發(fā)泡劑對(duì)3D玻纖織物增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

KYAMPETETyty 劉賦瑤 傅雅琴

摘 要：為了提高紡織復(fù)合材料的抗沖擊性能和發(fā)泡材料的力學(xué)性能，制備了3D玻纖織物增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯復(fù)合材料。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、擺錘沖擊儀和萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，分析研究了外加不同發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)發(fā)泡復(fù)合材料泡孔的微觀形貌和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，3D玻纖織物增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最大可達(dá)73.34 kJ/m2，同時(shí)壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為5.24、28.1 MPa;隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，聚氨酯泡孔增大并且出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，復(fù)合材料密度也隨之下降，壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均下降;復(fù)合材料中發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，能夠在滿足輕量化的情況下實(shí)現(xiàn)較高的抗沖擊性。

關(guān)鍵詞：發(fā)泡聚氨酯;3D玻纖織物;沖擊強(qiáng)度;壓縮強(qiáng)度

Abstract：To improve the impact resistance of textile composites and the mechanical properties of foaming materials， a three-dimensional glass fabric reinforced foamed polyurethane composite was prepared in this study. The effect of the content of foaming agent on the microstructure and mechanical properties of the composites was analyzed and studied with field emission scanning electron microscopy， pendulum impactor and universal material testing machine. The results show that when the foaming agent content is 5%， the impact strength of three-dimensional glass fabric reinforced foamed polyurethane composite can reach 73.34 kJ/m2， and the compressive strength and tensile strength are 5.24 and 28.1 MPa respectively. The polyurethane cells enlarge and become nonuniform as the foaming agent content increases， the composite density decreases， and both the compressive strength and tensile strength decrease. When the content of foaming agent in the composite is 5%， a high impact resistance can be achieved under the condition of light weight.

Key words：foamed polyurethane; three-dimensional glass fabric; impact strength; compressive strength

玻纖織物增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料近年來(lái)得到迅速發(fā)展，并在航空航天、汽車、建筑、體育等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[1-3]。傳統(tǒng)玻纖織物增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料是將單層或多層玻纖布經(jīng)樹脂浸漬后定型固化而成，其基體樹脂主要包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯等材料[4]，雖然具有高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性，但隨著環(huán)保節(jié)能以及輕量化發(fā)展，無(wú)法滿足一些特殊領(lǐng)域材質(zhì)既輕又抗沖擊的要求。另一方面，現(xiàn)有發(fā)泡材料的力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較弱[5]，需要進(jìn)一步提升性能。

3D玻纖織物（Three-dimensional glass fabric，TGF）是將玻纖紗用特制織機(jī)經(jīng)形成芯部的Z向纖維將上下兩個(gè)表層交織成一體的中空立體纖維布，表面平滑，所得制品強(qiáng)度高，剛性好，受到?jīng)_擊時(shí)，芯層也不會(huì)脫層，同時(shí)具有質(zhì)輕、抗沖擊、隔音、隔熱、減振吸能等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

而發(fā)泡聚氨酯（Polyurethane，PU）塑料是一種高性能輕量化材料，不僅具有隔熱、吸聲、抗震等性能，同時(shí)具有重量輕、比強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)[8-9]，可用于交通工具的輕量化承載結(jié)構(gòu)件。但作為結(jié)構(gòu)材料使用，其強(qiáng)度、剛度、抗沖擊等力學(xué)性能尚不足。

為了提高紡織復(fù)合材料的抗沖擊性能和發(fā)泡材料的力學(xué)性能，本研究利用3D玻纖增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯（Three-dimensional glass fabric reinforced polyurethane，TGFRPU）制備一種全新的復(fù)合材料，賦予其高抗沖擊、高機(jī)械強(qiáng)度和高微孔率等特性，同時(shí)具有重量輕和尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。成型工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、制品外形美觀，因此可用于建筑裝修、物流中的緩沖包裝材料以及家具制造材料等領(lǐng)域。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

3D玻纖織物（BP-3D，表觀厚度5 mm，平方米質(zhì)量830 g/m2，南京百朋紡織材料有限公司），聚氨酯（MDI黑料，白料，廣州市宏納化工有限公司），勻泡劑（硅油L580，邁圖，廣州市宏納化工有限公司），發(fā)泡劑（環(huán)戊烷，分析純，濃度98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 玻纖織物增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯材料制備

