发泡剂对3D玻纤织物增强发泡聚氨酯复合材料力学性能的影响

KYAMPETETyty 刘赋瑶 傅雅琴

摘 要：为了提高纺织复合材料的抗冲击性能和发泡材料的力学性能，制备了3D玻纤织物增强发泡聚氨酯复合材料。利用场发射扫描电镜、摆锤冲击仪和万能材料试验机，分析研究了外加不同发泡剂质量分数对发泡复合材料泡孔的微观形貌和力学性能的影响。结果表明，当发泡剂质量分数为5%时，3D玻纤织物增强发泡聚氨酯复合材料的冲击强度最大可达73.34 kJ/m2，同时压缩强度和拉伸强度分别为5.24、28.1 MPa;随着发泡剂质量分数增加，聚氨酯泡孔增大并且出现不均匀现象，复合材料密度也随之下降，压缩强度和拉伸强度均下降;复合材料中发泡剂质量分数为5%，能够在满足轻量化的情况下实现较高的抗冲击性。

关键词：发泡聚氨酯;3D玻纤织物;冲击强度;压缩强度

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

玻纤织物增强热固性树脂复合材料近年来得到迅速发展，并在航空航天、汽车、建筑、体育等领域的应用日益广泛[1-3]。传统玻纤织物增强热固性树脂复合材料是将单层或多层玻纤布经树脂浸渍后定型固化而成，其基体树脂主要包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯等材料[4]，虽然具有高比强度、耐高温、耐腐蚀等优良特性，但随着环保节能以及轻量化发展，无法满足一些特殊领域材质既轻又抗冲击的要求。另一方面，现有发泡材料的力学强度相对较弱[5]，需要进一步提升性能。

3D玻纤织物（Three-dimensional glass fabric，TGF）是将玻纤纱用特制织机经形成芯部的Z向纤维将上下两个表层交织成一体的中空立体纤维布，表面平滑，所得制品强度高，刚性好，受到冲擊时，芯层也不会脱层，同时具有质轻、抗冲击、隔音、隔热、减振吸能等优点[6-7]。

而发泡聚氨酯（Polyurethane，PU）塑料是一种高性能轻量化材料，不仅具有隔热、吸声、抗震等性能，同时具有重量轻、比强度高、尺寸稳定性好的优点[8-9]，可用于交通工具的轻量化承载结构件。但作为结构材料使用，其强度、刚度、抗冲击等力学性能尚不足。

为了提高纺织复合材料的抗冲击性能和发泡材料的力学性能，本研究利用3D玻纤增强发泡聚氨酯（Three-dimensional glass fabric reinforced polyurethane，TGFRPU）制备一种全新的复合材料，赋予其高抗冲击、高机械强度和高微孔率等特性，同时具有重量轻和尺寸稳定性好的优点。成型工艺简单、生产效率高、制品外形美观，因此可用于建筑装修、物流中的缓冲包装材料以及家具制造材料等领域。

1 实 验

1.1 实验材料

3D玻纤织物（BP-3D，表观厚度5 mm，平方米质量830 g/m2，南京百朋纺织材料有限公司），聚氨酯（MDI黑料，白料，广州市宏纳化工有限公司），匀泡剂（硅油L580，迈图，广州市宏纳化工有限公司），发泡剂（环戊烷，分析纯，浓度98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 玻纤织物增强发泡聚氨酯材料制备

首先分别称取聚氨酯白料和黑料各25 g一起加入烧杯中，再加入1 g匀泡剂，在30 ℃下充分搅拌5 min混匀，之后加入质量分数分别为5%、10%、15%和20%的发泡剂环戊烷，搅拌均匀得到未发泡的聚氨酯待用。裁剪一块25 cm×25 cm的3D玻纤织物放入不锈钢模具中，将混合好的未发泡聚氨酯浇注到模具（25 cm×25 cm×1 cm）中，用压辊反复涂覆树脂使其充分浸渍玻纤布，用不锈刚薄板盖住模具合模（使成型后的复合材料厚度控制在1 cm），四角用G型夹固定（多余的树脂可以向四周溢出），将模具在室温放置1 h，然后放入烘箱75 ℃下熟化发泡45 min，开模取出泡体得到TGFRPU复合材料。该发泡复合材料中，玻璃纤维的实际体积分数约为3.3%。

