短切玻璃纖維氈增強不飽和聚酯樹脂復合材料的性能研究

張 林，周 莉，張建中

短切玻璃纖維氈增強不飽和聚酯樹脂復合材料的性能研究

張 林1，周 莉1，張建中2

(1.遼寧石油化工大學 化學與材料學院，遼寧 撫順 113001； 2. 撫順職業技術學院 化工系，遼寧 撫順 113006)

以不飽和聚酯為基體，以玻璃纖維氈為增強材料，加入促進劑、固化劑等添加劑，通過常溫固化得到其板材，然后對其拉伸強度、沖擊強度等性能進行測試，研究各種成分不同配比對材料力學性能的影響。結果表明以無堿玻璃纖維氈為增強材料，不飽和聚酯和玻璃纖維氈的質量比為 3︰1,促進劑、固化劑的加入量為樹脂量的0.5%、1%，制得的樣品力學性能最好，拉伸強度達到80 MPa以上，沖擊強度達到40 kJ/㎡以上。

不飽和聚酯；玻璃纖維氈；促進劑；固化劑；拉伸強度

樹脂基復合材料是以合成樹脂為基體材料，以玻璃纖維以及玻璃纖維制品為增強材料的應用廣泛的復合材料，它以強度高，質量輕，性價比高，耐疲勞，耐化學性，工藝制作簡單等優點而廣泛應用于造船，汽車，航天，建筑家具以及其它的相關領域。對于其力學性能的研究與改進是不少學者關注的焦點，對于基體材料的改進，對于其增強材料的改進大大促進了玻璃鋼工業的發展[1]。本文選用基體材料為不飽和聚酯樹脂，玻璃纖維氈為增強材料，通過手糊成型室溫固化的方法自取其板材，通過不同增強材料以及不同樹脂量不同促進劑固化劑的對其拉伸性能做了對比研究。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

191#通用型不飽和聚酯樹脂，常州建材二五三廠；中堿和無堿玻璃纖維氈，肥城聯誼工程塑料公司；不飽和聚酯樹脂色糊，秦皇島市三海關鑫源樹脂加工廠；促進劑辛酸鈷，常州建材二五三廠；固化劑過氧化甲乙酮，常州建材二五三廠。

1.2 實驗過程

取玻璃氈放在聚酯膜上，然后用燒杯稱取一定量的不飽和聚酯樹脂，加入少量色糊，用電動攪拌器攪拌均勻，攪拌一定時間直到色糊均勻分散到不飽和聚酯樹脂中，然后加入一定量的促進劑（異辛酸鈷），繼續攪拌一定時間，再加入一定量的固化劑（過氧化甲乙酮），快速攪拌20 s，然后均勻倒在玻璃氈蓋上聚酯膜，采用手工常溫固化成型的方式，制作樣品。

1.3 測試

拉伸性能在 ANSTRON5567萬能材料拉伸機上進行，按照標準GB/T1040-92進行測試，試樣如圖1。

圖1 拉伸試樣Fig.1 Tensile test piece

拉伸樣條總長L為180 mm、標距L0為(50±0.5)mm,中間平行段長度 L1為(55±0.5)mm，夾具間距離L3為(115+5)mm、中間平行段寬度b為(10±0.5)mm，端頭寬度b1為(20±0.5)mm，厚度d為2～10 mm。

沖擊強度在ACSFAAR公司生產的IMPATS-15型懸/簡沖擊實驗機上進行，按照標準GB/T1043-93硬質塑料簡支梁沖擊試驗方法，試樣如圖2。

圖2 沖擊強度試樣Fig.2 Impact test piece

2 結果與分析

2.1 不飽和聚酯與玻璃纖維氈質量比對樹脂基復合材料的影響

樹脂基復合材料的拉伸性能及沖擊性能隨樹脂量的改變（玻璃纖維氈的量不變）如圖 3（a）、（b）所示。從圖中可以看到隨著樹脂量的增加其拉伸強度，沖擊強度逐漸增大，當不飽和聚酯與玻璃纖維氈的質量比達到 3︰1時，無論其增強材料是無堿還是中堿玻璃纖維氈，其拉伸強度達到最大，而后隨著樹脂量的增大其拉伸強度反而下降，同樣其沖擊強度也是先增大后減少，原因是由于 2︰1時樹脂量過少，不能充分浸潤玻璃纖維氈，使得增強材料玻璃纖維氈不能起到充分的作用造成力學強度不高，隨著樹脂量的增大，樹脂可以充分浸潤到玻璃纖維氈里，不飽和聚酯固化后達到較好的力學效果。隨著樹脂量的過大，作為增強材料的玻璃纖維氈的量所占的比例就相應減少，其復合材料的強度主要取決與玻璃纖維氈的量，玻璃纖維氈主要承載樹脂傳遞的載荷，故其力學強度下降[2]。無論是無堿還是中堿的玻璃纖維氈其力學性能都在樹脂量為3︰1的情況下達到最佳。

