EG改性聚氨酯硬泡的力学性能增强研究*

王圣程 姜慧 张云峰 禄利刚 钟东南

(1.徐州工程学院土木工程学院 江苏徐州 221018) (2.徐州赛孚瑞科高分子材料有限公司 江苏徐州 221008) (3.滕州市华海新型保温材料有限公司 山东滕州 277599)

硬质聚氨酯泡沫塑料以其优良的绝热性能和比强度,广泛应用于水利、交通、矿山及建筑保温隔热领域[1-2]。但硬质聚氨酯泡沫易燃,并且烟气会对环境造成污染,严重威胁人员的安全[3-4]。

为提高聚氨酯硬泡应用的安全性,国内外开展了大量关于可膨胀石墨(EG)改性聚氨酯硬泡阻燃性能的研究[5-7],但是EG在提高聚氨酯硬泡阻燃性能的同时,会降低材料的力学性能。因此,提高EG改性聚氨酯硬泡的力学性能成为研究重点。通常可用玻璃纤维(GF)与空心玻璃微珠(HGM)增强聚合物的力学性能[8-9]。

本实验采用GF与HGM复配添加后,对EG改性聚氨酯硬泡力学性能增强效果进行研究,以扩大其应用领域。

1 实验部分

1.1 主要原料

多亚甲基多苯基异氰酸酯PM-400(NCO质量分数30%～32%);聚醚多元醇TMN-350(羟值为350 mgKOH/g),天津石化公司第三石油化工厂;催化剂Polycat 12,美国空气化工产品有限公司;发泡剂HFC-365mfc(沸点为40 ℃),美国霍尼韦尔公司;泡沫稳定剂AK-8806,南京美思德化工有限公司;EG(膨胀不小于200倍),青岛海达石墨有限公司;GF(长度4～6 mm,直径10 μm),南通海玻玻璃纤维有限公司;HGM(80～120目),上海正美亚化学品公司。以上原料均为工业级。

1.2 样品的制备

采用一步法发泡工艺制备聚氨酯硬泡。常温下将聚醚多元醇、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂、去离子水、阻燃剂和力学性能改善剂(GF、HGM)等混合,用电动搅拌器充分搅拌均匀,制备A组分;然后将A组分与PM-400充分搅拌,60 s后浇注到定制模具中;将制品从模具中取出,得到试验用聚氨酯样品。A组分配方为聚醚多元醇90 g、催化剂0.5 g、发泡剂3.5 g、泡沫稳定剂5 g、去离子水1 g、EG 10 g;B组分为PM-400 100 g。样品E0为不含GF和HGM的EG改性聚氨酯硬泡,作为对比参照物;样品GE1、GE2、GE3和GE4中GF添加量分别为5 g、10 g、15 g和20 g;样品HGE1、HGE2、HGE3和HGE4中GF添加量均为10 g且HGM添加量分别为5 g、10 g、15 g和20 g。

1.3 主要试验仪器及测试方法

TAW-2000型电子万能试验机,长春市朝阳试验仪器有限公司；CHT4000型压缩剪切性能测试仪,深圳市新三思材料检测有限公司。

根据GB 8813—2008测试聚氨酯硬泡相对形变为10%的压缩强度,每组5个试样,压缩速率为2 mm/min,样品尺寸为50 mm×100 mm×100 mm;根据GB/T 32382—2015测试聚氨酯硬泡的剪切性能,每组5个试样,压缩速率为1 mm/min,样品尺寸为50 mm×30 mm×30 mm。

2 结果与讨论

2.1 GF用量对EG改性PU硬泡力学性能的影响

本组研究考察了单独添加GF的EG改性聚氨酯硬泡压缩变形量对压缩应力的影响,并以样品E0作为参照物,结果见图1。

图1 聚氨酯硬泡变形量对压缩应力的影响

由图1可知,聚氨酯硬泡压缩应力随压缩尺寸变形量的增加先缓慢上升,此阶段聚氨酯硬泡内的孔隙逐渐被压缩闭合而产生非线性变形,属于材料的弹性阶段;然后压缩应力随变形尺寸呈线性增加,属于线弹性阶段。GE1、GE2、GE3和GE4的压缩应力较不含GF的样品E0大幅度上升,其增长率分别为60.9%、78.1%、68.7%和52.3%。

对样品的压缩应力进行分析,得出GF添加量对EG改性聚氨酯硬泡压缩强度的影响,见图2。

图2 GF添加量对聚氨酯硬泡压缩强度的影响

由图2可知, EG改性聚氨酯硬泡的压缩强度随GF含量的增加先快速上升后缓慢下降。这是由于GF与EG均能被聚氨酯硬泡粘结和包裹,同时聚氨酯树脂对GF具有较好的浸润性,GF较均匀地分布在基体中,有利于力学性能的增加,从而使聚氨酯硬泡的整体承载能力变强,并且随着添加量的增加而增加[4]。当GF的添加量超过一定数值时, GF团聚现象严重,分布不均匀,对力的传递不利,还会使材料的粘结性能变差,从而使硬泡力学性能降低。

对样品E0、GE1、GE2、GE3和GE4进行剪切试验,考察添加GF的EG改性聚氨酯硬泡变形量对剪切应力的影响,结果见图3。

图3 聚氨酯硬泡变形量对剪切应力的影响

由图3可知,聚氨酯硬泡的剪切应力先缓慢增加,然后快速上升。在变形尺寸为5.0 mm时,单独EG改性聚氨酯硬泡样品E0的剪切应力峰值为1.41 kN。而另外添加GF的4个硬泡样品GE1至GE4的剪切应力在不小于5.0 mm的变形尺寸才能达到峰值,且均大于E0的剪切应力。例如，样品GE2的剪切应力在变形尺寸为5.6 mm时达到峰值2.19 kN,比E0的剪切应力峰值高55.3%。

对样品的剪切应力进行分析,得出GF添加量对EG改性聚氨酯硬泡剪切强度的影响,见图4。

图4 GF添加量对聚氨酯硬泡剪切强度的影响

由图4可知,聚氨酯硬泡的剪切强度随GF添加量的增加先上升后下降。

综合上述研究可知,添加GF能增强EG改性聚氨酯硬泡的力学性能,但添加量太多会影响其在聚氨酯硬泡中的均匀性,GF最佳添加量为10 g。

2.2 HGM与GF复配对硬泡力学性能的影响

EG和GF添加量均固定为10 g,考察HGM添加量对聚氨酯硬泡的压缩强度及剪切强度影响,样品E0作为参照物,结果见图5。

图5 HGM添加量对EG改性聚氨酯硬泡力学性能的影响

由图5可知,随着HGM添加量增加,聚氨酯硬泡样品HGE1至HGE4的压缩强度和剪切强度均先增加后减少,HGM最佳添加量为5 g。这说明在一定范围内HGM和GF联合使用,对聚氨酯硬泡有协同增强作用;当HGM含量超过一定值后,硬泡力学性能降低,其原因与添加GF类似,当填料过多时,填料会出现“团聚”现象,影响填料的分布,降低其承受外力的能力。

综上所述,在适当的用量下,添加GF和HGM均能提高EG改性聚氨酯硬泡的力学性能。另外,在最大程度提高力学性能的基础上,需控制聚氨酯硬泡的成本。

3 结论

(1)添加GF或HGM,均可提高EG改性聚氨酯硬泡的力学性能;随着GF或HGM添加量的增加,EG改性聚氨酯硬泡的力学性能先增加后降低。

(2)采用GF与HGM添加量分别为10 g和5 g进行复配后,所制备的EG改性聚氨酯硬泡的力学性能最佳。