1.3 性能测试

采用场发射扫描电子显微镜（SEM，卡尔蔡司Vltra 55型）观察TGFRPU试样断面形貌，裁取小块试样，将切断面朝上粘在SEM样品台侧面，镀金后，在电子显微镜下进行观察。

采用悬臂梁冲击试验机（Instron 7614000型）对TGFRPU试样进行简支梁无缺口冲击试验。参照GB/T 1451-2005《纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法》，将制备的复合材料试样裁剪为10 cm×2 cm×1 cm的长条状进行测试。

采用万能材料试验机（Instron 3367型）对TGFRPU试样进行压缩和拉伸测试，将制备的复合材料试样裁剪成10 cm×2 cm×1 cm的长条状，参照GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行拉伸强度测试，拉伸速率为2 mm/min。将制备的复合材料试样裁剪成2 cm×2 cm×1 cm的方块状，参照GB/T 1448—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行压缩强度测试，压缩速率为2 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂质量分数对复合材料形貌的影响

图1为TGFRPU复合材料制备照片，图1（a）中成型模具为不锈钢中空框，上下两面用厚度2 mm钢板盖住，并用G型夹将四角固定。图1（b）为复合材料板，图1（c）为板材断面，复合材料为典型三明治夹心结构，芯材为3D玻纤织物增强发泡聚氨酯，上下两层为纯聚氨酯泡沫。

图2显示的是不同发泡剂质量分数对TGFRPU复合材料横断面微观形貌的影响情况。未加入发泡剂时，复合材料泡孔小而且相对密实，其中的泡孔是由聚氨酯（黑料）基料中自带的发泡剂形成的。随着外加入发泡剂质量分数由5%增加到20%时，泡孔逐渐变大且疏松，特别是当加入发泡剂的质量分数达到15%和20%时，泡孔缺陷增多。发泡剂在聚氨酯泡沫塑料的发泡过程中，利用聚醚多元醇和异氰酸酯反应放出的热量加热发泡剂，发泡剂遇热汽化产生发泡作用。用聚醚多元醇和异氰酸酯反应放热，当温度达到49 ℃（环戊烷沸点）以上时，环戊烷即汽化，起发泡作用，当环戊烷含量过大时，一部分残留在泡孔中，一部分溢出，出现了大量不规则孔和塌孔现象。

2.2 发泡剂质量分数对复合材料冲击强度的影响

图3为TGFRPU复合材料试样简支梁无缺口冲击强度测试结果，未加发泡剂的复合板冲击强度为56.37 kJ/m2，而加入发泡剂质量分数为5%时复合材料的冲击强度可达73.34 kJ/m2，相比未加发泡剂的复合材料冲击强度增加30%，3D玻纤织物的高韧性和发泡聚氨酯的高强度使得复合材料对冲击能的吸收能力大大提高，而随着发泡剂质量分数的增加复合材料抗冲击强度有所下降，分别达到58.26、61.39 kJ/m2和48.04 kJ/m2，相比未外加发泡剂的复合材料冲击强度提高不明显，这是因为随着发泡剂质量分数增加，发泡聚氨酯树脂泡孔变大，复合材料密度下降。如圖4中，未外加发泡剂的复合材料密度为0.59 g/cm3，随着发泡剂质量分数增加，复合材料密度逐渐减小，当发泡剂质量分数增加至15%和20%时，材料密度分别为0.51 g/cm3和0.39 g/cm3，下降14.6%和33.5%，但与此同时，材料抗冲击强度下降较小，能够满足轻质抗冲击的要求[8，10-11]。

