EG改性聚氨酯硬泡的力學性能增強研究*

王圣程 姜慧 張云峰 祿利剛 鐘東南

(1.徐州工程學院土木工程學院 江蘇徐州 221018) (2.徐州賽孚瑞科高分子材料有限公司 江蘇徐州 221008) (3.滕州市華海新型保溫材料有限公司 山東滕州 277599)

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料以其優(yōu)良的絕熱性能和比強度,廣泛應用于水利、交通、礦山及建筑保溫隔熱領域[1-2]。但硬質(zhì)聚氨酯泡沫易燃,并且煙氣會對環(huán)境造成污染,嚴重威脅人員的安全[3-4]。

為提高聚氨酯硬泡應用的安全性,國內(nèi)外開展了大量關于可膨脹石墨(EG)改性聚氨酯硬泡阻燃性能的研究[5-7],但是EG在提高聚氨酯硬泡阻燃性能的同時,會降低材料的力學性能。因此,提高EG改性聚氨酯硬泡的力學性能成為研究重點。通常可用玻璃纖維(GF)與空心玻璃微珠(HGM)增強聚合物的力學性能[8-9]。

本實驗采用GF與HGM復配添加后,對EG改性聚氨酯硬泡力學性能增強效果進行研究,以擴大其應用領域。

1 實驗部分

1.1 主要原料

多亞甲基多苯基異氰酸酯PM-400(NCO質(zhì)量分數(shù)30%～32%);聚醚多元醇TMN-350(羥值為350 mgKOH/g),天津石化公司第三石油化工廠;催化劑Polycat 12,美國空氣化工產(chǎn)品有限公司;發(fā)泡劑HFC-365mfc(沸點為40 ℃),美國霍尼韋爾公司;泡沫穩(wěn)定劑AK-8806,南京美思德化工有限公司;EG(膨脹不小于200倍),青島海達石墨有限公司;GF(長度4～6 mm,直徑10 μm),南通海玻玻璃纖維有限公司;HGM(80～120目),上海正美亞化學品公司。以上原料均為工業(yè)級。

1.2 樣品的制備

采用一步法發(fā)泡工藝制備聚氨酯硬泡。常溫下將聚醚多元醇、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、去離子水、阻燃劑和力學性能改善劑(GF、HGM)等混合,用電動攪拌器充分攪拌均勻,制備A組分;然后將A組分與PM-400充分攪拌,60 s后澆注到定制模具中;將制品從模具中取出,得到試驗用聚氨酯樣品。A組分配方為聚醚多元醇90 g、催化劑0.5 g、發(fā)泡劑3.5 g、泡沫穩(wěn)定劑5 g、去離子水1 g、EG 10 g;B組分為PM-400 100 g。樣品E0為不含GF和HGM的EG改性聚氨酯硬泡,作為對比參照物;樣品GE1、GE2、GE3和GE4中GF添加量分別為5 g、10 g、15 g和20 g;樣品HGE1、HGE2、HGE3和HGE4中GF添加量均為10 g且HGM添加量分別為5 g、10 g、15 g和20 g。

1.3 主要試驗儀器及測試方法

TAW-2000型電子萬能試驗機,長春市朝陽試驗儀器有限公司；CHT4000型壓縮剪切性能測試儀,深圳市新三思材料檢測有限公司。

根據(jù)GB 8813—2008測試聚氨酯硬泡相對形變?yōu)?0%的壓縮強度,每組5個試樣,壓縮速率為2 mm/min,樣品尺寸為50 mm×100 mm×100 mm;根據(jù)GB/T 32382—2015測試聚氨酯硬泡的剪切性能,每組5個試樣,壓縮速率為1 mm/min,樣品尺寸為50 mm×30 mm×30 mm。

