей плотностью был испытан на другой машине с датчиком нагрузки меньшей емкости из-за его большей податливости и меньшей прочности.Все тесты записывались на видео с помощью видеокамеры (Sony Handycam DCR-DVD404E, Sony Corporation, Япония). К образцам, которые были сжаты между двумя ацеталевыми пластинами (толщиной 15 мм), не применялись никакие предварительные нагрузки или предварительное кондиционирование. Для цилиндров длиной 3,9 мм и 7,7 мм испытания проводились под контролем смещения со скоростью 0,013 мм · с ^-1 и 0,026 мм · с ^-1 соответственно, оба из которых эквивалентны скорости деформации 0,0033. с ^–1 [14]. Просмотр видеозаписей показал повторяющийся цикл перелома и консолидации трабекулы (особенно для 0.09 г.см ^-3 Пенополиуретан). Все испытательные цилиндры испытывали нагрузки меньше критической нагрузки, необходимой для потери устойчивости по Эйлеру, и на видеоизображениях такой потери устойчивости не наблюдалось. Для каждого испытания на сжатие инженерное напряжение рассчитывалось путем деления нагрузки, зарегистрированной в каждой точке данных, на исходную площадь поперечного сечения цилиндра из пенополиуретана, в то время как инженерная деформация рассчитывалась путем деления смещения приводной головки машины (в каждой точке). данные) на исходную высоту цилиндра из пенополиуретана [19].Полином пятого порядка был приспособлен к кривым напряжения-деформации. Определенными свойствами материала были модуль Юнга, предел текучести и энергия, поглощенная до предела текучести. Общее выражение для модуля Юнга было найдено путем дифференцирования полиномиального уравнения инженерной кривой напряжения-деформации по отношению к деформации. Затем это выражение для модуля Юнга было построено в зависимости от деформации, и модуль Юнга был определен как максимальное значение на кривой. Таким образом было необходимо определить модуль Юнга, потому что кривые напряжения-деформации были нелинейными.Предел текучести определяли по методу, описанному Ли и Аспденом [14]; т.е. он был определен как напряжение, при котором модуль Юнга уменьшился на 3% от своего максимального значения. Энергия, поглощенная для достижения текучести, была рассчитана путем интегрирования полиномиального уравнения инженерной кривой напряжения-деформации между пределами нуля и точкой деформации, в которой был определен предел текучести.

2.3 Статистический анализ

Статистические сравнения были выполнены с использованием MINITAB ^® Release 14.1 Статистическое программное обеспечение (Minitab Inc., Пенсильвания, США). Нормальность распределений оценивалась с помощью теста Андерсона-Дарлинга. Данные сравнивались с использованием двухвыборочного t-критерия (данные с нормальным распределением) или критерия Манна-Уитни (непараметрические данные) с уровнем значимости 0,05.

Результаты

На рис. Показана кривая напряжения-деформации для образца пенополиуретана низкой плотности, который был испытан до разрушения. Общее выражение для модуля Юнга материала дается градиентом кривой.На рис. 4 показана кривая, полученная, если выражение модуля Юнга построить как функцию деформации. Модуль Юнга на рис. Предел текучести определяется как напряжение в конце области пика, когда модуль Юнга уменьшается на 3%. Рис. И имеют одинаковые оси деформации для облегчения сравнения. Кривые типичны для полученных в настоящей работе. Энергия, потребляемая для достижения предела текучести, представляет собой площадь под кривой напряжения-деформации до предела текучести.

Кривые зависимости деформации от напряжения и модуля Юнга .(a) Кривая напряжения-деформации для образца полиуретановой пены с открытыми ячейками длиной 7,7 мм (0,09 г · см ^-3 ), используемого для моделирования губчатой ​​кости человека с очень низкой плотностью, и (b) модуль Юнга, определенный из него как градиент кривой. Предел текучести определяется точкой, в которой модуль Юнга уменьшается на 3% от своего максимального значения. Площадь под кривой напряжения-деформации до предела текучести определяется как энергия, поглощенная для текучести.

Таблица суммирует различия в значениях модуля Юнга, предела текучести и энергии, потребляемой для текучести между 3.Цилиндры из пенополиуретана длиной 9 мм и 7,7 мм. Значительные различия были обнаружены в модуле Юнга между цилиндрами из полиуретана длиной от 3,9 мм до 7,7 мм для всех трех плотностей пенополиуретана (p <0,05). Не было обнаружено значительных различий в пределе текучести между цилиндрами из полиуретана длиной 3,9 и 7,7 мм для всех трех плотностей пенополиуретана. Что касается энергии, потребляемой для достижения текучести, значимые различия (p <0,05) были обнаружены между цилиндрами из полиуретана длиной 3,9 и 7,7 мм для 0,16 г / см ^-3 и 0.32 г / см ^-3 ППУ, но не для пенополиуретана 0,09 г / см ^-3 ПУ.

Таблица 1

Модуль Юнга (E) , Предел текучести и поглощенная энергия для текучести цилиндров из пенополиуретана при сжатии

902

902

В таблице приведены средние значения модуля Юнга, предела текучести и энергии, потребляемой для текучести, найденные в исследовании Ли и Аспдена, в котором изучались механические свойства OP кость человека [14]. Можно провести прямое сравнение значений в таблице и соответствующих значений механических свойств для полиуретанового цилиндра длиной 7,7 мм в таблице. Таблица включает диапазоны доверительных интервалов от 5% до 95% из исследования Li & Aspden; диапазоны были извлечены из коробчатых диаграмм и представляют собой только приблизительные значения.

Таблица 2

Сводка механических свойств, полученных из исследования Li & Aspden

Обсуждение

Целью этой работы было определить, может ли любой пенополиуретан низкой плотности (с открытыми или закрытыми ячейками) подходить в качестве механической модели для губчатого ОП человека. кость.Насколько известно авторам, это единственная статья, в которой механические свойства пенополиуретана сравниваются с результатами, полученными на костях [14], с использованием точно таких же методов. Результаты исследования свидетельствуют о том, что по крайней мере одна из трех протестированных пен может быть потенциальной моделью для OP кости. Результаты для каждой плотности пенополиуретана обсуждаются в следующих параграфах.

Пенополиуретан ^-3 весом 0,09 г / см, использованный для моделирования кости очень низкой плотности в этом исследовании, намного слабее, чем кость OP, исследованная Ли и Аспденом [14].Таблицы и показывают, что значения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для достижения текучести, для полиуретановой пены ^-3 с плотностью 0,09 г / см, ниже диапазона результатов Li и Аспдена. Эти данные могут указывать на сложность использования полиуретановой пены с открытыми порами для моделирования губчатого пласта кости. Проблемы, связанные с моделированием OP костей, обсуждаются позже.

Для пенополиуретана ^-3 и 0,32 г / см ^-3 , использованного в данном исследовании, диапазон модуля Юнга и предела текучести составлял 15.1–151,4 МПа (модуль Юнга) и 0,9–4,5 МПа (предел текучести). В литературе сообщается, что модуль Юнга губчатой ​​кости человека варьируется в пределах 1,1–9800 МПа [20-22] и включает губчатую кость человека, расположенную поперек большеберцовой кости, тел позвонков и плечевой кости, в то время как предел текучести, как сообщается, различается. в диапазоне 0,6–17,5 МПа [23,24], с учетом губчатого вещества кости в пределах позвонка, голени и бедра. Результаты для пенополиуретана 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 , использованного в данном исследовании, находятся в указанных выше диапазонах; этого согласия следовало ожидать, потому что пены с такой плотностью должны соответствовать стандарту ASTM [1].Однако использование полиуретановой пены ^-3 плотностью 0,32 г / см в качестве «нормальной» модели кости может быть более оправдано, чем использование пенополиуретана ^-3 с плотностью 0,16 г / см; Пенополиуретан ^-3 толщиной 0,32 г / см дал аналогичные значения модуля Юнга и предела текучести между данным исследованием и работой Ли и Аспдена с нормальной костью.

Трудно отнести пенополиуретан ^-3 0,16 г / см к «нормальной» или OP-модели кости. Значения модуля Юнга для пеноматериала ^-3 0,16 г / см близки к 5% доверительному интервалу 40 и 50 МПа для нормальной кости и ОП-кости соответственно [14].Кроме того, значения предела текучести для пенопласта ^-3 0,16 г / см близки к 5% доверительному интервалу 0,4 и 0,6 МПа для нормальной и OP кости соответственно [14]. Эти данные позволяют предположить, что пенополиуретан ^-3 с плотностью 0,16 г / см может оказаться подходящим в качестве ОП-модели кости для механических испытаний, связанных с напряжением разрушения.

Предыдущие исследования были сосредоточены на пенополиуретане с открытыми или закрытыми порами; здесь мы рассматриваем обе возможные модели для OP кости. Сообщалось, что пенополиуретан с открытыми и закрытыми ячейками по-разному реагирует на механические нагрузки [8].Пенопласты с открытыми порами являются предпочтительными из-за их усталостного поведения при сжатии, где локализованная одноячеистая полоса раздавливания, как было обнаружено, более характерна для губчатого вещества кости, в отличие от расширяемой зоны раздавливания, обнаруживаемой в пене с закрытыми порами при той же деформации [25,26]. Было обнаружено, что пена с закрытыми ячейками демонстрирует статические механические свойства, сходные с характеристиками губчатой ​​кости человека, но отличающиеся от характеристик костей человека при усталости [12], что позволяет использовать пенополиуретан ^-3 0,16 г / см в качестве модели OP кости в исследования переломов.

Для всех пенополиуретанов разной длины и плотности, использованных в данном исследовании, энергия, поглощенная для получения текучести, была пренебрежимо мала. Это указывает на то, что пенополиуретан имеет более хрупкую природу по сравнению с человеческой костью. Одна теория [27] предлагает «модульный» механизм удлинения для прочности природных композитов, таких как кость, при котором домены внутри одной молекулы разворачиваются (или открываются петли) при толкании или вытягивании, так что «жертвенные связи» разрываются до того, как сильная связь нарушена (если сила достаточно велика).Такое поведение не может быть продемонстрировано в однородном материале, таком как пенополиуретан. Таким образом, пенополиуретан не может быть подходящей моделью, когда возникает проблема рассеивания энергии (например, при усталости).

Результаты, представленные в этой статье, показывают, что трудно найти синтетический материал, имитирующий свойства OP-кости. Частично это связано с широким разбросом опубликованных результатов для реальной нормальной кости и кости OP [14]. Таблица показывает, что предел текучести и энергия, поглощенная для текучести, аналогичны для OP и нормальной кости.Возможное объяснение состоит в том, что нормальная кость демонстрирует значительную индивидуальную изменчивость, так что, когда костная ткань теряется в результате ОП у некоторых людей, полученная ткань имеет свойства, которые напоминают свойства нормальной кости у других людей.

Были выбраны две разные длины цилиндра из полиуретана, чтобы определить, повлияют ли размеры образца на результаты. Существенные различия были обнаружены в модуле Юнга и энергии, поглощенной для получения текучести (за исключением пенополиуретана ^-3 0,09 г / см) между двумя длинами цилиндров из пенополиуретана.Этот результат согласуется с выводами Keaveny et al. [28], которые обнаружили слабую зависимость между модулем Юнга и соотношением сторон образца для цилиндрических образцов губчатого вещества кости. Реакция ячеистого твердого тела на сжатие непроста. Видеозаписи показали, что деформация пенопласта с открытыми ячейками связана с изгибом и короблением «подкосов» ПУ; отказ включал перелом и консолидацию. Подобный структурный ответ на сжатие наблюдается в трабекулах губчатого вещества кости [29].Этот сложный ответ может быть связан с зависимостью результатов от геометрии образца. Однако наиболее важным выводом является то, что любое сравнение результатов для пенополиуретана и кости должно проводиться с результатами, полученными на образцах сравнимых размеров.