2.3 发泡剂质量分数对复合材料压缩强度的影响

图5为TGFRPU复合材料试样压缩强度测试结果，图6为代表性TGFRPU复合材料试样压缩应力-应变曲线。压缩强度取压缩应力-应变曲线上第一个峰值，未加发泡剂的复合板压缩强度为7.82 MPa，而加入发泡剂质量分数为5%时复合材料的压缩强度下降为5.24 MPa，相比未加发泡剂的复合材料压缩强度下降33%，而随着发泡剂含量的进一步增加复合材料压缩强度进一步下降，发泡剂质量分数在10%、15%、20%时，压缩强度几乎没有变化，压缩强度分别为2.15、2.68 MPa和2.52 MPa，相比未加发泡剂的复合材料冲击强度下降约66%～73%。从图4复合材料密度变化也可以看出，发泡剂质量分数在超过10%时复合材料密度变化不明显。综合来看，发泡剂含量增加会降低复合材料压缩强度，但材料密度也会下降，使得材料满足轻量化要求，在不过度降低压缩强度的情况下，取发泡剂质量分数为5%时，既能满足轻量化需求，又能满足材料强度使用要求[12]。

图7为代表性TGFRPU复合材料压缩过程中的应力变化状态。从图7中可见，复合材料为典型的三明治夹心结构，上下两层为纯聚氨酯泡沫层，中间层泡沫与织物复合层。压缩过程可分为Ⅰ、Ⅱ两个阶段，分别对应复合材料纯泡沫层和玻纤织物增强发泡聚氨酯复合层压缩过程。在Ⅰ阶段压缩过程中，随着压缩应变的增加，压缩载荷不断升高直到达到峰值，然后随应变增加载荷下降，其对应过程是纯聚氨酯泡沫中闭孔泡由充盈到压扁直至发生破裂，这是压缩强度在达到峰值后突然下降的原因[13]。在第Ⅱ阶段压缩过程中，主承力结构为3D立体玻纤织物，聚氨酯泡沫填充其中，在较小的压缩应变内（15%）压缩载荷迅速升高，由于传感器最大有效载荷为5 kN，所以在达到最大载荷前终止压缩测试。由第Ⅰ、Ⅱ两个阶段分析可知，TGFRPU复合材料抗压缩性能要高于单纯聚氨酯泡沫，当复合材料承受外界载荷时，外层聚氨酯泡沫能够通过大应变提供缓冲压力，当遇到大的外界载荷时，中间芯层作为主承力结构发挥作用[14-15]。

2.4 发泡剂质量分数对复合材料拉伸强度的影响

图8为TGFRPU复合材料试样拉伸强度测试结果，未加发泡剂的复合板拉伸强度为30.5 MPa，基本与复合材料计算的理论强度相一致;当发泡剂质量分数为5%时复合材料的拉伸强度为28.1 MPa，相比未加发泡剂的复合材料冲击强度下降7.8%，而随着发泡剂质量分数的增加复合材料拉伸强度有所下降，分别为26.9、25.7 MPa和23.5 MPa，当发泡剂质量分数为10%和15%时，复合材料拉伸强度下降较小，而当发泡剂质量分数为20%时，拉伸强度下降最大为22.8%。图9为代表性TGFRPU复合材料试样拉伸应力-应变曲线。在拉伸过程中，复合材料拉伸应力随应变增大而增大，同时伴随轻微的波折峰，这是3D玻纤织物局部发生撕裂所致。在复合材料中芯材3D立体玻纤织物作为主承力结构，聚氨酯泡沫对材料拉伸性能影响较小[16-17]。

3 结 论

a）发泡剂对TGFRPU复合材料的冲击强度有明显影响，当发泡剂质量分数为5%时，冲击强度最大可达73.3 kJ/m2，比未加发泡剂的复合材料提高了30%。

b）随着发泡剂质量分数的增加，TGFRPU复合材料密度、压缩强度和拉伸强度逐渐下降，当发泡剂质量分数为20%时，拉伸强度最低为23.5 MPa，但仍显示出玻璃纤维织物的承载作用。

c）TGFRPU复合材料压缩过程可分为Ⅰ、Ⅱ两个阶段，分别对应复合材料纯泡沫层和玻纤织物增强发泡聚氨酯复合层压缩过程，TGFRPU复合材料抗压缩性能要高于单纯聚氨酯泡沫。

d）复合材料中发泡剂质量分数为5%时，复合材料冲击强度最高，同时密度、压缩强度和拉伸强度下降较小，能够在满足轻量化的情况下实现较高的抗冲击性和一定抗压缩性。

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