硅灰石/蓖麻油型中高密度聚氨酯硬泡材料的研究

陸波 姜可健 徐洲彤 胡軍

(沈陽(yáng)化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110142)

聚氨酯泡沫塑料具有多孔結(jié)構(gòu),相對(duì)密度小,比強(qiáng)度高,密度在400～600 kg/m3的中高密度硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料主要作為仿木材料,常用于家具的生產(chǎn)和制造[1-2]。由高官能度的硬泡聚醚多元醇合成的聚氨酯硬泡,其脆性是由高交聯(lián)密度所致。含有羥基的蓖麻油可用于聚氨酯的合成,其官能度接近3[3-4],遠(yuǎn)低于硬泡聚醚多元醇的官能度,具有長(zhǎng)柔性鏈的特點(diǎn),可以用于改善聚氨酯硬泡的脆性。

硅灰石(CaSiO3)是一種三斜晶系細(xì)板狀晶體,集合體呈放射狀或纖維狀,發(fā)育的晶體多為長(zhǎng)柱狀或針狀晶形,是天然產(chǎn)出的偏硅酸鈣礦物。硅灰石粉末用作反應(yīng)注射成型聚氨酯、聚氨酯硬泡等的填料,可有效增強(qiáng)復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性。但硅灰石的過(guò)量填充會(huì)降低材料的拉伸強(qiáng)度[5-6]。

本研究以硅灰石為聚氨酯硬泡的填料,討論了蓖麻油含量、硅灰石含量等因素對(duì)聚氨酯硬泡性能的影響,從中尋找規(guī)律,以求制得機(jī)械加工性能優(yōu)良并且尺寸穩(wěn)定性好的硅灰石/蓖麻油型中高密度聚氨酯硬泡材料,用于替代木材制作模型板。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料與設(shè)備

多苯基多亞甲基多異氰酸酯(PAPI),工業(yè)級(jí)，萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司;聚醚多元醇1050(羥值450 mgKOH/g,f>5),工業(yè)級(jí)，佳化化學(xué)股份有限公司;聚醚多元醇DSV-125(羥值163 mgKOH/g,f=3),工業(yè)級(jí)，山東藍(lán)星東大化工有限責(zé)任公司;精煉蓖麻油(羥值163 mgKOH/g,f=2.7),工業(yè)級(jí)，武漢普洛夫生物科技有限公司;三乙醇胺、N,N-二甲基環(huán)己胺,化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560),工業(yè)級(jí)，江蘇晨光偶聯(lián)劑有限公司;針狀硅灰石,1250目(10 μm),調(diào)兵山市佳特建材有限公司;泡沫穩(wěn)定劑HK-314,工業(yè)級(jí)，山東省濟(jì)寧市華凱樹(shù)脂有限公司。

RGL-30A型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),深圳瑞格爾儀器公司;XD-B型實(shí)驗(yàn)分散磨砂機(jī),萊州市金駿化工機(jī)械有限公司;JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡,日本電子公司;Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀,賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 聚氨酯硬泡配方設(shè)計(jì)

采用以下全水發(fā)泡聚氨酯硬泡配方(以質(zhì)量份數(shù)計(jì)):聚醚多元醇(聚醚多元醇1050與聚醚多元醇DSV-125質(zhì)量比為1∶1)與蓖麻油合計(jì)100份;三乙醇胺2份,N,N-二甲基環(huán)己胺0.5份,泡沫穩(wěn)定劑HK-314 2份,蒸餾水0.4份,PAPI 83～101份(異氰酸酯指數(shù)為1.0)。其中針狀硅灰石為試樣總重量的0、5%、10%、15%和20%，蓖麻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.0%、8.2%和12.8%。

1.3 制備工藝

將硅灰石放入110 ℃的烘箱中烘干2 h,與經(jīng)乙醇稀釋過(guò)的KH-560混合,充分干燥后備用。按照配比在塑料杯中裝入聚醚多元醇、蓖麻油、助劑與硅灰石,并在分散磨砂機(jī)上分散3 min。再把PAPI倒入其中,高轉(zhuǎn)速下均勻攪拌15～20 s,迅速倒入模具,合模,在50 ℃烘箱中固化5 h,再冷卻到室溫,脫模。分別制作了密度為600 kg/m3和470 kg/m3、截面為啞鈴型的聚氨酯硬泡樣塊,室溫放置24 h后,切割制成試樣,進(jìn)行測(cè)試。