Механические свойства пенополиуретана, использованного в этом исследовании, были получены из одной скорости деформации, чтобы сравнить результаты с опубликованными для губчатого вещества кости [14]. Полезным будущим исследованием было бы испытание механических свойств пенополиуретана, рассматриваемых в этом исследовании, когда они подвергаются более высоким скоростям деформации, а затем сравнение данных с механическими свойствами губчатого вещества кости, испытанного при высоких скоростях деформации.Любое сходство, обнаруженное между механическими свойствами пенополиуретана и губчатой ​​кости, еще больше укрепит аргументы в пользу использования пенополиуретана в качестве модели губчатой ​​кости человека.

Заключение

Пенополиуретан плотностью 0,16 г / см ^-3 может оказаться подходящим в качестве OP-модели губчатого вещества кости, когда напряжение перелома, но не рассеяние энергии, вызывает беспокойство. Полиуретановая пена ^-3 0,16 г / см является хорошей альтернативой для испытаний in vitro, поскольку она имеет модуль упругости при сжатии и значения предела текучести, аналогичные параметрам костей OP, которые также были протестированы на сжатие.Было невозможно охарактеризовать пену с помощью других форм испытаний из-за отсутствия соответствующих данных для сравнения результатов нашего исследования.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

PSDP рассмотрел исследование, провел экспериментальную работу, анализ данных и подготовил рукопись. DETS участвовал в разработке исследования, помогал в интерпретации данных и помогал в составлении рукописи.DWLH участвовал в разработке исследования, помогал в интерпретации данных и критически отредактировал рукопись. Все авторы прочитали и одобрили окончательную рукопись.

Благодарности

Авторы благодарят г-на К. Хингли и г-на Л. Гаунтлетта за изготовление компрессионных пластин, компанию Arthritis Research Campaign за предоставление оборудования, Surgicraft Limited за финансовую поддержку и Школу машиностроения Университета Бирмингема за предоставление стипендия для PSDP.

Ссылки

• ASTM F1839-01 Стандартные технические условия на жесткий пенополиуретан для использования в качестве стандартного материала для испытаний ортопедических устройств и инструментов. Пенсильвания: Американское общество испытаний и материалов. 2001.
• Battula S, Schoenfeld A, Vrabec G, Njus GO. Экспериментальная оценка удерживающей способности / жесткости самонарезающих костных винтов в нормальном и остеопоротическом костном материале. Clin Biomech. 2006; 21: 533–537. DOI: 10.1016 / j.clinbiomech.2005.12.020. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Chapman JR, Harrington RM, Lee KM, Anderson PA, Tencer AF, Kowalski D. Факторы, влияющие на силу отрыва винтов для губчатой ​​кости. J Biomech Eng. 1996. 118: 391–398. DOI: 10,1115 / 1,2796022. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Исака К., Куммер Ф. Дж., Ди Чезаре ЧП. Концы напряжения между двумя ипсилатеральными интрамедуллярными стержнями — конечно-элементный и биомеханический анализ. J Артропластика. 2005. 20: 386–391. DOI: 10.1016 / j.arth.2004.05.002. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Хайнер А.Д., Браун Т.Д. Структурные свойства нового дизайна композитных копий бедренных и большеберцовых костей. J Biomech. 2001; 34: 773–781. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (01) 00015-X. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Silverthorn DU. Физиология человека: комплексный подход. 2. Нью-Джерси: Prentice-Hall Inc; 2001. с. 807. [Google Scholar]
• Sawbones ^® Europe AB http://www.sawbones.com/products/bio/testblocks/rigidfoam.aspx
• Johnson AE, Keller TS. Механические свойства грудных позвонков из вспененного синтетического материала с открытыми ячейками. J Mater Sci — Mater M. 2008; 19: 1317–1323. DOI: 10.1007 / s10856-007-3158-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Szivek JA, Thomas M, Benjamin JB. Техническое примечание. Характеристика синтетической пены как модели губчатой ​​кости человека. J Appl Biomater. 1993; 4: 269–272. DOI: 10.1002 / jab.770040309. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Сивек Дж. А., Томпсон Дж. Д., Бенджамин Дж. Б..Характеристика трех составов синтетической пены в качестве моделей для ряда типов губчатой ​​кости человека. J Appl Biomater. 1995; 6: 125–128. DOI: 10.1002 / jab.770060207. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Томпсон М.С., Маккарти И.Д., Лидгрен Л., Рид Л. Свойства коммерчески доступных пенополиуретанов на сжатие и сдвиг. J Biomech Eng — T ASME. 2003; 125: 732–734. DOI: 10,1115 / 1,1614820. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Палиссери В., Тейлор М., Браун М. Характеристика усталости вспененного полимера для использования в качестве материала аналога губчатой ​​кости при оценке ортопедических устройств.J Mater Sci — Mater M. 2004; 15: 61–67. DOI: 10.1023 / B: JMSM.0000010098.65572.3b. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Trumble DR, McGregor WE, Magovern JA. Проверка модели аналога кости для исследования закрытия грудины. Ann Thorac Surg. 2002; 74: 739–745. DOI: 10.1016 / S0003-4975 (02) 03699-8. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ли Б., Аспден Р.М. Состав и механические свойства губчатой ​​кости головки бедренной кости пациентов с остеопорозом или остеоартрозом. J Bone Miner Res.1997; 12: 641–651. DOI: 10.1359 / jbmr.1997.12.4.641. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Соммерс М.Б., Фитцпатрик Д.К., Мадей С.М., Зандершулп К. Ванде, Боттланг М. Суррогатная модель длинной кости со свойствами остеопоротического материала для биомеханического тестирования имплантатов излома. J Biomech. 2007. 40: 3297–3304. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2007.04.024. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• BS 903-A6: 1992 Физические испытания резины — Часть A6: Метод определения остаточной деформации при сжатии при температуре окружающей среды, повышенных или низких температурах.Лондон: Британский институт стандартов; 1992. [Google Scholar]
• O’Sullivan S, Nagle R, McEwen JA, Casey V. Эластомерные каучуки как элементы отклонения в датчиках давления: исследование свойств с использованием специально разработанного программируемого испытательного стенда для эластомеров. J Phys D Appl Phys. 2003; 36: 1910–1916. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 36/15/324. [CrossRef] [Google Scholar]
• Widdle RD, Jr, Bajaj AK, Davies P. Измерение коэффициента Пуассона гибкого пенополиуретана и его влияние на модель одноосного сжатия.Int J Eng Sci. 2008; 46: 31–49. DOI: 10.1016 / j.ijengsci.2007.09.002. [CrossRef] [Google Scholar]
• Turner CH, Burr DB. Основные биомеханические измерения кости: учебное пособие. Кость. 1993; 14: 595–608. DOI: 10.1016 / 8756-3282 (93)

  -K. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Джатли Р.С., Уотсон Массачусетс, Шеперд DET, Hukins DWL. Анализ методом конечных элементов напряжения вокруг винта для грудины, используемый для предотвращения расхождения грудины после операции на сердце. Proc Inst Mech Eng [H] 2002; 216: 315–321. [PubMed] [Google Scholar]
• Рёль Л., Ларсен Э., Линде Ф., Одгаард А., Йоргенсен Дж.Растягивающие и сжимающие свойства губчатого вещества кости. J Biomech. 1991; 24: 1143–1149. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (91) ^{-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]}
• Гольдштейн С. Механические свойства губчатой ​​кости: зависимость от анатомического расположения и функции. J Biomech. 1987; 20: 1055–1061. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (87)

  -6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Kopperdahl DL, Keaveny TM. Поведение губчатой ​​кости при деформации текучести. J Biomech. 1998. 31: 601–608. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (98) 00057-8.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Morgan EF, Keaveny TM. Зависимость деформации деформации губчатой ​​кости человека от анатомической области. J Biomech. 2001; 34: 569–577. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (01) 00011-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Харт А.М., Флек Н.А., Эшби М.Ф. Усталостное разрушение пенопласта из алюминиевого сплава с открытыми ячейками и закрытыми ячейками. Acta Mater. 1999; 47: 2511–2524. DOI: 10.1016 / S1359-6454 (99) 00097-X. [CrossRef] [Google Scholar]
• Келлер TS. Прогнозирование механического сжатия кости.J Biomech. 1994; 27: 1159–1168. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (94)
  

  -6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Смит Б.Л., Шеффер Т.Э., Виани М., Томпсон Дж.Б., Фредерик Н.А., Киндт Дж., Белчер А., Стаки Г.Д., Морс Д.Е., Хансма П.К. Молекулярно-механическое происхождение прочности природных клеев, волокон и композитов. Природа. 1999; 399: 761–763. DOI: 10,1038 / 21607. [CrossRef] [Google Scholar]
• Keaveny TM, Pinilla TP, Crawford RP, Kopperdahl DL, Lou A. Систематические и случайные ошибки при компрессионных испытаниях губчатой ​​кости.J Orthop Res. 1997; 15: 101–110. DOI: 10.1002 / jor.1100150115. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Гибсон Л.Дж. Биомеханика твердого клеточного тела. J Biomech. 2005; 38: 377–399. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2004.09.027. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Компрессионные свойства имеющихся в продаже пенополиуретанов в качестве механических моделей остеопоротической губчатой ​​кости человека

BMC Musculoskelet Disord. 2008; 9: 137.

, ^{# 1} , ^{# 1} и ^{# 1}

Purvi SD Patel

¹ Школа машиностроения, Бирмингемский университет, Бирмингем, Эдгбастон, B15 2TT, UK

Duncan ET Shepherd

¹ Школа машиностроения, Бирмингемский университет, Эджбастон, Бирмингем, B15 2TT, Великобритания

Дэвид В.Л. Хукинс

¹ Школа машиностроения Бирмингемского университета, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, UK

¹ Школа машиностроения, Университет Бирмингема, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, UK

Автор, отвечающий за переписку.

^# Распространяется поровну.

Поступила в редакцию 29 апреля 2008 г .; Принято 9 октября 2008 г.

Copyright © 2008 Patel et al; лицензиат BioMed Central Ltd.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе. при условии правильного цитирования оригинала.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Background

Пенополиуретан (ПУ) широко используется в качестве модели губчатого вещества кости. Пенопласты с более высокой плотностью используются в качестве стандартных материалов для биомеханических испытаний, но ни один из пенополиуретанов с низкой плотностью не является общепринятым в качестве моделей для остеопоротической (ОП) кости. Целью этого исследования было определить, может ли полиуретановая пена низкой плотности подходить для имитации ОП губчатой ​​кости человека.

Методы

Испытания на квазистатическое сжатие были проведены на баллонах из пенополиуретана разной длины (3.9 и 7,7 мм) и различной плотности (0,09, 0,16 и 0,32 г / см ^-3 ) для определения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для достижения текучести.

Результаты

Значения модуля Юнга составляли 0,08–0,93 МПа для пены ^-3 0,09 г / см и 15,1–151,4 МПа для пены ^-3 0,16 и 0,32 г / см. Предел текучести составлял 0,01–0,07 МПа для пенопласта ^-3 0,09 г / см и 0,9–4,5 МПа для пеноматериала ^-3 0,16 и 0,32 г / см.Было обнаружено, что энергия, поглощенная для получения текучести, пренебрежимо мала для всех цилиндров из пенопласта.