首先分別稱取聚氨酯白料和黑料各25 g一起加入燒杯中，再加入1 g勻泡劑，在30 ℃下充分?jǐn)嚢? min混勻，之后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%和20%的發(fā)泡劑環(huán)戊烷，攪拌均勻得到未發(fā)泡的聚氨酯待用。裁剪一塊25 cm×25 cm的3D玻纖織物放入不銹鋼模具中，將混合好的未發(fā)泡聚氨酯澆注到模具（25 cm×25 cm×1 cm）中，用壓輥反復(fù)涂覆樹脂使其充分浸漬玻纖布，用不銹剛薄板蓋住模具合模（使成型后的復(fù)合材料厚度控制在1 cm），四角用G型夾固定（多余的樹脂可以向四周溢出），將模具在室溫放置1 h，然后放入烘箱75 ℃下熟化發(fā)泡45 min，開模取出泡體得到TGFRPU復(fù)合材料。該發(fā)泡復(fù)合材料中，玻璃纖維的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)約為3.3%。

1.3 性能測(cè)試

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，卡爾蔡司Vltra 55型）觀察TGFRPU試樣斷面形貌，裁取小塊試樣，將切斷面朝上粘在SEM樣品臺(tái)側(cè)面，鍍金后，在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。

采用懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)（Instron 7614000型）對(duì)TGFRPU試樣進(jìn)行簡(jiǎn)支梁無(wú)缺口沖擊試驗(yàn)。參照GB/T 1451-2005《纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊韌性試驗(yàn)方法》，將制備的復(fù)合材料試樣裁剪為10 cm×2 cm×1 cm的長(zhǎng)條狀進(jìn)行測(cè)試。

采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（Instron 3367型）對(duì)TGFRPU試樣進(jìn)行壓縮和拉伸測(cè)試，將制備的復(fù)合材料試樣裁剪成10 cm×2 cm×1 cm的長(zhǎng)條狀，參照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，拉伸速率為2 mm/min。將制備的復(fù)合材料試樣裁剪成2 cm×2 cm×1 cm的方塊狀，參照GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行壓縮強(qiáng)度測(cè)試，壓縮速率為2 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料形貌的影響

圖1為TGFRPU復(fù)合材料制備照片，圖1（a）中成型模具為不銹鋼中空框，上下兩面用厚度2 mm鋼板蓋住，并用G型夾將四角固定。圖1（b）為復(fù)合材料板，圖1（c）為板材斷面，復(fù)合材料為典型三明治夾心結(jié)構(gòu)，芯材為3D玻纖織物增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯，上下兩層為純聚氨酯泡沫。

圖2顯示的是不同發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)TGFRPU復(fù)合材料橫斷面微觀形貌的影響情況。未加入發(fā)泡劑時(shí)，復(fù)合材料泡孔小而且相對(duì)密實(shí)，其中的泡孔是由聚氨酯（黑料）基料中自帶的發(fā)泡劑形成的。隨著外加入發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增加到20%時(shí)，泡孔逐漸變大且疏松，特別是當(dāng)加入發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%和20%時(shí)，泡孔缺陷增多。發(fā)泡劑在聚氨酯泡沫塑料的發(fā)泡過(guò)程中，利用聚醚多元醇和異氰酸酯反應(yīng)放出的熱量加熱發(fā)泡劑，發(fā)泡劑遇熱汽化產(chǎn)生發(fā)泡作用。用聚醚多元醇和異氰酸酯反應(yīng)放熱，當(dāng)溫度達(dá)到49 ℃（環(huán)戊烷沸點(diǎn)）以上時(shí)，環(huán)戊烷即汽化，起發(fā)泡作用，當(dāng)環(huán)戊烷含量過(guò)大時(shí)，一部分殘留在泡孔中，一部分溢出，出現(xiàn)了大量不規(guī)則孔和塌孔現(xiàn)象。

2.2 發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響

圖3為TGFRPU復(fù)合材料試樣簡(jiǎn)支梁無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，未加發(fā)泡劑的復(fù)合板沖擊強(qiáng)度為56.37 kJ/m2，而加入發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度可達(dá)73.34 kJ/m2，相比未加發(fā)泡劑的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度增加30%，3D玻纖織物的高韌性和發(fā)泡聚氨酯的高強(qiáng)度使得復(fù)合材料對(duì)沖擊能的吸收能力大大提高，而隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度有所下降，分別達(dá)到58.26、61.39 kJ/m2和48.04 kJ/m2，相比未外加發(fā)泡劑的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度提高不明顯，這是因?yàn)殡S著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，發(fā)泡聚氨酯樹脂泡孔變大，復(fù)合材料密度下降。如圖4中，未外加發(fā)泡劑的復(fù)合材料密度為0.59 g/cm3，隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料密度逐漸減小，當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至15%和20%時(shí)，材料密度分別為0.51 g/cm3和0.39 g/cm3，下降14.6%和33.5%，但與此同時(shí)，材料抗沖擊強(qiáng)度下降較小，能夠滿足輕質(zhì)抗沖擊的要求[8，10-11]。