1.4 分析與測(cè)試

沖擊性能按照GB/T 1043.1—2008進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試采用簡(jiǎn)支梁,無(wú)缺口試樣;壓縮性能按照GB/T 8813—2008進(jìn)行測(cè)試,壓縮速度為5 mm/min;拉伸性能按照GB 9641—1988進(jìn)行測(cè)試,拉伸速度為5 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 蓖麻油及泡沫密度對(duì)硬泡性能的影響

為了研究蓖麻油含量對(duì)聚氨酯硬泡性能的影響,不添加硅灰石,分別制作兩種中高密度的硬泡試樣,對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試,結(jié)果如表1所示。

表1 蓖麻油和泡沫密度對(duì)聚氨酯硬泡性能的影響

由表1可見(jiàn),隨著蓖麻油含量增加,硬泡的沖擊強(qiáng)度上升,拉伸強(qiáng)度略微下降。這是由于蓖麻油官能度低,其中的脂肪酸長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)柔性較好,降低了硬泡的脆性,使其韌性增加。

由表1還可看出,密度增大,硬泡的整體性能都有較大提升。這是由于硬泡的整體密度增加,泡孔壁所占的體積增大,基體能夠承受更大的外力。

2.2 硅灰石及蓖麻油含量對(duì)硬泡壓縮強(qiáng)度的影響

加硅灰石填料,且改變填料和蓖麻油含量,控制硬泡的密度均為600 kg/m3,研究了硅灰石及蓖麻油含量對(duì)聚氨酯硬泡性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 硅灰石含量對(duì)聚氨酯硬泡壓縮強(qiáng)度的影響

由圖1可見(jiàn),隨著硅灰石含量的增加,硬泡的壓縮強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因?yàn)楣杌沂c基體樹(shù)脂界面之間粘接性差,構(gòu)成了硬泡中的缺陷,但下降幅度較小,在10%左右。填料含量相同時(shí),隨著蓖麻油含量的增加,大多數(shù)情況聚氨酯硬泡壓縮強(qiáng)度降低。

2.3 硅灰石的改性對(duì)聚氨酯硬泡性能的影響

采用未改性的以及用KH560改性的硅灰石制作了密度約為600 kg/m3、蓖麻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.8%的硬泡試樣,它們的性能如表2所示。

表2 硅灰石含量對(duì)聚氨酯硬泡性能的影響

由表2可見(jiàn),隨著硅灰石含量增加,聚氨酯硬泡的壓縮強(qiáng)度降低,沖擊強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)材料與高分子材料間的極性差別,使硅灰石與硬泡的結(jié)合力差。

由表2還可看出，加入KH-560用作表面處理劑得到的活化的硅灰石,可以改善與聚氨酯樹(shù)脂的相容性和結(jié)合力,因此改性的硅灰石比未改性的硅灰石制成的聚氨酯硬泡的壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度略有提升。

2.4 硅灰石對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的影響

取密度為600 kg/m3、蓖麻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.2%的不同聚氨酯硬泡試樣,對(duì)其沖擊斷口做掃描電鏡測(cè)試(放大倍數(shù)50),結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 聚氨酯硬泡的泡孔結(jié)構(gòu)SEM圖

從圖2a中可以看出，硬泡是閉孔結(jié)構(gòu),泡孔直徑大小大約在0.24～0.30 mm之間。硬泡中基體樹(shù)脂含量高,發(fā)泡過(guò)程中,在垂直于發(fā)泡方向上,模具對(duì)泡體膨脹的壓力幾乎是均勻的,這樣形成了圓球形泡體。圖2c至2d中可以發(fā)現(xiàn),硅灰石的加入并沒(méi)有引起泡孔形狀的變化,泡孔形狀呈圓球形,說(shuō)明硅灰石對(duì)硬泡的發(fā)泡過(guò)程無(wú)影響。

3 結(jié)論

(1)隨著蓖麻油含量的增大,聚氨酯硬泡的沖擊強(qiáng)度增大,拉伸強(qiáng)度減小。隨著密度增大,硬泡力學(xué)性能均有所上升。

(2)硅灰石用量增大,聚氨酯硬泡的壓縮強(qiáng)度下降;KH-560改善了硅灰石與基體樹(shù)脂的相容性,加入改性硅灰石合成的硬泡性能下降幅度較小;硅灰石的加入沒(méi)有引起泡孔形狀的變化。