Заключение

На основании этих результатов сделан вывод, что полиуретановая пена с плотностью 0,16 г / см ^-3 может оказаться подходящей в качестве модели губчатого вещества костной ткани при переломе, когда вызывает беспокойство напряжение перелома, но не рассеяние энергии.

Предпосылки

Образцы для испытаний из синтетической кости часто используются в пользу образцов из трупов из-за их низкой вариативности в свойствах материала и доступности (по сравнению с образцами из трупа), а также из-за незагрязненной и чистой среды тестирования, которую они обеспечивают.Жесткие пенополиуретаны с закрытыми порами (ПУ) плотностью обычно от 0,16 до 0,64 г / см ^-3 широко используются в качестве стандартных испытательных материалов для имитации губчатой ​​кости человека [1]. Пенополиуретан доступен в виде блоков, которые использовались для исследования фиксации костных винтов [2,3], и в этом виде будет использоваться в текущем исследовании. Пенополиуретан также используется в качестве губчатого материала сердцевины в моделях цельной кости с внешним покрытием для кортикальной кости; эти модели использовались для исследования таких устройств, как интрамедуллярные гвозди [4].Механические свойства моделей цельной кости сравнивали с характеристиками натуральной кости [5].

Небольшие исследования были выполнены с синтетическими материалами, которые могли бы имитировать губчатую кость человека при остеопорозе (OP). Остеопороз — это заболевание костей, при котором резорбция кости превышает отложение кости, что приводит к потере костной массы [6]. Различные жесткие полиуретановые пены с открытыми порами доступны для использования в качестве моделей костей OP из-за их низкой плотности материала (обычно около 0,09 г / см ^-3 ) [7].Однако поиск в литературе показал, что практически не существует исследований, позволяющих определить, может ли пенополиуретан быть подходящим тестовым материалом для ОП губчатого вещества кости. Джонсон и Келлер [8] сообщили о механических свойствах двух жестких полиуретановых пен с открытыми ячейками плотностью 0,09 г / см ^-3 и 0,12 г / см ^-3 в качестве моделей для синтетических грудных позвонков. Они пришли к выводу, что пена с открытыми ячейками представляет собой альтернативу статическим исследованиям или исследованиям усталости позвонков человека, предполагая, что будущая работа может включать пеноматериалы с различной пористостью для моделирования различной степени дегенерации ОП [8].Szivek et al. [9,10] измерили модуль упругости, текучесть и прочность на сжатие различных композиций пенополиуретана с закрытыми ячейками (приготовленных во время их исследования), которые обеспечили воспроизводимые механические свойства, попадающие в диапазон свойств губчатой ​​кости у разных типов пациентов. Тем не менее, это исследование не относилось к конкретному заболеванию при сравнении механических свойств составов пенополиуретана с опубликованными данными. Кроме того, не всегда практично составлять конкретные композиции пенополиуретана, учитывая, что существует несколько коммерчески доступных пенополиуретанов.В других исследованиях [11-13] изучались пенополиуретаны при сжатии, сдвиге и усталости с целью их использования в качестве материала-аналога губчатой ​​кости. Но ни одно из этих исследований не охарактеризовало пенополиуретан как модель губчатой ​​кости OP путем сравнения соответствующих данных со свойствами кости OP.

В этом исследовании цель состояла в том, чтобы определить, может ли какой-либо пенополиуретан низкой плотности (то есть с открытыми или закрытыми ячейками) подходить в качестве механической модели для OP кости человека. Пригодность определялась путем измерения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для получения текучести для трех пенополиуретанов, и непосредственного сравнения их с соответствующими значениями, полученными при исследовании губчатой ​​кости человека OP [14].Определение таких механических свойств может помочь в выборе соответствующих пенополиуретанов в качестве модели губчатого вещества кости OP в других исследованиях, например, при механической оценке характеристик имплантата [15].

Методы

2.1 Образцы пенополиуретана

В данном исследовании использовались пенополиуретаны трех различных плотностей. Пенополиуретан с закрытыми порами плотностью 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 (Американское общество испытаний и материалов, ASTM, класс 10 и класс 20) [1] был использован для моделирования низкой и средней плотности. губчатая кость соответственно.Жесткий пенопласт с открытыми ячейками плотностью 0,09 г / см ^-3 был использован для моделирования губчатой ​​кости очень низкой плотности. Все пенополиуретаны были закуплены в виде блоков размером 130 × 180 × 40 мм у Sawbones ^® Europe AB, Мальмё, Швеция. Плотность пены была предоставлена ​​Sawbones ^® Europe AB.

Используя заостренную трубку, шесть цилиндрических стержней диаметром 9 мм были просверлены из каждого из трех блоков пенополиуретана различной плотности. Керны были взяты с использованием метода, описанного Ли и Аспденом [14], в котором цилиндрическая ось керна была примерно перпендикулярна поверхности блока PU (это предпочтительная ориентация «трабекул»).Точный диаметр цилиндров из ПУ определялся как среднее из четырех измерений; это было необходимо, чтобы учесть неоднородность пенополиуретана ^-3 с открытыми порами 0,09 г / см, в частности.

Для этого исследования были выбраны цилиндры двух разной длины, чтобы проверить на любые эффекты потери устойчивости или формы. Цилиндр длиной 7,7 ± 0,2 мм был выбран так, чтобы результаты можно было сравнить с результатами опубликованного исследования ОП губчатой ​​кости человека [14]. Для исследования влияния размеров образца цилиндр длиной 3.9 ± 0,1 мм. Эта длина была получена из стандарта для испытаний резин [16]. Причина выбора этого стандарта заключалась в том, чтобы гарантировать, что образцы не вздуваются при сжатии; каучуки имеют значение Пуассона около 0,5 и поэтому поддерживают почти постоянный объем во время сжатия; в результате они вздуваются больше, чем большинство других материалов [17,18]. Размеры измеряли с помощью штангенциркуля с цифровым нониусом (Fisher Scientific UK Ltd., Лестершир).

Шесть цилиндров были подготовлены для каждой длины цилиндра и каждой плотности блока пенополиуретана.Требуемая длина цилиндра была достигнута либо с помощью небольших ножниц для пенополиуретана 0,09 г / см ^-3 , либо путем протирания цилиндра из пенополиуретана о лист наждачной бумаги (средний класс M2, SupaDec, RS Components Ltd. ., Нортгемптоншир, Великобритания), для пенополиуретана 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 .

2.2 Механические испытания

Испытания на квазистатическое безусловное сжатие были проведены с использованием испытательной машины материалов ELF3200 (для пенопласта с наименьшей плотностью) или ELF3300 (для других пенополиуретанов) (Bose Corporation, ElectroForce Systems Group, Миннетонка, Миннесота, США) .С.А.). Испытательная машина ELF3200 оснащена датчиком нагрузки с полной шкалой 225 Н (максимальная погрешность 0,21% от полной шкалы) и датчиком перемещения с полной шкалой 6,5 мм (максимальная погрешность 0,49% от полной шкалы). Испытательная машина ELF3300 оснащена датчиком нагрузки с полной шкалой 5100 Н (максимальная погрешность 0,1% от полной шкалы) и датчиком перемещения с полной шкалой 12,7 мм (максимальная погрешность 0,28% от полной шкалы). Допуски производителя на совмещение отверстий составляют ± 0,1 мм.

Пенопласт с наименьшей плотностью был испытан на другой машине с датчиком нагрузки меньшей емкости из-за его большей податливости и меньшей прочности.Все тесты записывались на видео с помощью видеокамеры (Sony Handycam DCR-DVD404E, Sony Corporation, Япония). К образцам, которые были сжаты между двумя ацеталевыми пластинами (толщиной 15 мм), не применялись никакие предварительные нагрузки или предварительное кондиционирование. Для цилиндров длиной 3,9 мм и 7,7 мм испытания проводились под контролем смещения со скоростью 0,013 мм · с ^-1 и 0,026 мм · с ^-1 соответственно, оба из которых эквивалентны скорости деформации 0,0033. с ^–1 [14]. Просмотр видеозаписей показал повторяющийся цикл перелома и консолидации трабекулы (особенно для 0.09 г.см ^-3 Пенополиуретан). Все испытательные цилиндры испытывали нагрузки меньше критической нагрузки, необходимой для потери устойчивости по Эйлеру, и на видеоизображениях такой потери устойчивости не наблюдалось. Для каждого испытания на сжатие инженерное напряжение рассчитывалось путем деления нагрузки, зарегистрированной в каждой точке данных, на исходную площадь поперечного сечения цилиндра из пенополиуретана, в то время как инженерная деформация рассчитывалась путем деления смещения приводной головки машины (в каждой точке). данные) на исходную высоту цилиндра из пенополиуретана [19].Полином пятого порядка был приспособлен к кривым напряжения-деформации. Определенными свойствами материала были модуль Юнга, предел текучести и энергия, поглощенная до предела текучести. Общее выражение для модуля Юнга было найдено путем дифференцирования полиномиального уравнения инженерной кривой напряжения-деформации по отношению к деформации. Затем это выражение для модуля Юнга было построено в зависимости от деформации, и модуль Юнга был определен как максимальное значение на кривой. Таким образом было необходимо определить модуль Юнга, потому что кривые напряжения-деформации были нелинейными.Предел текучести определяли по методу, описанному Ли и Аспденом [14]; т.е. он был определен как напряжение, при котором модуль Юнга уменьшился на 3% от своего максимального значения. Энергия, поглощенная для достижения текучести, была рассчитана путем интегрирования полиномиального уравнения инженерной кривой напряжения-деформации между пределами нуля и точкой деформации, в которой был определен предел текучести.

2.3 Статистический анализ

Статистические сравнения были выполнены с использованием MINITAB ^® Release 14.1 Статистическое программное обеспечение (Minitab Inc., Пенсильвания, США). Нормальность распределений оценивалась с помощью теста Андерсона-Дарлинга. Данные сравнивались с использованием двухвыборочного t-критерия (данные с нормальным распределением) или критерия Манна-Уитни (непараметрические данные) с уровнем значимости 0,05.

Результаты

На рис. Показана кривая напряжения-деформации для образца пенополиуретана низкой плотности, который был испытан до разрушения. Общее выражение для модуля Юнга материала дается градиентом кривой.На рис. 4 показана кривая, полученная, если выражение модуля Юнга построить как функцию деформации. Модуль Юнга на рис. Предел текучести определяется как напряжение в конце области пика, когда модуль Юнга уменьшается на 3%. Рис. И имеют одинаковые оси деформации для облегчения сравнения. Кривые типичны для полученных в настоящей работе. Энергия, потребляемая для достижения предела текучести, представляет собой площадь под кривой напряжения-деформации до предела текучести.

Кривые зависимости деформации от напряжения и модуля Юнга .(a) Кривая напряжения-деформации для образца полиуретановой пены с открытыми ячейками длиной 7,7 мм (0,09 г · см ^-3 ), используемого для моделирования губчатой ​​кости человека с очень низкой плотностью, и (b) модуль Юнга, определенный из него как градиент кривой. Предел текучести определяется точкой, в которой модуль Юнга уменьшается на 3% от своего максимального значения. Площадь под кривой напряжения-деформации до предела текучести определяется как энергия, поглощенная для текучести.