2.3 發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

圖5為TGFRPU復(fù)合材料試樣壓縮強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，圖6為代表性TGFRPU復(fù)合材料試樣壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。壓縮強(qiáng)度取壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線上第一個(gè)峰值，未加發(fā)泡劑的復(fù)合板壓縮強(qiáng)度為7.82 MPa，而加入發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度下降為5.24 MPa，相比未加發(fā)泡劑的復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度下降33%，而隨著發(fā)泡劑含量的進(jìn)一步增加復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度進(jìn)一步下降，發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%、15%、20%時(shí)，壓縮強(qiáng)度幾乎沒有變化，壓縮強(qiáng)度分別為2.15、2.68 MPa和2.52 MPa，相比未加發(fā)泡劑的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度下降約66%～73%。從圖4復(fù)合材料密度變化也可以看出，發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在超過(guò)10%時(shí)復(fù)合材料密度變化不明顯。綜合來(lái)看，發(fā)泡劑含量增加會(huì)降低復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度，但材料密度也會(huì)下降，使得材料滿足輕量化要求，在不過(guò)度降低壓縮強(qiáng)度的情況下，取發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，既能滿足輕量化需求，又能滿足材料強(qiáng)度使用要求[12]。

圖7為代表性TGFRPU復(fù)合材料壓縮過(guò)程中的應(yīng)力變化狀態(tài)。從圖7中可見，復(fù)合材料為典型的三明治夾心結(jié)構(gòu)，上下兩層為純聚氨酯泡沫層，中間層泡沫與織物復(fù)合層。壓縮過(guò)程可分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)復(fù)合材料純泡沫層和玻纖織物增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯復(fù)合層壓縮過(guò)程。在Ⅰ階段壓縮過(guò)程中，隨著壓縮應(yīng)變的增加，壓縮載荷不斷升高直到達(dá)到峰值，然后隨應(yīng)變?cè)黾虞d荷下降，其對(duì)應(yīng)過(guò)程是純聚氨酯泡沫中閉孔泡由充盈到壓扁直至發(fā)生破裂，這是壓縮強(qiáng)度在達(dá)到峰值后突然下降的原因[13]。在第Ⅱ階段壓縮過(guò)程中，主承力結(jié)構(gòu)為3D立體玻纖織物，聚氨酯泡沫填充其中，在較小的壓縮應(yīng)變內(nèi)（15%）壓縮載荷迅速升高，由于傳感器最大有效載荷為5 kN，所以在達(dá)到最大載荷前終止壓縮測(cè)試。由第Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段分析可知，TGFRPU復(fù)合材料抗壓縮性能要高于單純聚氨酯泡沫，當(dāng)復(fù)合材料承受外界載荷時(shí)，外層聚氨酯泡沫能夠通過(guò)大應(yīng)變提供緩沖壓力，當(dāng)遇到大的外界載荷時(shí)，中間芯層作為主承力結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用[14-15]。

2.4 發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖8為TGFRPU復(fù)合材料試樣拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，未加發(fā)泡劑的復(fù)合板拉伸強(qiáng)度為30.5 MPa，基本與復(fù)合材料計(jì)算的理論強(qiáng)度相一致;當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為28.1 MPa，相比未加發(fā)泡劑的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度下降7.8%，而隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度有所下降，分別為26.9、25.7 MPa和23.5 MPa，當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和15%時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度下降較小，而當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降最大為22.8%。圖9為代表性TGFRPU復(fù)合材料試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在拉伸過(guò)程中，復(fù)合材料拉伸應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，同時(shí)伴隨輕微的波折峰，這是3D玻纖織物局部發(fā)生撕裂所致。在復(fù)合材料中芯材3D立體玻纖織物作為主承力結(jié)構(gòu)，聚氨酯泡沫對(duì)材料拉伸性能影響較小[16-17]。

3 結(jié) 論

a）發(fā)泡劑對(duì)TGFRPU復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度有明顯影響，當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，沖擊強(qiáng)度最大可達(dá)73.3 kJ/m2，比未加發(fā)泡劑的復(fù)合材料提高了30%。

b）隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，TGFRPU復(fù)合材料密度、壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度最低為23.5 MPa，但仍顯示出玻璃纖維織物的承載作用。

c）TGFRPU復(fù)合材料壓縮過(guò)程可分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)復(fù)合材料純泡沫層和玻纖織物增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯復(fù)合層壓縮過(guò)程，TGFRPU復(fù)合材料抗壓縮性能要高于單純聚氨酯泡沫。

d）復(fù)合材料中發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度最高，同時(shí)密度、壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度下降較小，能夠在滿足輕量化的情況下實(shí)現(xiàn)較高的抗沖擊性和一定抗壓縮性。

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