混杂增强聚氨酯复合硬泡塑料的物理及力学性能

摘 要：本研究阐述了颗粒与纤维混杂增强聚氨酯复合硬泡塑料及物理及力学性能，分析了玻璃纤维以及温湿度对硬泡塑料性能产生的影响，结果发现，当玻璃纤维含量为20%。并且泡沫塑料经过40℃和65%老化以及60℃、70%，老化之后，压缩强度降低明显。

关键词：混杂增强;聚氨酯;复合硬泡塑料;物理性能

引言

硬质聚氨酯泡沫塑料具有良好的性能，被用于国防、工业等多个领域中。这种塑料制品可用于现代化武器系统研制，但由于泡沫塑料本身的老化，会从一定程度上降低武器性能的安全性，可靠性以及使用周期。硬质聚氨酯泡沫塑料老化除与本身工艺、配方具有直接影响之外，还会受到外界环境、温度、湿度等因素的影响。因此，研究老化对于泡沫塑料性能因素的影响具有重要意义。除此之外，研究者提出，为进一步提高泡沫塑料的力学性能，可采用提高材料的密度或将材料中加入增强剂。从现在的研究来看，硬质聚氨酯泡沫塑料增强方式单一，目前研究学者已经注意到混杂增强的重要性，然而未获得真正应用。粒子填充以及纤维增强泡沫塑料是由树脂机体、无机粒子、纤维等构成的复合材料，通过粒子和纤维混杂增强聚氨酯硬泡，也是目前工业领域中增强聚氨酯硬泡技术的发展趋势，在本研究中以玻璃纤维为例，将其作为复合硬泡增强剂，对塑料泡沫物理性能进行分析。

1.制备复合聚氨酯硬泡

1.1制备方法

为制备符合聚氨酯硬质泡沫塑料，在本研究中使用的原材料包括6305多羟基聚醚、44V20聚异氰酸酯，匀泡剂、催化剂、玻璃纤维等。在具体制备中，按照一定配比，准确称取增韧剂、催化剂、匀泡剂，多羟基聚醚和发泡剂混合之后，将温度调至18℃，之后在快速搅拌条件下，混合适量的聚乙氰酸酯，加入适量增强剂之后，观察此时有气泡溢出、泡体发白之后，注入模具中发泡，经过脱模、固化之后，能够获得混杂增强聚氨酯复合硬泡材料。由于材料本身的密度，对于力学性能产生影响较大，为分析增强剂产生的增强效果，在本研究中所制备硬泡塑料的密度为0.65克每立方厘米，所加入增强剂，需通过预处理分散，获得良好分散效果的聚氨酯复合硬泡体系。在纤维表面，利用偶联剂进行玻璃纤维处理之后，将其与部分白料混合均匀，置于白料与黑料混合体系中。

1.2性能分析

按照国家标准对复合硬泡吸水性进行测试，将制备好的样品置于烘箱中，经80℃，一小时保温取出后进行称重，放入水中分别浸泡24小时和48小时，取出后称量，并计算该材料的吸水性。同时，测定样品邵氏D型硬度，可利用卲氏D型硬度计XHS（LX-D）进行测试。对样品冲击强度进行测试，采用冲击试验机，其型号为X JJ-5（PTM125 1-B）。测试样品的拉伸强度和拉伸率，可利用电子拉力试验机，其型号为DL-1000B（UTM6104）进行测试。

2. 研究的结果

2.1玻璃纤维含量对硬泡塑料物理性能影响

为进一步分析玻璃纤维含量对浸泡塑料物理性能因素的影响，可制备不同含量玻璃纤维样品，纤维含量为7.8%，对这种混杂增强复合硬塑料材料分别测试吸水性、硬度、冲击强度以及拉伸强度。首先，从吸水性能来看，由于该硬泡塑料是具有一定开孔率的体系，基体本身具有吸水性，即吸水性能是与无机材料类型具有一定联系的。结合浸泡24和48小时之后，该复合硬泡材料的吸水率与玻璃纤维含量之间的关系，可以发现，加入玻璃纤维之后，硬泡塑料吸水率先增加，当玻璃纤维含量达10%，这种情况下，硬泡塑料吸水率逐渐降低。当玻璃纤维含量为50%，硬泡塑料吸水率为2%左右，主要是由于玻璃纤维是一种极性材料，表面具有羧基和羟基，比表面积大，水是一种重要的极性物质，结合相似相溶原理，在体系中加入玻璃纤维，会使硬泡塑料体系吸水率升高，但在硬泡塑料体系的胞体密堆积形成孔隙中，加入一定含量的玻璃纤维，能够在胞体表面形成保护层，进而抑制水吸收，因此，增加玻璃纤维含量，会使硬泡塑料体系吸水性降低。分析玻璃纤维含量对硬泡塑料硬度以及冲击性能产生的影响。根据研究发现，在硬泡塑料体系中加入适量的无机填料，能够提高材料本身的卲氏A硬度。