Таблица суммирует различия в значениях модуля Юнга, предела текучести и энергии, потребляемой для текучести между 3.Цилиндры из пенополиуретана длиной 9 мм и 7,7 мм. Значительные различия были обнаружены в модуле Юнга между цилиндрами из полиуретана длиной от 3,9 мм до 7,7 мм для всех трех плотностей пенополиуретана (p <0,05). Не было обнаружено значительных различий в пределе текучести между цилиндрами из полиуретана длиной 3,9 и 7,7 мм для всех трех плотностей пенополиуретана. Что касается энергии, потребляемой для достижения текучести, значимые различия (p <0,05) были обнаружены между цилиндрами из полиуретана длиной 3,9 и 7,7 мм для 0,16 г / см ^-3 и 0.32 г / см ^-3 ППУ, но не для пенополиуретана 0,09 г / см ^-3 ПУ.

Таблица 1

Модуль Юнга (E) , Предел текучести и поглощенная энергия для текучести цилиндров из пенополиуретана при сжатии

902

902

В таблице приведены средние значения модуля Юнга, предела текучести и энергии, потребляемой для текучести, найденные в исследовании Ли и Аспдена, в котором изучались механические свойства OP кость человека [14]. Можно провести прямое сравнение значений в таблице и соответствующих значений механических свойств для полиуретанового цилиндра длиной 7,7 мм в таблице. Таблица включает диапазоны доверительных интервалов от 5% до 95% из исследования Li & Aspden; диапазоны были извлечены из коробчатых диаграмм и представляют собой только приблизительные значения.

Таблица 2

Сводка механических свойств, полученных из исследования Li & Aspden

Обсуждение

Целью этой работы было определить, может ли любой пенополиуретан низкой плотности (с открытыми или закрытыми ячейками) подходить в качестве механической модели для губчатого ОП человека. кость.Насколько известно авторам, это единственная статья, в которой механические свойства пенополиуретана сравниваются с результатами, полученными на костях [14], с использованием точно таких же методов. Результаты исследования свидетельствуют о том, что по крайней мере одна из трех протестированных пен может быть потенциальной моделью для OP кости. Результаты для каждой плотности пенополиуретана обсуждаются в следующих параграфах.

Пенополиуретан ^-3 весом 0,09 г / см, использованный для моделирования кости очень низкой плотности в этом исследовании, намного слабее, чем кость OP, исследованная Ли и Аспденом [14].Таблицы и показывают, что значения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для достижения текучести, для полиуретановой пены ^-3 с плотностью 0,09 г / см, ниже диапазона результатов Li и Аспдена. Эти данные могут указывать на сложность использования полиуретановой пены с открытыми порами для моделирования губчатого пласта кости. Проблемы, связанные с моделированием OP костей, обсуждаются позже.

Для пенополиуретана ^-3 и 0,32 г / см ^-3 , использованного в данном исследовании, диапазон модуля Юнга и предела текучести составлял 15.1–151,4 МПа (модуль Юнга) и 0,9–4,5 МПа (предел текучести). В литературе сообщается, что модуль Юнга губчатой ​​кости человека варьируется в пределах 1,1–9800 МПа [20-22] и включает губчатую кость человека, расположенную поперек большеберцовой кости, тел позвонков и плечевой кости, в то время как предел текучести, как сообщается, различается. в диапазоне 0,6–17,5 МПа [23,24], с учетом губчатого вещества кости в пределах позвонка, голени и бедра. Результаты для пенополиуретана 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 , использованного в данном исследовании, находятся в указанных выше диапазонах; этого согласия следовало ожидать, потому что пены с такой плотностью должны соответствовать стандарту ASTM [1].Однако использование полиуретановой пены ^-3 плотностью 0,32 г / см в качестве «нормальной» модели кости может быть более оправдано, чем использование пенополиуретана ^-3 с плотностью 0,16 г / см; Пенополиуретан ^-3 толщиной 0,32 г / см дал аналогичные значения модуля Юнга и предела текучести между данным исследованием и работой Ли и Аспдена с нормальной костью.

Трудно отнести пенополиуретан ^-3 0,16 г / см к «нормальной» или OP-модели кости. Значения модуля Юнга для пеноматериала ^-3 0,16 г / см близки к 5% доверительному интервалу 40 и 50 МПа для нормальной кости и ОП-кости соответственно [14].Кроме того, значения предела текучести для пенопласта ^-3 0,16 г / см близки к 5% доверительному интервалу 0,4 и 0,6 МПа для нормальной и OP кости соответственно [14]. Эти данные позволяют предположить, что пенополиуретан ^-3 с плотностью 0,16 г / см может оказаться подходящим в качестве ОП-модели кости для механических испытаний, связанных с напряжением разрушения.

Предыдущие исследования были сосредоточены на пенополиуретане с открытыми или закрытыми порами; здесь мы рассматриваем обе возможные модели для OP кости. Сообщалось, что пенополиуретан с открытыми и закрытыми ячейками по-разному реагирует на механические нагрузки [8].Пенопласты с открытыми порами являются предпочтительными из-за их усталостного поведения при сжатии, где локализованная одноячеистая полоса раздавливания, как было обнаружено, более характерна для губчатого вещества кости, в отличие от расширяемой зоны раздавливания, обнаруживаемой в пене с закрытыми порами при той же деформации [25,26]. Было обнаружено, что пена с закрытыми ячейками демонстрирует статические механические свойства, сходные с характеристиками губчатой ​​кости человека, но отличающиеся от характеристик костей человека при усталости [12], что позволяет использовать пенополиуретан ^-3 0,16 г / см в качестве модели OP кости в исследования переломов.

Для всех пенополиуретанов разной длины и плотности, использованных в данном исследовании, энергия, поглощенная для получения текучести, была пренебрежимо мала. Это указывает на то, что пенополиуретан имеет более хрупкую природу по сравнению с человеческой костью. Одна теория [27] предлагает «модульный» механизм удлинения для прочности природных композитов, таких как кость, при котором домены внутри одной молекулы разворачиваются (или открываются петли) при толкании или вытягивании, так что «жертвенные связи» разрываются до того, как сильная связь нарушена (если сила достаточно велика).Такое поведение не может быть продемонстрировано в однородном материале, таком как пенополиуретан. Таким образом, пенополиуретан не может быть подходящей моделью, когда возникает проблема рассеивания энергии (например, при усталости).

Результаты, представленные в этой статье, показывают, что трудно найти синтетический материал, имитирующий свойства OP-кости. Частично это связано с широким разбросом опубликованных результатов для реальной нормальной кости и кости OP [14]. Таблица показывает, что предел текучести и энергия, поглощенная для текучести, аналогичны для OP и нормальной кости.Возможное объяснение состоит в том, что нормальная кость демонстрирует значительную индивидуальную изменчивость, так что, когда костная ткань теряется в результате ОП у некоторых людей, полученная ткань имеет свойства, которые напоминают свойства нормальной кости у других людей.

Были выбраны две разные длины цилиндра из полиуретана, чтобы определить, повлияют ли размеры образца на результаты. Существенные различия были обнаружены в модуле Юнга и энергии, поглощенной для получения текучести (за исключением пенополиуретана ^-3 0,09 г / см) между двумя длинами цилиндров из пенополиуретана.Этот результат согласуется с выводами Keaveny et al. [28], которые обнаружили слабую зависимость между модулем Юнга и соотношением сторон образца для цилиндрических образцов губчатого вещества кости. Реакция ячеистого твердого тела на сжатие непроста. Видеозаписи показали, что деформация пенопласта с открытыми ячейками связана с изгибом и короблением «подкосов» ПУ; отказ включал перелом и консолидацию. Подобный структурный ответ на сжатие наблюдается в трабекулах губчатого вещества кости [29].Этот сложный ответ может быть связан с зависимостью результатов от геометрии образца. Однако наиболее важным выводом является то, что любое сравнение результатов для пенополиуретана и кости должно проводиться с результатами, полученными на образцах сравнимых размеров.

Механические свойства пенополиуретана, использованного в этом исследовании, были получены из одной скорости деформации, чтобы сравнить результаты с опубликованными для губчатого вещества кости [14]. Полезным будущим исследованием было бы испытание механических свойств пенополиуретана, рассматриваемых в этом исследовании, когда они подвергаются более высоким скоростям деформации, а затем сравнение данных с механическими свойствами губчатого вещества кости, испытанного при высоких скоростях деформации.Любое сходство, обнаруженное между механическими свойствами пенополиуретана и губчатой ​​кости, еще больше укрепит аргументы в пользу использования пенополиуретана в качестве модели губчатой ​​кости человека.

Заключение

Пенополиуретан плотностью 0,16 г / см ^-3 может оказаться подходящим в качестве OP-модели губчатого вещества кости, когда напряжение перелома, но не рассеяние энергии, вызывает беспокойство. Полиуретановая пена ^-3 0,16 г / см является хорошей альтернативой для испытаний in vitro, поскольку она имеет модуль упругости при сжатии и значения предела текучести, аналогичные параметрам костей OP, которые также были протестированы на сжатие.Было невозможно охарактеризовать пену с помощью других форм испытаний из-за отсутствия соответствующих данных для сравнения результатов нашего исследования.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

PSDP рассмотрел исследование, провел экспериментальную работу, анализ данных и подготовил рукопись. DETS участвовал в разработке исследования, помогал в интерпретации данных и помогал в составлении рукописи.DWLH участвовал в разработке исследования, помогал в интерпретации данных и критически отредактировал рукопись. Все авторы прочитали и одобрили окончательную рукопись.

Благодарности

Авторы благодарят г-на К. Хингли и г-на Л. Гаунтлетта за изготовление компрессионных пластин, компанию Arthritis Research Campaign за предоставление оборудования, Surgicraft Limited за финансовую поддержку и Школу машиностроения Университета Бирмингема за предоставление стипендия для PSDP.

