混雜增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合硬泡塑料的物理及力學(xué)性能

摘 要：本研究闡述了顆粒與纖維混雜增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合硬泡塑料及物理及力學(xué)性能，分析了玻璃纖維以及溫濕度對(duì)硬泡塑料性能產(chǎn)生的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃纖維含量為20%。并且泡沫塑料經(jīng)過40℃和65%老化以及60℃、70%，老化之后，壓縮強(qiáng)度降低明顯。

關(guān)鍵詞：混雜增強(qiáng);聚氨酯;復(fù)合硬泡塑料;物理性能

引言

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有良好的性能，被用于國(guó)防、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域中。這種塑料制品可用于現(xiàn)代化武器系統(tǒng)研制，但由于泡沫塑料本身的老化，會(huì)從一定程度上降低武器性能的安全性，可靠性以及使用周期。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料老化除與本身工藝、配方具有直接影響之外，還會(huì)受到外界環(huán)境、溫度、濕度等因素的影響。因此，研究老化對(duì)于泡沫塑料性能因素的影響具有重要意義。除此之外，研究者提出，為進(jìn)一步提高泡沫塑料的力學(xué)性能，可采用提高材料的密度或?qū)⒉牧现屑尤朐鰪?qiáng)劑。從現(xiàn)在的研究來(lái)看，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料增強(qiáng)方式單一，目前研究學(xué)者已經(jīng)注意到混雜增強(qiáng)的重要性，然而未獲得真正應(yīng)用。粒子填充以及纖維增強(qiáng)泡沫塑料是由樹脂機(jī)體、無(wú)機(jī)粒子、纖維等構(gòu)成的復(fù)合材料，通過粒子和纖維混雜增強(qiáng)聚氨酯硬泡，也是目前工業(yè)領(lǐng)域中增強(qiáng)聚氨酯硬泡技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，在本研究中以玻璃纖維為例，將其作為復(fù)合硬泡增強(qiáng)劑，對(duì)塑料泡沫物理性能進(jìn)行分析。

1.制備復(fù)合聚氨酯硬泡

1.1制備方法

為制備符合聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，在本研究中使用的原材料包括6305多羥基聚醚、44V20聚異氰酸酯，勻泡劑、催化劑、玻璃纖維等。在具體制備中，按照一定配比，準(zhǔn)確稱取增韌劑、催化劑、勻泡劑，多羥基聚醚和發(fā)泡劑混合之后，將溫度調(diào)至18℃，之后在快速攪拌條件下，混合適量的聚乙氰酸酯，加入適量增強(qiáng)劑之后，觀察此時(shí)有氣泡溢出、泡體發(fā)白之后，注入模具中發(fā)泡，經(jīng)過脫模、固化之后，能夠獲得混雜增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合硬泡材料。由于材料本身的密度，對(duì)于力學(xué)性能產(chǎn)生影響較大，為分析增強(qiáng)劑產(chǎn)生的增強(qiáng)效果，在本研究中所制備硬泡塑料的密度為0.65克每立方厘米，所加入增強(qiáng)劑，需通過預(yù)處理分散，獲得良好分散效果的聚氨酯復(fù)合硬泡體系。在纖維表面，利用偶聯(lián)劑進(jìn)行玻璃纖維處理之后，將其與部分白料混合均勻，置于白料與黑料混合體系中。

1.2性能分析

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合硬泡吸水性進(jìn)行測(cè)試，將制備好的樣品置于烘箱中，經(jīng)80℃，一小時(shí)保溫取出后進(jìn)行稱重，放入水中分別浸泡24小時(shí)和48小時(shí)，取出后稱量，并計(jì)算該材料的吸水性。同時(shí)，測(cè)定樣品邵氏D型硬度，可利用卲氏D型硬度計(jì)XHS（LX-D）進(jìn)行測(cè)試。對(duì)樣品沖擊強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，采用沖擊試驗(yàn)機(jī)，其型號(hào)為X JJ-5（PTM125 1-B）。測(cè)試樣品的拉伸強(qiáng)度和拉伸率，可利用電子拉力試驗(yàn)機(jī)，其型號(hào)為DL-1000B（UTM6104）進(jìn)行測(cè)試。

2. 研究的結(jié)果

2.1玻璃纖維含量對(duì)硬泡塑料物理性能影響

為進(jìn)一步分析玻璃纖維含量對(duì)浸泡塑料物理性能因素的影響，可制備不同含量玻璃纖維樣品，纖維含量為7.8%，對(duì)這種混雜增強(qiáng)復(fù)合硬塑料材料分別測(cè)試吸水性、硬度、沖擊強(qiáng)度以及拉伸強(qiáng)度。首先，從吸水性能來(lái)看，由于該硬泡塑料是具有一定開孔率的體系，基體本身具有吸水性，即吸水性能是與無(wú)機(jī)材料類型具有一定聯(lián)系的。結(jié)合浸泡24和48小時(shí)之后，該復(fù)合硬泡材料的吸水率與玻璃纖維含量之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，加入玻璃纖維之后，硬泡塑料吸水率先增加，當(dāng)玻璃纖維含量達(dá)10%，這種情況下，硬泡塑料吸水率逐漸降低。當(dāng)玻璃纖維含量為50%，硬泡塑料吸水率為2%左右，主要是由于玻璃纖維是一種極性材料，表面具有羧基和羥基，比表面積大，水是一種重要的極性物質(zhì)，結(jié)合相似相溶原理，在體系中加入玻璃纖維，會(huì)使硬泡塑料體系吸水率升高，但在硬泡塑料體系的胞體密堆積形成孔隙中，加入一定含量的玻璃纖維，能夠在胞體表面形成保護(hù)層，進(jìn)而抑制水吸收，因此，增加玻璃纖維含量，會(huì)使硬泡塑料體系吸水性降低。分析玻璃纖維含量對(duì)硬泡塑料硬度以及沖擊性能產(chǎn)生的影響。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在硬泡塑料體系中加入適量的無(wú)機(jī)填料，能夠提高材料本身的卲氏A硬度。