当玻璃纤维含量为10%，此时复合硬泡塑料的硬度有显著增加，之后继续增加玻璃纤维含量，会使硬度逐渐趋于平缓，当加入32%玻璃纤维此时硬泡塑料体系硬度稳定，主要由于相比硬泡塑料基体硬度来说，玻璃纤维颗粒硬度较大，加入玻璃纤维之后会增加整体硬度，根据实验结果可以发现，当加入20%以上玻璃纤维含量时，此时硬泡塑料体系硬度不会出现显著增加。无机填料对硬泡塑料本身的冲击性能也会产生一定影响，通过实验研究发现，加入玻璃纤维含量之后，复合硬泡塑料冲击强度会随之逐渐降低，主要由于树脂基体和玻璃纤维颗粒形成的弱界面，以及在基体中玻璃纤维颗粒分散不均匀，导致基体表面的极性与玻璃纤维颗粒极性具有较大差异，两者相溶性较差，无法实现良好均匀。当加入22%玻璃纤维时，此时硬泡塑料体系拉伸强度达到最高值，继续加入玻璃纤维，会使体系拉伸强度降低，主要由于加入玻璃纤维会使其填充到体系空隙，进而对胞体形成挤压，缩小胞体尺寸，回弹明显，这种情况下，会提高体系的拉伸强度，并且粒径较小的玻璃纤维会引入基体中，核化能够起到成核剂的效果，增加气泡浓度，使胞体孔径逐渐减小，进一步加入玻璃纤维会增高体系密度，胞体尺寸无法继续压缩，玻璃纤维颗粒能够填充空间较小，因此，当玻璃纤维含量达到极限值时，此时会使体系拉伸强度降低。根据不同玻璃纤维长度强化材料拉伸强度的结果可以发现，玻璃纤维长度最大为10毫米，最佳长径比为140。

2.2 温湿度加速老化对硬泡塑料性能影响

结合实验研究发现，硬泡塑料经过45℃、65%，老化以及60℃、75%老化之后，其材料压缩强度未发生显著变化，即便温度达到80摄氏度，湿度达到90%。但其老化时间能够达到320天，对材料压缩性能未发生显著影响。综合实验研究可以发现，在温湿度老化下，聚氨酯硬泡塑料即便处于高温高湿老化下，其压缩力学性能未發生显著变化。而在温湿度载荷加速老化条件下，分析硬泡塑料的压缩性能，结果发现，硬泡塑料经过45℃，60%老化，温度压力为3MPa，以及60℃、70%，温度压力为3MPa老化之后，硬泡塑料体系压缩强度有显著降低。主要由于蠕变损伤形成和累积，是导致材料压缩强度降低的重要机制，在材料老化过程中，提高负载水平会，加速硬泡塑料压缩性能劣化，因此，载荷是加速老化中的催化剂。

总结

总而言之，本研究针对混合增强聚氨酯复合硬泡塑料体系，进行温湿度、载荷加速老化以及增强剂玻璃纤维颗粒含量，对材料物理和力学性能产生的影响分析，并对影响物理力学性能因素的机制进行深入探讨，结果发现，在处于温湿度加载老化过程中，硬泡塑料压缩性能有显著降低，可能是由于蠕变损伤氧化和累积导致的，22%玻璃纤维对硬泡塑料物理和力学性能最佳，其相应的吸水性冲击和拉伸强度是比较好的。

参考文献：

[1] 王圣程， 姜慧， 张云峰，等. EG改性聚氨酯硬泡的力学性能增强研究[J]. 聚氨酯工业， 2020， v.35;No.174（05）：15-17.

[2] 魏建国， 马端人， 柳佳，等. 玻纤增强聚氨酯泡沫的研制[J]. 聚氨酯工业， 2020（1）：33-35.

作者简介：

赵学文（1987-10-14）女，汉，籍贯：山西省朔州市，工作单位：无锡科睿检测服务有限公司，学历：大专，职称：助理工程师。

（无锡科睿检测服务有限公司，江苏 无锡214121）