混雜增強聚氨酯復合硬泡塑料的物理及力學性能

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

關(guān)鍵詞：混雜增強;聚氨酯;復合硬泡塑料;物理性能

引言

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有良好的性能，被用于國防、工業(yè)等多個領(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，還會受到外界環(huán)境、溫度、濕度等因素的影響。因此，研究老化對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，為進一步提高泡沫塑料的力學性能，可采用提高材料的密度或?qū)⒉牧现屑尤朐鰪妱默F(xiàn)在的研究來看，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料增強方式單一，目前研究學者已經(jīng)注意到混雜增強的重要性，然而未獲得真正應(yīng)用。粒子填充以及纖維增強泡沫塑料是由樹脂機體、無機粒子、纖維等構(gòu)成的復合材料，通過粒子和纖維混雜增強聚氨酯硬泡，也是目前工業(yè)領(lǐng)域中增強聚氨酯硬泡技術(shù)的發(fā)展趨勢，在本研究中以玻璃纖維為例，將其作為復合硬泡增強劑，對塑料泡沫物理性能進行分析。

1.制備復合聚氨酯硬泡

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，加入適量增強劑之后，觀察此時有氣泡溢出、泡體發(fā)白之后，注入模具中發(fā)泡，經(jīng)過脫模、固化之后，能夠獲得混雜增強聚氨酯復合硬泡材料。由于材料本身的密度，對于力學性能產(chǎn)生影響較大，為分析增強劑產(chǎn)生的增強效果，在本研究中所制備硬泡塑料的密度為0.65克每立方厘米，所加入增強劑，需通過預處理分散，獲得良好分散效果的聚氨酯復合硬泡體系。在纖維表面，利用偶聯(lián)劑進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

按照國家標準對復合硬泡吸水性進行測試，將制備好的樣品置于烘箱中，經(jīng)80℃，一小時保溫取出后進行稱重，放入水中分別浸泡24小時和48小時，取出后稱量，并計算該材料的吸水性。同時，測定樣品邵氏D型硬度，可利用卲氏D型硬度計XHS（LX-D）進行測試。對樣品沖擊強度進行測試，采用沖擊試驗機，其型號為X JJ-5（PTM125 1-B）。測試樣品的拉伸強度和拉伸率，可利用電子拉力試驗機，其型號為DL-1000B（UTM6104）進行測試。

2. 研究的結(jié)果

2.1玻璃纖維含量對硬泡塑料物理性能影響

為進一步分析玻璃纖維含量對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%，對這種混雜增強復合硬塑料材料分別測試吸水性、硬度、沖擊強度以及拉伸強度。首先，從吸水性能來看，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，即吸水性能是與無機材料類型具有一定聯(lián)系的。結(jié)合浸泡24和48小時之后，該復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，當玻璃纖維含量達10%，這種情況下，硬泡塑料吸水率逐漸降低。當玻璃纖維含量為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層，進而抑制水吸收，因此，增加玻璃纖維含量，會使硬泡塑料體系吸水性降低。分析玻璃纖維含量對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機填料，能夠提高材料本身的卲氏A硬度。

當玻璃纖維含量為10%，此時復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，會使硬度逐漸趨于平緩，當加入32%玻璃纖維此時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說，玻璃纖維顆粒硬度較大，加入玻璃纖維之后會增加整體硬度，根據(jù)實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當加入20%以上玻璃纖維含量時，此時硬泡塑料體系硬度不會出現(xiàn)顯著增加。無機填料對硬泡塑料本身的沖擊性能也會產(chǎn)生一定影響，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，加入玻璃纖維含量之后，復合硬泡塑料沖擊強度會隨之逐漸降低，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，無法實現(xiàn)良好均勻。當加入22%玻璃纖維時，此時硬泡塑料體系拉伸強度達到最高值，繼續(xù)加入玻璃纖維，會使體系拉伸強度降低，主要由于加入玻璃纖維會使其填充到體系空隙，進而對胞體形成擠壓，縮小胞體尺寸，回彈明顯，這種情況下，會提高體系的拉伸強度，并且粒徑較小的玻璃纖維會引入基體中，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，進一步加入玻璃纖維會增高體系密度，胞體尺寸無法繼續(xù)壓縮，玻璃纖維顆粒能夠填充空間較小，因此，當玻璃纖維含量達到極限值時，此時會使體系拉伸強度降低。根據(jù)不同玻璃纖維長度強化材料拉伸強度的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維長度最大為10毫米，最佳長徑比為140。

2.2 溫濕度加速老化對硬泡塑料性能影響

結(jié)合實驗研究發(fā)現(xiàn)，硬泡塑料經(jīng)過45℃、65%，老化以及60℃、75%老化之后，其材料壓縮強度未發(fā)生顯著變化，即便溫度達到80攝氏度，濕度達到90%。但其老化時間能夠達到320天，對材料壓縮性能未發(fā)生顯著影響。綜合實驗研究可以發(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度有顯著降低。主要由于蠕變損傷形成和累積，是導致材料壓縮強度降低的重要機制，在材料老化過程中，提高負載水平會，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，本研究針對混合增強聚氨酯復合硬泡塑料體系，進行溫濕度、載荷加速老化以及增強劑玻璃纖維顆粒含量，對材料物理和力學性能產(chǎn)生的影響分析，并對影響物理力學性能因素的機制進行深入探討，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致的，22%玻璃纖維對硬泡塑料物理和力學性能最佳，其相應(yīng)的吸水性沖擊和拉伸強度是比較好的。

參考文獻：

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

作者簡介：

趙學文（1987-10-14）女，漢，籍貫：山西省朔州市，工作單位：無錫科睿檢測服務(wù)有限公司，學歷：大專，職稱：助理工程師。

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