改性條件對(duì)聚氨酯硬質(zhì)泡沫沖擊性能影響研究

周曉謙，鄭國(guó)闊，杜 娟，魯云婷，黃 欣

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新123000）

改性條件對(duì)聚氨酯硬質(zhì)泡沫沖擊性能影響研究

周曉謙，鄭國(guó)闊，杜 娟，魯云婷，黃 欣

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新123000）

將納米二氧化硅（SiO2）和玄武巖纖維與聚氨酯復(fù)合制備了聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料，研究了異氰酸酯指數(shù)，水、納米SiO2和玄武巖纖維的添加量及玄武巖纖維的長(zhǎng)度等因素對(duì)其沖擊性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)異氰酸酯指數(shù)為1.05、納米SiO2的添加量為3.0%、5.0mm玄武巖纖維的添加量為3.0%時(shí)，材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最佳值。

聚氨酯；硬質(zhì)泡沫；沖擊性能；納米二氧化硅；玄武巖纖維；改性

0 前言

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯制品中比較重要的品種之一，它具有優(yōu)良的力學(xué)性能、聲學(xué)性能、電學(xué)性能和耐化學(xué)性能，可直接從單體原料一次加工成聚合物制品，而且可通過(guò)改變?cè)匣瘜W(xué)結(jié)構(gòu)、規(guī)格、品種等調(diào)節(jié)配方組合，制出各種性能和用途的終端制品，因此應(yīng)用十分廣泛。

本文分別采用3種不同羥值和官能度的聚醚多元醇混配，與聚亞甲基聚苯基多異氰酸酯（PM－200）反應(yīng)生成聚氨酯發(fā)泡材料，為改善其力學(xué)性能，采用納米SiO2和玄武巖纖維對(duì)聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行增強(qiáng)改性。通過(guò)添加納米SiO2，力求使納米相與聚氨酯相之間通過(guò)共價(jià)鍵等作用達(dá)到納米水平的復(fù)合，獲得納米雜化材料[1]，進(jìn)而使復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性得到提高。通過(guò)添加具有高強(qiáng)度、高模量的玄武巖纖維，在復(fù)合材料中可以起到限制泡沫微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展的作用。本文探求了不同改性條件對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響規(guī)律，得出了沖擊性能最好的改性條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

混合聚醚多元醇，工業(yè)級(jí)，廊坊全振化工有限公司；

PM－200，工業(yè)級(jí)，山東煙臺(tái)萬(wàn)華聚氨酯股份有限公司；

催化劑，自制；

二甲基硅油，工業(yè)級(jí)，沈陽(yáng)市華東試劑廠；

偶聯(lián)劑（KH－550），分析純，天津大茂試劑廠；

納米SiO2，分析純，天津市美宇化工有限公司；

短切玄武巖纖維，工業(yè)級(jí)，南京鋒暉復(fù)合材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電子天平，F(xiàn)A2004N，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋，HH－4，常州國(guó)華電器有限公司；

電動(dòng)定時(shí)攪拌器，JJ－1，江蘇國(guó)華儀器廠；

超聲震蕩器，KQ100B，承德試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG－9076A，長(zhǎng)春第二試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司；

紅外分析儀，WQF－200，北京第二光學(xué)儀器廠；

液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WE－300，東莞市飛凌儀器有限公司。

1.3 樣品制備

實(shí)驗(yàn)方案：采用4因素、4水平正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，以異氰酸酯指數(shù)（即異氰酸酯與聚醚多元醇的當(dāng)量比）、納米SiO2的添加量、玄武巖纖維的添加量、玄武巖纖維長(zhǎng)度為實(shí)驗(yàn)因素，每個(gè)因素設(shè)計(jì)4個(gè)水平；其中異氰酸酯指數(shù)分別為1.05、1.10、1.15、1.20；納米SiO2的添加量分別為2.0%（相對(duì)于聚醚多元醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、3.0%、4.0%、5.0%；玄武巖纖維的添加量分別為3.0%、4.0%、5.0%、6.0%；纖維長(zhǎng)度分別為2.0、3.0、4.0、5.0mm；以沖擊強(qiáng)度為性能指標(biāo)，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)研究，并與未增強(qiáng)試樣進(jìn)行對(duì)比分析；

采用偶聯(lián)劑KH－550對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性，獲得改性玄武巖纖維，將納米SiO2和改性玄武巖纖維按照比例添加于混合聚醚多元醇中，采用超聲震蕩分散均勻后，依次添加消泡劑、催化劑、發(fā)泡劑等助劑，混合均勻，再與PM－200混合均勻，物料即將發(fā)白時(shí)倒入模具中發(fā)泡成型，待泡沫完全熟化后，室溫下進(jìn)行性能測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

按照GB/T 1446—2005測(cè)試樣品的沖擊性能，無(wú)缺口試樣，沖擊能50J；

按照GB/T 1041—1992測(cè)試樣品的壓縮性能，壓縮速率為10mm/min；

按照GB/T 1040—1992測(cè)試樣品的拉伸性能，拉伸速率為20mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表1通過(guò)極差分析可知，各因素對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響規(guī)律為：玄武巖纖維長(zhǎng)度和玄武巖纖維添加量的影響最為主要，之后是異氰酸酯指數(shù)，影響最小的是納米SiO2的添加量。

表1 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.1 Results of orthogonal experiment