2 結果與討論

2.1 GF用量對EG改性PU硬泡力學性能的影響

本組研究考察了單獨添加GF的EG改性聚氨酯硬泡壓縮變形量對壓縮應力的影響,并以樣品E0作為參照物,結果見圖1。

圖1 聚氨酯硬泡變形量對壓縮應力的影響

由圖1可知,聚氨酯硬泡壓縮應力隨壓縮尺寸變形量的增加先緩慢上升,此階段聚氨酯硬泡內(nèi)的孔隙逐漸被壓縮閉合而產(chǎn)生非線性變形,屬于材料的彈性階段;然后壓縮應力隨變形尺寸呈線性增加,屬于線彈性階段。GE1、GE2、GE3和GE4的壓縮應力較不含GF的樣品E0大幅度上升,其增長率分別為60.9%、78.1%、68.7%和52.3%。

對樣品的壓縮應力進行分析,得出GF添加量對EG改性聚氨酯硬泡壓縮強度的影響,見圖2。

圖2 GF添加量對聚氨酯硬泡壓縮強度的影響

由圖2可知, EG改性聚氨酯硬泡的壓縮強度隨GF含量的增加先快速上升后緩慢下降。這是由于GF與EG均能被聚氨酯硬泡粘結和包裹,同時聚氨酯樹脂對GF具有較好的浸潤性,GF較均勻地分布在基體中,有利于力學性能的增加,從而使聚氨酯硬泡的整體承載能力變強,并且隨著添加量的增加而增加[4]。當GF的添加量超過一定數(shù)值時, GF團聚現(xiàn)象嚴重,分布不均勻,對力的傳遞不利,還會使材料的粘結性能變差,從而使硬泡力學性能降低。

對樣品E0、GE1、GE2、GE3和GE4進行剪切試驗,考察添加GF的EG改性聚氨酯硬泡變形量對剪切應力的影響,結果見圖3。

圖3 聚氨酯硬泡變形量對剪切應力的影響

由圖3可知,聚氨酯硬泡的剪切應力先緩慢增加,然后快速上升。在變形尺寸為5.0 mm時,單獨EG改性聚氨酯硬泡樣品E0的剪切應力峰值為1.41 kN。而另外添加GF的4個硬泡樣品GE1至GE4的剪切應力在不小于5.0 mm的變形尺寸才能達到峰值,且均大于E0的剪切應力。例如，樣品GE2的剪切應力在變形尺寸為5.6 mm時達到峰值2.19 kN,比E0的剪切應力峰值高55.3%。

對樣品的剪切應力進行分析,得出GF添加量對EG改性聚氨酯硬泡剪切強度的影響,見圖4。

圖4 GF添加量對聚氨酯硬泡剪切強度的影響

由圖4可知,聚氨酯硬泡的剪切強度隨GF添加量的增加先上升后下降。

綜合上述研究可知,添加GF能增強EG改性聚氨酯硬泡的力學性能,但添加量太多會影響其在聚氨酯硬泡中的均勻性,GF最佳添加量為10 g。

2.2 HGM與GF復配對硬泡力學性能的影響

EG和GF添加量均固定為10 g,考察HGM添加量對聚氨酯硬泡的壓縮強度及剪切強度影響,樣品E0作為參照物,結果見圖5。

圖5 HGM添加量對EG改性聚氨酯硬泡力學性能的影響

由圖5可知,隨著HGM添加量增加,聚氨酯硬泡樣品HGE1至HGE4的壓縮強度和剪切強度均先增加后減少,HGM最佳添加量為5 g。這說明在一定范圍內(nèi)HGM和GF聯(lián)合使用,對聚氨酯硬泡有協(xié)同增強作用;當HGM含量超過一定值后,硬泡力學性能降低,其原因與添加GF類似,當填料過多時,填料會出現(xiàn)“團聚”現(xiàn)象,影響填料的分布,降低其承受外力的能力。

綜上所述,在適當?shù)挠昧肯?添加GF和HGM均能提高EG改性聚氨酯硬泡的力學性能。另外,在最大程度提高力學性能的基礎上,需控制聚氨酯硬泡的成本。

3 結論

(1)添加GF或HGM,均可提高EG改性聚氨酯硬泡的力學性能;隨著GF或HGM添加量的增加,EG改性聚氨酯硬泡的力學性能先增加后降低。

(2)采用GF與HGM添加量分別為10 g和5 g進行復配后,所制備的EG改性聚氨酯硬泡的力學性能最佳。