Ссылки

• ASTM F1839-01 Стандартные технические условия на жесткий пенополиуретан для использования в качестве стандартного материала для испытаний ортопедических устройств и инструментов. Пенсильвания: Американское общество испытаний и материалов. 2001.
• Battula S, Schoenfeld A, Vrabec G, Njus GO. Экспериментальная оценка удерживающей способности / жесткости самонарезающих костных винтов в нормальном и остеопоротическом костном материале. Clin Biomech. 2006; 21: 533–537. DOI: 10.1016 / j.clinbiomech.2005.12.020. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Chapman JR, Harrington RM, Lee KM, Anderson PA, Tencer AF, Kowalski D. Факторы, влияющие на силу отрыва винтов для губчатой ​​кости. J Biomech Eng. 1996. 118: 391–398. DOI: 10,1115 / 1,2796022. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Исака К., Куммер Ф. Дж., Ди Чезаре ЧП. Концы напряжения между двумя ипсилатеральными интрамедуллярными стержнями — конечно-элементный и биомеханический анализ. J Артропластика. 2005. 20: 386–391. DOI: 10.1016 / j.arth.2004.05.002. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Хайнер А.Д., Браун Т.Д. Структурные свойства нового дизайна композитных копий бедренных и большеберцовых костей. J Biomech. 2001; 34: 773–781. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (01) 00015-X. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Silverthorn DU. Физиология человека: комплексный подход. 2. Нью-Джерси: Prentice-Hall Inc; 2001. с. 807. [Google Scholar]
• Sawbones ^® Europe AB http://www.sawbones.com/products/bio/testblocks/rigidfoam.aspx
• Johnson AE, Keller TS. Механические свойства грудных позвонков из вспененного синтетического материала с открытыми ячейками. J Mater Sci — Mater M. 2008; 19: 1317–1323. DOI: 10.1007 / s10856-007-3158-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Szivek JA, Thomas M, Benjamin JB. Техническое примечание. Характеристика синтетической пены как модели губчатой ​​кости человека. J Appl Biomater. 1993; 4: 269–272. DOI: 10.1002 / jab.770040309. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Сивек Дж. А., Томпсон Дж. Д., Бенджамин Дж. Б..Характеристика трех составов синтетической пены в качестве моделей для ряда типов губчатой ​​кости человека. J Appl Biomater. 1995; 6: 125–128. DOI: 10.1002 / jab.770060207. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Томпсон М.С., Маккарти И.Д., Лидгрен Л., Рид Л. Свойства коммерчески доступных пенополиуретанов на сжатие и сдвиг. J Biomech Eng — T ASME. 2003; 125: 732–734. DOI: 10,1115 / 1,1614820. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Палиссери В., Тейлор М., Браун М. Характеристика усталости вспененного полимера для использования в качестве материала аналога губчатой ​​кости при оценке ортопедических устройств.J Mater Sci — Mater M. 2004; 15: 61–67. DOI: 10.1023 / B: JMSM.0000010098.65572.3b. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Trumble DR, McGregor WE, Magovern JA. Проверка модели аналога кости для исследования закрытия грудины. Ann Thorac Surg. 2002; 74: 739–745. DOI: 10.1016 / S0003-4975 (02) 03699-8. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ли Б., Аспден Р.М. Состав и механические свойства губчатой ​​кости головки бедренной кости пациентов с остеопорозом или остеоартрозом. J Bone Miner Res.1997; 12: 641–651. DOI: 10.1359 / jbmr.1997.12.4.641. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Соммерс М.Б., Фитцпатрик Д.К., Мадей С.М., Зандершулп К. Ванде, Боттланг М. Суррогатная модель длинной кости со свойствами остеопоротического материала для биомеханического тестирования имплантатов излома. J Biomech. 2007. 40: 3297–3304. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2007.04.024. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• BS 903-A6: 1992 Физические испытания резины — Часть A6: Метод определения остаточной деформации при сжатии при температуре окружающей среды, повышенных или низких температурах.Лондон: Британский институт стандартов; 1992. [Google Scholar]
• O’Sullivan S, Nagle R, McEwen JA, Casey V. Эластомерные каучуки как элементы отклонения в датчиках давления: исследование свойств с использованием специально разработанного программируемого испытательного стенда для эластомеров. J Phys D Appl Phys. 2003; 36: 1910–1916. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 36/15/324. [CrossRef] [Google Scholar]
• Widdle RD, Jr, Bajaj AK, Davies P. Измерение коэффициента Пуассона гибкого пенополиуретана и его влияние на модель одноосного сжатия.Int J Eng Sci. 2008; 46: 31–49. DOI: 10.1016 / j.ijengsci.2007.09.002. [CrossRef] [Google Scholar]
• Turner CH, Burr DB. Основные биомеханические измерения кости: учебное пособие. Кость. 1993; 14: 595–608. DOI: 10.1016 / 8756-3282 (93)

  -K. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Джатли Р.С., Уотсон Массачусетс, Шеперд DET, Hukins DWL. Анализ методом конечных элементов напряжения вокруг винта для грудины, используемый для предотвращения расхождения грудины после операции на сердце. Proc Inst Mech Eng [H] 2002; 216: 315–321. [PubMed] [Google Scholar]
• Рёль Л., Ларсен Э., Линде Ф., Одгаард А., Йоргенсен Дж.Растягивающие и сжимающие свойства губчатого вещества кости. J Biomech. 1991; 24: 1143–1149. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (91) ^{-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]}
• Гольдштейн С. Механические свойства губчатой ​​кости: зависимость от анатомического расположения и функции. J Biomech. 1987; 20: 1055–1061. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (87)

  -6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Kopperdahl DL, Keaveny TM. Поведение губчатой ​​кости при деформации текучести. J Biomech. 1998. 31: 601–608. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (98) 00057-8.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Morgan EF, Keaveny TM. Зависимость деформации деформации губчатой ​​кости человека от анатомической области. J Biomech. 2001; 34: 569–577. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (01) 00011-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Харт А.М., Флек Н.А., Эшби М.Ф. Усталостное разрушение пенопласта из алюминиевого сплава с открытыми ячейками и закрытыми ячейками. Acta Mater. 1999; 47: 2511–2524. DOI: 10.1016 / S1359-6454 (99) 00097-X. [CrossRef] [Google Scholar]
• Келлер TS. Прогнозирование механического сжатия кости.J Biomech. 1994; 27: 1159–1168. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (94)
  

  -6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Смит Б.Л., Шеффер Т.Э., Виани М., Томпсон Дж.Б., Фредерик Н.А., Киндт Дж., Белчер А., Стаки Г.Д., Морс Д.Е., Хансма П.К. Молекулярно-механическое происхождение прочности природных клеев, волокон и композитов. Природа. 1999; 399: 761–763. DOI: 10,1038 / 21607. [CrossRef] [Google Scholar]
• Keaveny TM, Pinilla TP, Crawford RP, Kopperdahl DL, Lou A. Систематические и случайные ошибки при компрессионных испытаниях губчатой ​​кости.J Orthop Res. 1997; 15: 101–110. DOI: 10.1002 / jor.1100150115. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Гибсон Л.Дж. Биомеханика твердого клеточного тела. J Biomech. 2005; 38: 377–399. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2004.09.027. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Компрессионные свойства имеющихся в продаже пенополиуретанов в качестве механических моделей остеопоротической губчатой ​​кости человека

BMC Musculoskelet Disord. 2008; 9: 137.

, ^{# 1} , ^{# 1} и ^{# 1}

Purvi SD Patel

¹ Школа машиностроения, Бирмингемский университет, Бирмингем, Эдгбастон, B15 2TT, UK

Duncan ET Shepherd

¹ Школа машиностроения, Бирмингемский университет, Эджбастон, Бирмингем, B15 2TT, Великобритания

Дэвид В.Л. Хукинс

¹ Школа машиностроения Бирмингемского университета, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, UK

¹ Школа машиностроения, Университет Бирмингема, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, UK

Автор, отвечающий за переписку.

^# Распространяется поровну.

Поступила в редакцию 29 апреля 2008 г .; Принято 9 октября 2008 г.

Copyright © 2008 Patel et al; лицензиат BioMed Central Ltd.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе. при условии правильного цитирования оригинала.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Background

Пенополиуретан (ПУ) широко используется в качестве модели губчатого вещества кости. Пенопласты с более высокой плотностью используются в качестве стандартных материалов для биомеханических испытаний, но ни один из пенополиуретанов с низкой плотностью не является общепринятым в качестве моделей для остеопоротической (ОП) кости. Целью этого исследования было определить, может ли полиуретановая пена низкой плотности подходить для имитации ОП губчатой ​​кости человека.

Методы

Испытания на квазистатическое сжатие были проведены на баллонах из пенополиуретана разной длины (3.9 и 7,7 мм) и различной плотности (0,09, 0,16 и 0,32 г / см ^-3 ) для определения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для достижения текучести.

Результаты

Значения модуля Юнга составляли 0,08–0,93 МПа для пены ^-3 0,09 г / см и 15,1–151,4 МПа для пены ^-3 0,16 и 0,32 г / см. Предел текучести составлял 0,01–0,07 МПа для пенопласта ^-3 0,09 г / см и 0,9–4,5 МПа для пеноматериала ^-3 0,16 и 0,32 г / см.Было обнаружено, что энергия, поглощенная для получения текучести, пренебрежимо мала для всех цилиндров из пенопласта.

Заключение

На основании этих результатов сделан вывод, что полиуретановая пена с плотностью 0,16 г / см ^-3 может оказаться подходящей в качестве модели губчатого вещества костной ткани при переломе, когда вызывает беспокойство напряжение перелома, но не рассеяние энергии.

Предпосылки

Образцы для испытаний из синтетической кости часто используются в пользу образцов из трупов из-за их низкой вариативности в свойствах материала и доступности (по сравнению с образцами из трупа), а также из-за незагрязненной и чистой среды тестирования, которую они обеспечивают.Жесткие пенополиуретаны с закрытыми порами (ПУ) плотностью обычно от 0,16 до 0,64 г / см ^-3 широко используются в качестве стандартных испытательных материалов для имитации губчатой ​​кости человека [1]. Пенополиуретан доступен в виде блоков, которые использовались для исследования фиксации костных винтов [2,3], и в этом виде будет использоваться в текущем исследовании. Пенополиуретан также используется в качестве губчатого материала сердцевины в моделях цельной кости с внешним покрытием для кортикальной кости; эти модели использовались для исследования таких устройств, как интрамедуллярные гвозди [4].Механические свойства моделей цельной кости сравнивали с характеристиками натуральной кости [5].

Небольшие исследования были выполнены с синтетическими материалами, которые могли бы имитировать губчатую кость человека при остеопорозе (OP). Остеопороз — это заболевание костей, при котором резорбция кости превышает отложение кости, что приводит к потере костной массы [6]. Различные жесткие полиуретановые пены с открытыми порами доступны для использования в качестве моделей костей OP из-за их низкой плотности материала (обычно около 0,09 г / см ^-3 ) [7].Однако поиск в литературе показал, что практически не существует исследований, позволяющих определить, может ли пенополиуретан быть подходящим тестовым материалом для ОП губчатого вещества кости. Джонсон и Келлер [8] сообщили о механических свойствах двух жестких полиуретановых пен с открытыми ячейками плотностью 0,09 г / см ^-3 и 0,12 г / см ^-3 в качестве моделей для синтетических грудных позвонков. Они пришли к выводу, что пена с открытыми ячейками представляет собой альтернативу статическим исследованиям или исследованиям усталости позвонков человека, предполагая, что будущая работа может включать пеноматериалы с различной пористостью для моделирования различной степени дегенерации ОП [8].Szivek et al. [9,10] измерили модуль упругости, текучесть и прочность на сжатие различных композиций пенополиуретана с закрытыми ячейками (приготовленных во время их исследования), которые обеспечили воспроизводимые механические свойства, попадающие в диапазон свойств губчатой ​​кости у разных типов пациентов. Тем не менее, это исследование не относилось к конкретному заболеванию при сравнении механических свойств составов пенополиуретана с опубликованными данными. Кроме того, не всегда практично составлять конкретные композиции пенополиуретана, учитывая, что существует несколько коммерчески доступных пенополиуретанов.В других исследованиях [11-13] изучались пенополиуретаны при сжатии, сдвиге и усталости с целью их использования в качестве материала-аналога губчатой ​​кости. Но ни одно из этих исследований не охарактеризовало пенополиуретан как модель губчатой ​​кости OP путем сравнения соответствующих данных со свойствами кости OP.

В этом исследовании цель состояла в том, чтобы определить, может ли какой-либо пенополиуретан низкой плотности (то есть с открытыми или закрытыми ячейками) подходить в качестве механической модели для OP кости человека. Пригодность определялась путем измерения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для получения текучести для трех пенополиуретанов, и непосредственного сравнения их с соответствующими значениями, полученными при исследовании губчатой ​​кости человека OP [14].Определение таких механических свойств может помочь в выборе соответствующих пенополиуретанов в качестве модели губчатого вещества кости OP в других исследованиях, например, при механической оценке характеристик имплантата [15].