2.2 異氰酸酯指數(shù)對(duì)沖擊性能的影響

由圖1可見(jiàn)，隨著異氰酸酯指數(shù)的增大，試樣的沖擊強(qiáng)度先呈下降趨勢(shì)，當(dāng)異氰酸酯指數(shù)達(dá)到1.15時(shí)沖擊強(qiáng)度達(dá)到最小值，之后隨著異氰酸酯指數(shù)增大，沖擊強(qiáng)度有所提高。

圖1 異氰酸酯指數(shù)對(duì)固化物沖擊強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of isocyanate index on the impact strength of the cured materials

聚氨酯硬質(zhì)泡沫的性能與異氰酸酯指數(shù)密切相關(guān)。3種聚醚多元醇與異氰酸酯反應(yīng)過(guò)程中能夠形成交聯(lián)體系，同時(shí)異氰酸酯與少量水的反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)，2種交聯(lián)體系的產(chǎn)生均會(huì)對(duì)固化物性能產(chǎn)生影響[2]。交聯(lián)密度過(guò)大，固化物會(huì)脆性增加，使沖擊強(qiáng)度下降，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定異氰酸酯指數(shù)為1.05時(shí)沖擊強(qiáng)度最大。

2.3 納米SiO2添加量對(duì)沖擊性能的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著納米SiO2添加量的增大，聚氨酯固化物的沖擊強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，在納米SiO2添加量為3%時(shí)達(dá)到最大，之后隨著添加量的增加沖擊強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。與未增強(qiáng)試樣的固化物相比，添加納米SiO2的固化物的沖擊強(qiáng)度提高更為明顯，說(shuō)明添加納米SiO2具有增強(qiáng)作用，當(dāng)納米SiO2的添加量為3.0%時(shí)沖擊強(qiáng)度最大。

2.4 玄武巖纖維添加量對(duì)沖擊性能的影響

圖2 納米SiO2添加量對(duì)固化物沖擊強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of contents of nano－SiO2on the impact strength of the cured materials

圖3 玄武巖纖維添加量對(duì)固化物沖擊強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of contents of basalt fiber on the impact strength of the cured material

由圖3可見(jiàn)，隨著玄武巖纖維用量的增加，聚氨酯固化物的沖擊強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。但與未增強(qiáng)的試樣相比還是有不同幅度的增加。這主要因?yàn)槔w維含量較少時(shí)，玄武巖纖維呈單纖維分散在泡孔組合面平面內(nèi)，而且纖維外部有包裹著的聚氨酯，這樣纖維像增強(qiáng)筋一樣起著支柱作用，可以有效減緩沖擊[3]；隨著纖維添加量的增加，纖維不易分散，導(dǎo)致密度分布不均勻，影響泡沫固化物的結(jié)構(gòu)，使得耐沖擊性能下降。因此玄武巖纖維的添加量確定為3%。

2.5 玄武巖纖維長(zhǎng)度對(duì)沖擊性能的影響

由圖4可見(jiàn)，隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加，聚氨酯固化物的沖擊強(qiáng)度總體上呈升高的趨勢(shì)，當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度為5mm時(shí)沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值。纖維長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，被聚氨酯包裹，只起填充作用，起不到良好的支柱作用；隨著纖維長(zhǎng)度的增加，纖維的加入可以起到增強(qiáng)筋的作用，對(duì)提高沖擊強(qiáng)度更有幫助。

圖4 玄武巖纖維長(zhǎng)度對(duì)固化物沖擊強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of length of basalt fiber on the impact strength of the cured material

根據(jù)前面分析，在最佳條件下所做的試樣性能也是比較好的，其沖擊強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度大幅度提高，拉伸強(qiáng)度也有一定幅度的提升，如表2所示。

表2 對(duì)比試樣數(shù)據(jù)Tab.2 Comparison of the best sample and the unreinforced sample

3 結(jié)論

（1）當(dāng)異氰酸酯指數(shù)為1.05、納米SiO2的添加量為3.0%、玄武巖纖維的添加量為3.0%、纖維長(zhǎng)度為5.0mm時(shí)，聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最佳值；

（2）各因素對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響由大到小依次為玄武巖纖維長(zhǎng)度、玄武巖纖維添加量、異氰酸酯指數(shù)、納米SiO2添加量。

[1] 張志華，吳廣明，沈 軍.革用聚氨酯/SiO2納米雜化材料的制備與物性研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，21（4）：499－502.

[2] 張瑞英，梁成剛.納米改性聚氨酯硬泡的制備[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，37（6）：719－721.

[3] 盧子興，鄒 波，李忠明，等.玻璃纖維束增強(qiáng)聚氨酯泡沫的拉壓力學(xué)性能[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（1）：36－39.

Influence of Modified Conditions on Impact Property of Polyurethane Rigid Foam

ZHOU Xiaoqian，ZHENG Guokuo，DU Juan，LU Yunting，HUANG Xin
（Institute of Material Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China）

Polyurethane rigid foam was prepared by introducing nano－SiO2and basalt fiber into polyurethane matrix.The effects of isocyanate index，contents of water，nano－SiO2and basalt fiber，length of basalt fiber on the impact property were studied.When the isocyanate index was 1.05，content of nano－SiO2was 3.0%，and content of 5.0mm basalt fiber was 3.0%，the best value of impact strength was obtained.

polyurethane；rigid foam；impact property；nano－silica；basalt fibre；modification

TQ323.8

B

1001－9278（2011）08－0066－03

2011－05－10

聯(lián)系人，zxq6558960＠126.com