當(dāng)玻璃纖維含量為10%，此時(shí)復(fù)合硬泡塑料的硬度有顯著增加，之后繼續(xù)增加玻璃纖維含量，會(huì)使硬度逐漸趨于平緩，當(dāng)加入32%玻璃纖維此時(shí)硬泡塑料體系硬度穩(wěn)定，主要由于相比硬泡塑料基體硬度來(lái)說(shuō)，玻璃纖維顆粒硬度較大，加入玻璃纖維之后會(huì)增加整體硬度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入20%以上玻璃纖維含量時(shí)，此時(shí)硬泡塑料體系硬度不會(huì)出現(xiàn)顯著增加。無(wú)機(jī)填料對(duì)硬泡塑料本身的沖擊性能也會(huì)產(chǎn)生一定影響，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，加入玻璃纖維含量之后，復(fù)合硬泡塑料沖擊強(qiáng)度會(huì)隨之逐漸降低，主要由于樹脂基體和玻璃纖維顆粒形成的弱界面，以及在基體中玻璃纖維顆粒分散不均勻，導(dǎo)致基體表面的極性與玻璃纖維顆粒極性具有較大差異，兩者相溶性較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好均勻。當(dāng)加入22%玻璃纖維時(shí)，此時(shí)硬泡塑料體系拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高值，繼續(xù)加入玻璃纖維，會(huì)使體系拉伸強(qiáng)度降低，主要由于加入玻璃纖維會(huì)使其填充到體系空隙，進(jìn)而對(duì)胞體形成擠壓，縮小胞體尺寸，回彈明顯，這種情況下，會(huì)提高體系的拉伸強(qiáng)度，并且粒徑較小的玻璃纖維會(huì)引入基體中，核化能夠起到成核劑的效果，增加氣泡濃度，使胞體孔徑逐漸減小，進(jìn)一步加入玻璃纖維會(huì)增高體系密度，胞體尺寸無(wú)法繼續(xù)壓縮，玻璃纖維顆粒能夠填充空間較小，因此，當(dāng)玻璃纖維含量達(dá)到極限值時(shí)，此時(shí)會(huì)使體系拉伸強(qiáng)度降低。根據(jù)不同玻璃纖維長(zhǎng)度強(qiáng)化材料拉伸強(qiáng)度的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維長(zhǎng)度最大為10毫米，最佳長(zhǎng)徑比為140。

2.2 溫濕度加速老化對(duì)硬泡塑料性能影響

結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，硬泡塑料經(jīng)過45℃、65%，老化以及60℃、75%老化之后，其材料壓縮強(qiáng)度未發(fā)生顯著變化，即便溫度達(dá)到80攝氏度，濕度達(dá)到90%。但其老化時(shí)間能夠達(dá)到320天，對(duì)材料壓縮性能未發(fā)生顯著影響。綜合實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，在溫濕度老化下，聚氨酯硬泡塑料即便處于高溫高濕老化下，其壓縮力學(xué)性能未發(fā)生顯著變化。而在溫濕度載荷加速老化條件下，分析硬泡塑料的壓縮性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硬泡塑料經(jīng)過45℃，60%老化，溫度壓力為3MPa，以及60℃、70%，溫度壓力為3MPa老化之后，硬泡塑料體系壓縮強(qiáng)度有顯著降低。主要由于蠕變損傷形成和累積，是導(dǎo)致材料壓縮強(qiáng)度降低的重要機(jī)制，在材料老化過程中，提高負(fù)載水平會(huì)，加速硬泡塑料壓縮性能劣化，因此，載荷是加速老化中的催化劑。

總結(jié)

總而言之，本研究針對(duì)混合增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合硬泡塑料體系，進(jìn)行溫濕度、載荷加速老化以及增強(qiáng)劑玻璃纖維顆粒含量，對(duì)材料物理和力學(xué)性能產(chǎn)生的影響分析，并對(duì)影響物理力學(xué)性能因素的機(jī)制進(jìn)行深入探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在處于溫濕度加載老化過程中，硬泡塑料壓縮性能有顯著降低，可能是由于蠕變損傷氧化和累積導(dǎo)致的，22%玻璃纖維對(duì)硬泡塑料物理和力學(xué)性能最佳，其相應(yīng)的吸水性沖擊和拉伸強(qiáng)度是比較好的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王圣程， 姜慧， 張?jiān)品?，? EG改性聚氨酯硬泡的力學(xué)性能增強(qiáng)研究[J]. 聚氨酯工業(yè)， 2020， v.35;No.174（05）：15-17.

[2] 魏建國(guó)， 馬端人， 柳佳，等. 玻纖增強(qiáng)聚氨酯泡沫的研制[J]. 聚氨酯工業(yè)， 2020（1）：33-35.

作者簡(jiǎn)介：

趙學(xué)文（1987-10-14）女，漢，籍貫：山西省朔州市，工作單位：無(wú)錫科睿檢測(cè)服務(wù)有限公司，學(xué)歷：大專，職稱：助理工程師。

（無(wú)錫科睿檢測(cè)服務(wù)有限公司，江蘇 無(wú)錫214121）