Методы

2.1 Образцы пенополиуретана

В данном исследовании использовались пенополиуретаны трех различных плотностей. Пенополиуретан с закрытыми порами плотностью 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 (Американское общество испытаний и материалов, ASTM, класс 10 и класс 20) [1] был использован для моделирования низкой и средней плотности. губчатая кость соответственно.Жесткий пенопласт с открытыми ячейками плотностью 0,09 г / см ^-3 был использован для моделирования губчатой ​​кости очень низкой плотности. Все пенополиуретаны были закуплены в виде блоков размером 130 × 180 × 40 мм у Sawbones ^® Europe AB, Мальмё, Швеция. Плотность пены была предоставлена ​​Sawbones ^® Europe AB.

Используя заостренную трубку, шесть цилиндрических стержней диаметром 9 мм были просверлены из каждого из трех блоков пенополиуретана различной плотности. Керны были взяты с использованием метода, описанного Ли и Аспденом [14], в котором цилиндрическая ось керна была примерно перпендикулярна поверхности блока PU (это предпочтительная ориентация «трабекул»).Точный диаметр цилиндров из ПУ определялся как среднее из четырех измерений; это было необходимо, чтобы учесть неоднородность пенополиуретана ^-3 с открытыми порами 0,09 г / см, в частности.

Для этого исследования были выбраны цилиндры двух разной длины, чтобы проверить на любые эффекты потери устойчивости или формы. Цилиндр длиной 7,7 ± 0,2 мм был выбран так, чтобы результаты можно было сравнить с результатами опубликованного исследования ОП губчатой ​​кости человека [14]. Для исследования влияния размеров образца цилиндр длиной 3.9 ± 0,1 мм. Эта длина была получена из стандарта для испытаний резин [16]. Причина выбора этого стандарта заключалась в том, чтобы гарантировать, что образцы не вздуваются при сжатии; каучуки имеют значение Пуассона около 0,5 и поэтому поддерживают почти постоянный объем во время сжатия; в результате они вздуваются больше, чем большинство других материалов [17,18]. Размеры измеряли с помощью штангенциркуля с цифровым нониусом (Fisher Scientific UK Ltd., Лестершир).

Шесть цилиндров были подготовлены для каждой длины цилиндра и каждой плотности блока пенополиуретана.Требуемая длина цилиндра была достигнута либо с помощью небольших ножниц для пенополиуретана 0,09 г / см ^-3 , либо путем протирания цилиндра из пенополиуретана о лист наждачной бумаги (средний класс M2, SupaDec, RS Components Ltd. ., Нортгемптоншир, Великобритания), для пенополиуретана 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 .

2.2 Механические испытания

Испытания на квазистатическое безусловное сжатие были проведены с использованием испытательной машины материалов ELF3200 (для пенопласта с наименьшей плотностью) или ELF3300 (для других пенополиуретанов) (Bose Corporation, ElectroForce Systems Group, Миннетонка, Миннесота, США) .С.А.). Испытательная машина ELF3200 оснащена датчиком нагрузки с полной шкалой 225 Н (максимальная погрешность 0,21% от полной шкалы) и датчиком перемещения с полной шкалой 6,5 мм (максимальная погрешность 0,49% от полной шкалы). Испытательная машина ELF3300 оснащена датчиком нагрузки с полной шкалой 5100 Н (максимальная погрешность 0,1% от полной шкалы) и датчиком перемещения с полной шкалой 12,7 мм (максимальная погрешность 0,28% от полной шкалы). Допуски производителя на совмещение отверстий составляют ± 0,1 мм.

Пенопласт с наименьшей плотностью был испытан на другой машине с датчиком нагрузки меньшей емкости из-за его большей податливости и меньшей прочности.Все тесты записывались на видео с помощью видеокамеры (Sony Handycam DCR-DVD404E, Sony Corporation, Япония). К образцам, которые были сжаты между двумя ацеталевыми пластинами (толщиной 15 мм), не применялись никакие предварительные нагрузки или предварительное кондиционирование. Для цилиндров длиной 3,9 мм и 7,7 мм испытания проводились под контролем смещения со скоростью 0,013 мм · с ^-1 и 0,026 мм · с ^-1 соответственно, оба из которых эквивалентны скорости деформации 0,0033. с ^–1 [14]. Просмотр видеозаписей показал повторяющийся цикл перелома и консолидации трабекулы (особенно для 0.09 г.см ^-3 Пенополиуретан). Все испытательные цилиндры испытывали нагрузки меньше критической нагрузки, необходимой для потери устойчивости по Эйлеру, и на видеоизображениях такой потери устойчивости не наблюдалось. Для каждого испытания на сжатие инженерное напряжение рассчитывалось путем деления нагрузки, зарегистрированной в каждой точке данных, на исходную площадь поперечного сечения цилиндра из пенополиуретана, в то время как инженерная деформация рассчитывалась путем деления смещения приводной головки машины (в каждой точке). данные) на исходную высоту цилиндра из пенополиуретана [19].Полином пятого порядка был приспособлен к кривым напряжения-деформации. Определенными свойствами материала были модуль Юнга, предел текучести и энергия, поглощенная до предела текучести. Общее выражение для модуля Юнга было найдено путем дифференцирования полиномиального уравнения инженерной кривой напряжения-деформации по отношению к деформации. Затем это выражение для модуля Юнга было построено в зависимости от деформации, и модуль Юнга был определен как максимальное значение на кривой. Таким образом было необходимо определить модуль Юнга, потому что кривые напряжения-деформации были нелинейными.Предел текучести определяли по методу, описанному Ли и Аспденом [14]; т.е. он был определен как напряжение, при котором модуль Юнга уменьшился на 3% от своего максимального значения. Энергия, поглощенная для достижения текучести, была рассчитана путем интегрирования полиномиального уравнения инженерной кривой напряжения-деформации между пределами нуля и точкой деформации, в которой был определен предел текучести.

2.3 Статистический анализ

Статистические сравнения были выполнены с использованием MINITAB ^® Release 14.1 Статистическое программное обеспечение (Minitab Inc., Пенсильвания, США). Нормальность распределений оценивалась с помощью теста Андерсона-Дарлинга. Данные сравнивались с использованием двухвыборочного t-критерия (данные с нормальным распределением) или критерия Манна-Уитни (непараметрические данные) с уровнем значимости 0,05.

Результаты

На рис. Показана кривая напряжения-деформации для образца пенополиуретана низкой плотности, который был испытан до разрушения. Общее выражение для модуля Юнга материала дается градиентом кривой.На рис. 4 показана кривая, полученная, если выражение модуля Юнга построить как функцию деформации. Модуль Юнга на рис. Предел текучести определяется как напряжение в конце области пика, когда модуль Юнга уменьшается на 3%. Рис. И имеют одинаковые оси деформации для облегчения сравнения. Кривые типичны для полученных в настоящей работе. Энергия, потребляемая для достижения предела текучести, представляет собой площадь под кривой напряжения-деформации до предела текучести.

Кривые зависимости деформации от напряжения и модуля Юнга .(a) Кривая напряжения-деформации для образца полиуретановой пены с открытыми ячейками длиной 7,7 мм (0,09 г · см ^-3 ), используемого для моделирования губчатой ​​кости человека с очень низкой плотностью, и (b) модуль Юнга, определенный из него как градиент кривой. Предел текучести определяется точкой, в которой модуль Юнга уменьшается на 3% от своего максимального значения. Площадь под кривой напряжения-деформации до предела текучести определяется как энергия, поглощенная для текучести.

Таблица суммирует различия в значениях модуля Юнга, предела текучести и энергии, потребляемой для текучести между 3.Цилиндры из пенополиуретана длиной 9 мм и 7,7 мм. Значительные различия были обнаружены в модуле Юнга между цилиндрами из полиуретана длиной от 3,9 мм до 7,7 мм для всех трех плотностей пенополиуретана (p <0,05). Не было обнаружено значительных различий в пределе текучести между цилиндрами из полиуретана длиной 3,9 и 7,7 мм для всех трех плотностей пенополиуретана. Что касается энергии, потребляемой для достижения текучести, значимые различия (p <0,05) были обнаружены между цилиндрами из полиуретана длиной 3,9 и 7,7 мм для 0,16 г / см ^-3 и 0.32 г / см ^-3 ППУ, но не для пенополиуретана 0,09 г / см ^-3 ПУ.

Таблица 1

Модуль Юнга (E) , Предел текучести и поглощенная энергия для текучести цилиндров из пенополиуретана при сжатии

902

902

В таблице приведены средние значения модуля Юнга, предела текучести и энергии, потребляемой для текучести, найденные в исследовании Ли и Аспдена, в котором изучались механические свойства OP кость человека [14]. Можно провести прямое сравнение значений в таблице и соответствующих значений механических свойств для полиуретанового цилиндра длиной 7,7 мм в таблице. Таблица включает диапазоны доверительных интервалов от 5% до 95% из исследования Li & Aspden; диапазоны были извлечены из коробчатых диаграмм и представляют собой только приблизительные значения.

Таблица 2

Сводка механических свойств, полученных из исследования Li & Aspden

Обсуждение

Целью этой работы было определить, может ли любой пенополиуретан низкой плотности (с открытыми или закрытыми ячейками) подходить в качестве механической модели для губчатого ОП человека. кость.Насколько известно авторам, это единственная статья, в которой механические свойства пенополиуретана сравниваются с результатами, полученными на костях [14], с использованием точно таких же методов. Результаты исследования свидетельствуют о том, что по крайней мере одна из трех протестированных пен может быть потенциальной моделью для OP кости. Результаты для каждой плотности пенополиуретана обсуждаются в следующих параграфах.

Пенополиуретан ^-3 весом 0,09 г / см, использованный для моделирования кости очень низкой плотности в этом исследовании, намного слабее, чем кость OP, исследованная Ли и Аспденом [14].Таблицы и показывают, что значения модуля Юнга, предела текучести и энергии, поглощенной для достижения текучести, для полиуретановой пены ^-3 с плотностью 0,09 г / см, ниже диапазона результатов Li и Аспдена. Эти данные могут указывать на сложность использования полиуретановой пены с открытыми порами для моделирования губчатого пласта кости. Проблемы, связанные с моделированием OP костей, обсуждаются позже.

Для пенополиуретана ^-3 и 0,32 г / см ^-3 , использованного в данном исследовании, диапазон модуля Юнга и предела текучести составлял 15.1–151,4 МПа (модуль Юнга) и 0,9–4,5 МПа (предел текучести). В литературе сообщается, что модуль Юнга губчатой ​​кости человека варьируется в пределах 1,1–9800 МПа [20-22] и включает губчатую кость человека, расположенную поперек большеберцовой кости, тел позвонков и плечевой кости, в то время как предел текучести, как сообщается, различается. в диапазоне 0,6–17,5 МПа [23,24], с учетом губчатого вещества кости в пределах позвонка, голени и бедра. Результаты для пенополиуретана 0,16 г / см ^-3 и 0,32 г / см ^-3 , использованного в данном исследовании, находятся в указанных выше диапазонах; этого согласия следовало ожидать, потому что пены с такой плотностью должны соответствовать стандарту ASTM [1].Однако использование полиуретановой пены ^-3 плотностью 0,32 г / см в качестве «нормальной» модели кости может быть более оправдано, чем использование пенополиуретана ^-3 с плотностью 0,16 г / см; Пенополиуретан ^-3 толщиной 0,32 г / см дал аналогичные значения модуля Юнга и предела текучести между данным исследованием и работой Ли и Аспдена с нормальной костью.

Трудно отнести пенополиуретан ^-3 0,16 г / см к «нормальной» или OP-модели кости. Значения модуля Юнга для пеноматериала ^-3 0,16 г / см близки к 5% доверительному интервалу 40 и 50 МПа для нормальной кости и ОП-кости соответственно [14].Кроме того, значения предела текучести для пенопласта ^-3 0,16 г / см близки к 5% доверительному интервалу 0,4 и 0,6 МПа для нормальной и OP кости соответственно [14]. Эти данные позволяют предположить, что пенополиуретан ^-3 с плотностью 0,16 г / см может оказаться подходящим в качестве ОП-модели кости для механических испытаний, связанных с напряжением разрушения.

Предыдущие исследования были сосредоточены на пенополиуретане с открытыми или закрытыми порами; здесь мы рассматриваем обе возможные модели для OP кости. Сообщалось, что пенополиуретан с открытыми и закрытыми ячейками по-разному реагирует на механические нагрузки [8].Пенопласты с открытыми порами являются предпочтительными из-за их усталостного поведения при сжатии, где локализованная одноячеистая полоса раздавливания, как было обнаружено, более характерна для губчатого вещества кости, в отличие от расширяемой зоны раздавливания, обнаруживаемой в пене с закрытыми порами при той же деформации [25,26]. Было обнаружено, что пена с закрытыми ячейками демонстрирует статические механические свойства, сходные с характеристиками губчатой ​​кости человека, но отличающиеся от характеристик костей человека при усталости [12], что позволяет использовать пенополиуретан ^-3 0,16 г / см в качестве модели OP кости в исследования переломов.

Для всех пенополиуретанов разной длины и плотности, использованных в данном исследовании, энергия, поглощенная для получения текучести, была пренебрежимо мала. Это указывает на то, что пенополиуретан имеет более хрупкую природу по сравнению с человеческой костью. Одна теория [27] предлагает «модульный» механизм удлинения для прочности природных композитов, таких как кость, при котором домены внутри одной молекулы разворачиваются (или открываются петли) при толкании или вытягивании, так что «жертвенные связи» разрываются до того, как сильная связь нарушена (если сила достаточно велика).Такое поведение не может быть продемонстрировано в однородном материале, таком как пенополиуретан. Таким образом, пенополиуретан не может быть подходящей моделью, когда возникает проблема рассеивания энергии (например, при усталости).

Результаты, представленные в этой статье, показывают, что трудно найти синтетический материал, имитирующий свойства OP-кости. Частично это связано с широким разбросом опубликованных результатов для реальной нормальной кости и кости OP [14]. Таблица показывает, что предел текучести и энергия, поглощенная для текучести, аналогичны для OP и нормальной кости.Возможное объяснение состоит в том, что нормальная кость демонстрирует значительную индивидуальную изменчивость, так что, когда костная ткань теряется в результате ОП у некоторых людей, полученная ткань имеет свойства, которые напоминают свойства нормальной кости у других людей.

Были выбраны две разные длины цилиндра из полиуретана, чтобы определить, повлияют ли размеры образца на результаты. Существенные различия были обнаружены в модуле Юнга и энергии, поглощенной для получения текучести (за исключением пенополиуретана ^-3 0,09 г / см) между двумя длинами цилиндров из пенополиуретана.Этот результат согласуется с выводами Keaveny et al. [28], которые обнаружили слабую зависимость между модулем Юнга и соотношением сторон образца для цилиндрических образцов губчатого вещества кости. Реакция ячеистого твердого тела на сжатие непроста. Видеозаписи показали, что деформация пенопласта с открытыми ячейками связана с изгибом и короблением «подкосов» ПУ; отказ включал перелом и консолидацию. Подобный структурный ответ на сжатие наблюдается в трабекулах губчатого вещества кости [29].Этот сложный ответ может быть связан с зависимостью результатов от геометрии образца. Однако наиболее важным выводом является то, что любое сравнение результатов для пенополиуретана и кости должно проводиться с результатами, полученными на образцах сравнимых размеров.

Механические свойства пенополиуретана, использованного в этом исследовании, были получены из одной скорости деформации, чтобы сравнить результаты с опубликованными для губчатого вещества кости [14]. Полезным будущим исследованием было бы испытание механических свойств пенополиуретана, рассматриваемых в этом исследовании, когда они подвергаются более высоким скоростям деформации, а затем сравнение данных с механическими свойствами губчатого вещества кости, испытанного при высоких скоростях деформации.Любое сходство, обнаруженное между механическими свойствами пенополиуретана и губчатой ​​кости, еще больше укрепит аргументы в пользу использования пенополиуретана в качестве модели губчатой ​​кости человека.

Заключение

Пенополиуретан плотностью 0,16 г / см ^-3 может оказаться подходящим в качестве OP-модели губчатого вещества кости, когда напряжение перелома, но не рассеяние энергии, вызывает беспокойство. Полиуретановая пена ^-3 0,16 г / см является хорошей альтернативой для испытаний in vitro, поскольку она имеет модуль упругости при сжатии и значения предела текучести, аналогичные параметрам костей OP, которые также были протестированы на сжатие.Было невозможно охарактеризовать пену с помощью других форм испытаний из-за отсутствия соответствующих данных для сравнения результатов нашего исследования.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

PSDP рассмотрел исследование, провел экспериментальную работу, анализ данных и подготовил рукопись. DETS участвовал в разработке исследования, помогал в интерпретации данных и помогал в составлении рукописи.DWLH участвовал в разработке исследования, помогал в интерпретации данных и критически отредактировал рукопись. Все авторы прочитали и одобрили окончательную рукопись.

Благодарности

Авторы благодарят г-на К. Хингли и г-на Л. Гаунтлетта за изготовление компрессионных пластин, компанию Arthritis Research Campaign за предоставление оборудования, Surgicraft Limited за финансовую поддержку и Школу машиностроения Университета Бирмингема за предоставление стипендия для PSDP.

Ссылки

• ASTM F1839-01 Стандартные технические условия на жесткий пенополиуретан для использования в качестве стандартного материала для испытаний ортопедических устройств и инструментов. Пенсильвания: Американское общество испытаний и материалов. 2001.
• Battula S, Schoenfeld A, Vrabec G, Njus GO. Экспериментальная оценка удерживающей способности / жесткости самонарезающих костных винтов в нормальном и остеопоротическом костном материале. Clin Biomech. 2006; 21: 533–537. DOI: 10.1016 / j.clinbiomech.2005.12.020. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Chapman JR, Harrington RM, Lee KM, Anderson PA, Tencer AF, Kowalski D. Факторы, влияющие на силу отрыва винтов для губчатой ​​кости. J Biomech Eng. 1996. 118: 391–398. DOI: 10,1115 / 1,2796022. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Исака К., Куммер Ф. Дж., Ди Чезаре ЧП. Концы напряжения между двумя ипсилатеральными интрамедуллярными стержнями — конечно-элементный и биомеханический анализ. J Артропластика. 2005. 20: 386–391. DOI: 10.1016 / j.arth.2004.05.002. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Хайнер А.Д., Браун Т.Д. Структурные свойства нового дизайна композитных копий бедренных и большеберцовых костей. J Biomech. 2001; 34: 773–781. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (01) 00015-X. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Silverthorn DU. Физиология человека: комплексный подход. 2. Нью-Джерси: Prentice-Hall Inc; 2001. с. 807. [Google Scholar]
• Sawbones ^® Europe AB http://www.sawbones.com/products/bio/testblocks/rigidfoam.aspx
• Johnson AE, Keller TS. Механические свойства грудных позвонков из вспененного синтетического материала с открытыми ячейками. J Mater Sci — Mater M. 2008; 19: 1317–1323. DOI: 10.1007 / s10856-007-3158-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Szivek JA, Thomas M, Benjamin JB. Техническое примечание. Характеристика синтетической пены как модели губчатой ​​кости человека. J Appl Biomater. 1993; 4: 269–272. DOI: 10.1002 / jab.770040309. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Сивек Дж. А., Томпсон Дж. Д., Бенджамин Дж. Б..Характеристика трех составов синтетической пены в качестве моделей для ряда типов губчатой ​​кости человека. J Appl Biomater. 1995; 6: 125–128. DOI: 10.1002 / jab.770060207. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Томпсон М.С., Маккарти И.Д., Лидгрен Л., Рид Л. Свойства коммерчески доступных пенополиуретанов на сжатие и сдвиг. J Biomech Eng — T ASME. 2003; 125: 732–734. DOI: 10,1115 / 1,1614820. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Палиссери В., Тейлор М., Браун М. Характеристика усталости вспененного полимера для использования в качестве материала аналога губчатой ​​кости при оценке ортопедических устройств.J Mater Sci — Mater M. 2004; 15: 61–67. DOI: 10.1023 / B: JMSM.0000010098.65572.3b. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Trumble DR, McGregor WE, Magovern JA. Проверка модели аналога кости для исследования закрытия грудины. Ann Thorac Surg. 2002; 74: 739–745. DOI: 10.1016 / S0003-4975 (02) 03699-8. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ли Б., Аспден Р.М. Состав и механические свойства губчатой ​​кости головки бедренной кости пациентов с остеопорозом или остеоартрозом. J Bone Miner Res.1997; 12: 641–651. DOI: 10.1359 / jbmr.1997.12.4.641. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Соммерс М.Б., Фитцпатрик Д.К., Мадей С.М., Зандершулп К. Ванде, Боттланг М. Суррогатная модель длинной кости со свойствами остеопоротического материала для биомеханического тестирования имплантатов излома. J Biomech. 2007. 40: 3297–3304. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2007.04.024. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• BS 903-A6: 1992 Физические испытания резины — Часть A6: Метод определения остаточной деформации при сжатии при температуре окружающей среды, повышенных или низких температурах.Лондон: Британский институт стандартов; 1992. [Google Scholar]
• O’Sullivan S, Nagle R, McEwen JA, Casey V. Эластомерные каучуки как элементы отклонения в датчиках давления: исследование свойств с использованием специально разработанного программируемого испытательного стенда для эластомеров. J Phys D Appl Phys. 2003; 36: 1910–1916. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 36/15/324. [CrossRef] [Google Scholar]
• Widdle RD, Jr, Bajaj AK, Davies P. Измерение коэффициента Пуассона гибкого пенополиуретана и его влияние на модель одноосного сжатия.Int J Eng Sci. 2008; 46: 31–49. DOI: 10.1016 / j.ijengsci.2007.09.002. [CrossRef] [Google Scholar]
• Turner CH, Burr DB. Основные биомеханические измерения кости: учебное пособие. Кость. 1993; 14: 595–608. DOI: 10.1016 / 8756-3282 (93)

  -K. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Джатли Р.С., Уотсон Массачусетс, Шеперд DET, Hukins DWL. Анализ методом конечных элементов напряжения вокруг винта для грудины, используемый для предотвращения расхождения грудины после операции на сердце. Proc Inst Mech Eng [H] 2002; 216: 315–321. [PubMed] [Google Scholar]
• Рёль Л., Ларсен Э., Линде Ф., Одгаард А., Йоргенсен Дж.Растягивающие и сжимающие свойства губчатого вещества кости. J Biomech. 1991; 24: 1143–1149. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (91) ^{-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]}
• Гольдштейн С. Механические свойства губчатой ​​кости: зависимость от анатомического расположения и функции. J Biomech. 1987; 20: 1055–1061. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (87)

  -6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Kopperdahl DL, Keaveny TM. Поведение губчатой ​​кости при деформации текучести. J Biomech. 1998. 31: 601–608. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (98) 00057-8.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Morgan EF, Keaveny TM. Зависимость деформации деформации губчатой ​​кости человека от анатомической области. J Biomech. 2001; 34: 569–577. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (01) 00011-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Харт А.М., Флек Н.А., Эшби М.Ф. Усталостное разрушение пенопласта из алюминиевого сплава с открытыми ячейками и закрытыми ячейками. Acta Mater. 1999; 47: 2511–2524. DOI: 10.1016 / S1359-6454 (99) 00097-X. [CrossRef] [Google Scholar]
• Келлер TS. Прогнозирование механического сжатия кости.J Biomech. 1994; 27: 1159–1168. DOI: 10.1016 / 0021-9290 (94)
  

  -6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Смит Б.Л., Шеффер Т.Э., Виани М., Томпсон Дж.Б., Фредерик Н.А., Киндт Дж., Белчер А., Стаки Г.Д., Морс Д.Е., Хансма П.К. Молекулярно-механическое происхождение прочности природных клеев, волокон и композитов. Природа. 1999; 399: 761–763. DOI: 10,1038 / 21607. [CrossRef] [Google Scholar]
• Keaveny TM, Pinilla TP, Crawford RP, Kopperdahl DL, Lou A. Систематические и случайные ошибки при компрессионных испытаниях губчатой ​​кости.J Orthop Res. 1997; 15: 101–110. DOI: 10.1002 / jor.1100150115. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Гибсон Л.Дж. Биомеханика твердого клеточного тела. J Biomech. 2005; 38: 377–399. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2004.09.027. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Прочность на сжатие полиуретановых пен при различном содержании воды

Контекст 1

… сжимающие свойства полученных полиуретановых пен проверяются при различных соотношениях NCO: OH и содержание воды в каждой рецептуре пены.Прочность на сжатие пенополиуретана на основе пальмового масла при деформации 10% для обоих упомянутых характеристик показана на рисунках 3 и 4 соответственно. Как правило, прочность пены на сжатие увеличивается с увеличением содержания NCO в каждом составе. Это связано с тем, что NCO способствовали образованию «твердых сегментов» в уретановых связях. Поскольку избыток NCO дает более твердые сегменты и, в свою очередь, придает пене хрупкую структуру, считается, что пена действительно стала хрупкой при соотношении NCO: OH выше 1: 1.2. Как видно из графика, значения прочности на сжатие, достигнутые при соотношении 1: 1,5, уже фактически начинают ухудшаться, при этом максимальная прочность, как предполагается, достигается где-то при соотношении 1: 1,35. Эти результаты также свидетельствуют о том, что прочность на сжатие полиуретановых пен на основе пальмового масла увеличивается даже при уменьшении плотности пены, поскольку полученные результаты ясно показывают, что пены с более высоким содержанием изоцианатов имеют относительно более низкую плотность, даже несмотря на то, что известно, что механические свойства жестких Пенополиуретан зависит от плотности пенопласта [1].Однако исследование [2] также соглашается с тем, что увеличение прочности на сжатие происходит из-за более высокого содержания твердого сегмента в пеноматериалах. Считается, что из-за более низкой реакционной способности полиола на биологической основе, обсуждавшегося ранее, это способствовало этому явлению, поскольку менее реакционноспособные гидроксильные группы действуют как добавляющие вес пене, а не образуют уретановые связи; и, таким образом, увеличивая плотность пены без фактического улучшения сжимающих свойств пены. Интенсивность вспенивающего агента также является фактором, влияющим на механические характеристики пенополиуретана.Поскольку вспениватели контролируют ячеистую структуру пен, очень важно найти оптимальное количество вспенивающих агентов, добавляемых в рецептуру пены. В этом исследовании обнаружено, что увеличение количества воды в качестве вспенивающего агента при постоянных соотношениях NCO: OH снижает прочность пены на сжатие в очень значительном диапазоне. Без добавления дистиллированной воды к рецептуре жесткий пенополиуретан может иметь прочность на сжатие до 1,45 МПа, но добавление 1 мас.ч. дистиллированной воды вызывало ухудшение прочности на сжатие примерно на 185 процентов; и дальнейшее последующее добавление 1 мас.ч. дополнительно снижает на 133 процента.Это связано с тем, что порообразователи реагируют с диизоцианатами с выделением газообразного диоксида углерода CO 2; и добавление большего количества вспенивающего агента в рецептуру вызывает образование пузырьков с более крупными размерами ячеек, что, в свою очередь, ухудшает плотность пены и прочность на сжатие …

Интернет-ресурс с информацией о материалах — MatWeb

Основные материалы> Пенополиуретан — NetComposites

Мир полиуретановой пены очень велик и разнообразен — велики шансы, что вы сейчас сидите на каком-то гибком пенополиуретане — но полезными продуктами для композитных наполнителей являются жесткие пены.

Термин «жесткий пенополиуретан» включает два типа полимеров: полиизоциануратные составы и полиуретановые составы. Между ними есть явные различия как в способе их создания, так и в эффективности результатов.

Пенополиизоцианурат

Полиизоциануратные пены (или «тримерные пены»), как правило, представляют собой пенопласты изоляционного качества низкой плотности, обычно производимые в виде больших блоков с помощью процесса непрерывной экструзии. Эти блоки затем пропускаются через режущие машины для изготовления листов и других форм.Пенополиизоцианураты обладают превосходными изоляционными свойствами, хорошими характеристиками прочности на сжатие и термостойкостью до 300 градусов по Фаренгейту. Они производятся в больших объемах при плотности от 1,8 до 6 фунтов на кубический фут и относительно недороги. Их жесткая, хрупкая консистенция и их склонность к пылеобразованию (рыхлость) при истирании могут служить для идентификации этих пен.

Именно эта хрупкость ограничивает применимость полиизоциануратных пен в композитных панелях, поскольку это отсутствие ударной вязкости на поверхности пенопласта может вызвать разрушение соединения пенопласта с ламинатом в условиях вибрации или изгиба.По этой причине структурное использование этих пеноматериалов часто ограничивается формами внутренней формы для стрингеров и арматуры шляпного профиля в конструкции лодок из стеклопластика. В данном случае пена не имеет вспомогательной функции, кроме как придавать форму уложенному поверх нее композиту из волокна и смолы.

Другие области применения включают изоляцию под плитами в холодильных хранилищах и изоляцию ниже уровня для других строительных конструкций.

Пенополиуретан

Пенополиуретан

, с другой стороны, значительно отличается и более полезен в композитных конструкциях.Эти пенопласты производятся большими блоками либо в процессе непрерывной экструзии, либо в периодическом процессе. Затем блоки разрезаются на листы или другие формы. Иногда они также индивидуально формуются в отдельные детали.

Пенополимеры изоцианата

, хотя и не так сильно сшиты, как полиизоциануратные материалы, предлагают пользователям множество рентабельных преимуществ. Плотность пены колеблется от примерно 2 фунтов на кубический фут до 50 фунтов на кубический фут. В отличие от термопластичных пен (ПВХ, SAN), удельная стоимость пенополиуретана увеличивается более линейно с увеличением плотности; е.г. пенополиуретан плотностью 20 фунтов на кубический фут будет примерно вдвое дороже, чем пенополиуретан весом 10 фунтов.

Могут быть значительные различия в прочности пены при одинаковой плотности, в зависимости от используемого процесса производства пены. Это происходит из-за различий в химическом составе, необходимом для изготовления пен с помощью различных методов производства, и температуры отверждения пены в процессе производства.

Кроме того, если проблема воспламеняется, полезно знать, какой вид вспенивающего агента используется для образования ячеек в пене.Многие производители используют углекислый газ (побочный продукт химической реакции образования пены) для образования ячеек в своих пенах. Другие производители перешли с пенообразователей на основе хлорфторуглеродов (ГХФУ, ГФУ) на пентан в процессах производства пенопласта с низкой плотностью, что может отрицательно сказаться на огнестойкости.

Пенополиуретан

можно сделать значительно более жестким и менее хрупким, чем пенополиизоцианурат, в основном за счет некоторого модуля упругости и высокотемпературных прочностных свойств.Тем не менее, эти пены могут быть полезны (в зависимости от состава) до температур до 275 градусов по Фаренгейту, сохраняя при этом значительную часть своей прочности и ударной вязкости. Это позволяет также использовать их в панельных приложениях вместе с пре-прегами для высокотемпературного отверждения, отвержденными в печах или автоклавах.

Типичные области применения включают использование в качестве закрытия края сотовых панелей салона самолетов, конструктивных форм (сердечников транца, сердечника переборки, стрингеров, опор двигателя и т. Д.) В судостроении из стеклопластика, ограничителей ударов и противоударных подушек, сердечников RTM , шаблоны и заглушки, основной материал для спортивного инвентаря и композитная оснастка.

Полиизоцианурат / пенополиуретан

Существуют производители пенополиизоцианурат / пенополиуретан, представляющие собой смесь двух типов пенопласта, пытающиеся получить лучшее из обоих миров. Эти пены предлагают некоторые улучшения показателей прочности (по сравнению с пенополиуретаном) и снижение хрупкости (по сравнению с пенами из полиизоцианурата) за счет снижения термостойкости.

Тем не менее, результат этой комбинации является компромиссом и может не обеспечивать лучшие свойства обоих полимеров в некоторых областях применения.Эти пены ограничены плотностью 2-8 фунтов на кубический фут.

Предоставлено Тедом Хиле, General Plastics Mfg. Co.

Home

Поделиться статьей

Твиттер

Facebook

LinkedIn

электронная почта

Перейти к ПВХ пена

% PDF-1.7
%
1 0 объект
>>>] / OFF [] / Order [] / RBGroups [] >> / OCGs [6 0 R 7 0 R] >> / Pages 3 0 R / StructTreeRoot 8 0 R / Тип / Каталог >>
эндобдж
5 0 obj
> / Шрифт >>> / Поля [] >>
эндобдж
2 0 obj
> поток
2020-01-23T14: 36: 12 + 01: 002020-01-23T14: 36: 12 + 01: 002020-01-23T14: 36: 12 + 01: 00Приложение Microsoft® Word для Office 365 / pdf

uuid: 5c1d291d-ffd9-464a-a2bf-f8d1e39510cduuid: bf9be91d-5b81-46d8-9683-caf69dab4e75 Microsoft® Word для Office 365

конечный поток
эндобдж
3 0 obj
>
эндобдж
8 0 объект
>
эндобдж
18 0 объект
>
эндобдж
19 0 объект
>
эндобдж
20 0 объект
>
эндобдж
77 0 объект
>
эндобдж
78 0 объект
>
эндобдж
79 0 объект
>
эндобдж
80 0 объект
>
эндобдж
81 0 объект
>
эндобдж
82 0 объект
>
эндобдж
83 0 объект
>
эндобдж
84 0 объект
>
эндобдж
85 0 объект
>
эндобдж
86 0 объект
>
эндобдж
87 0 объект
>
эндобдж
88 0 объект
>
эндобдж
89 0 объект
>
эндобдж
90 0 объект
>
эндобдж
91 0 объект
>
эндобдж
92 0 объект
>
эндобдж
93 0 объект
>
эндобдж
94 0 объект
>
эндобдж
95 0 объект
>
эндобдж
96 0 объект
>
эндобдж
17 0 объект
> / MediaBox [0 0 595.