2.2 中堿玻璃纖維氈與無堿玻璃纖維氈對樹脂基復合材料的影響

從圖3可以看出，無堿玻璃纖維氈增強的樹脂基復合材料其各項強度要好于中堿的，其原因是中堿玻璃纖維氈中堿金屬氧化物的質量分數介于11.9%～16.4%之間，是一種鈉鈣硅酸鹽成分，其含堿量高，而無堿纖維氈，其堿金屬氧化物的質量分數＜0.8%，是一種鋁硼硅酸鹽成分。

圖3 不飽和聚酯與玻璃纖維氈的質量比對拉伸強度和沖擊強度的影響Fig.3 Influence of mass ratio of UPR and glass fibre on tensile strength and impact strength

它的化學穩定性、電絕緣性能、強度都很好。無堿玻璃纖維與UP的界面結合力要高于中堿的，使得UP復合材料的空隙量較低，從而提高纖維增強UP的力學性能。

2.3 促進劑和固化劑的加量對其拉伸性能的影響

從上面的試驗中，可以看出不飽和聚酯與玻璃纖維氈的質量比為 3︰1下其力學性能達到最佳，固定不飽和聚酯與玻璃纖維氈的質量比為 3︰1不變，研究不同固化劑(過氧化甲乙酮)促進劑(異辛酸鈷)加入量和配比對材料力學性能的影響。

由圖4（a、b、c、d）可以看出，促進劑為0.5%、固化劑為1%的情況下，制得的樣品拉伸強度最高，隨著固化劑的增加其拉伸性能下降的較快。原因由于固化劑存在較少的情況下，產生的自由基的量也較少，聚合固化速度極慢，造成不飽和聚酯（UPR）體系聚合不完全，拉伸性能不高。

圖4 不同固化劑促進劑加入量對拉伸強度的影響Fig.4 Influence of mass of adding curing agent on tensile strength

隨著添加量的增大，當用量＞2.5%產生的自由基較多，溫度急劇上升，反應較為劇烈，但縮聚產生的小分子未來得及排除，會有較多的氣泡留在聚合物之內，而且會產生大量裂紋[3]，樹脂交聯網絡中的酯基發生降解造成強度下降[4-6]。由圖4（c,d）可以看出促進劑加入量＞1.5%時其拉伸性能呈下降趨勢，故其促進劑的量理應控制在1.5%以下，主要原因是促進劑的量過大可以消耗掉一部分的用于交聯固化的自由基，使其拉伸強度下降。促進劑能促使有機過氧化物在室溫下分解而產生游離，在氧化還原引發體系（過氧化物為引發劑）中又稱為還原劑。促進劑的用量，也就是還原劑用量不宜多，氧化還原分解時其中有一半變為自由基，而另外一半則被還原為負離子。而且還原劑也可以和自由基反應，且反應速率遠大于自由基與單體的加成反應速率，故還原劑用量不易過多，與過氧化物的摩爾比應＜1，否則效率不高，力學性能下降[7-8]。

3 結 論

通過上述對不飽和聚酯與玻璃纖維氈的配比和引發劑、固化劑加入量及配比對力學性能影響的實驗研究，可以得出以下結論。

(1) 不飽和聚酯和玻璃纖維氈的質量比為3︰1時，樣品拉伸和沖擊性能達到最佳。

(2) 促進劑、固化劑的加入量影響樣品的拉伸和沖擊性能，促進劑的加量應控制在1.5%以下，固化劑加量＞2.5%時其固化速度過快，散熱量過大，影響其力學性能，促進劑與固化劑的加入量在0.5%和1%時其拉伸強度達到最好。

(3) 以無堿玻璃纖維氈做為增強材料的擋風抑塵墻的力學性能明顯高于以中堿玻璃纖維氈做為增強材料的擋風抑塵墻，其中拉伸性能提高了7%以上，沖擊性能提高了17%以上。：

[1] 黃發榮．塑料工業手冊—不飽和聚酯樹脂[M]．北京：化學工業出版社，2001：545．

[2] 王再玉，喻國生.聚丙烯短切纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料的性能研究[J]. 洪都科技, 2006 (1):45-48.

[3] 王慶，王庭慰，魏無際.不飽和聚酯樹脂固化特性的研究[J].化學反應工程與工藝,2005 (6): 492-496．

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[5] 王文治，陳朝瑩.不飽和聚酯樹脂固化過程及結構變化[J].熱固性樹脂,1999 (3):37-42.

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[7] 張震乾，吳海銀,張志賢.成分比例不同的MEKP固化不飽和聚酯樹脂研究[J].熱固性樹脂,2009(1):24-27.

[8] 孟季茹，趙磊，梁國正，等.不飽和聚酯樹脂氧化還原引發體系的最新進展[J].熱固性樹脂，2001（3）：34-37.

Study on Performance of a Short Cut Glass Fibre Felt Reiforced Unsaturated Polyester Resin Composite Material

ZHANG Lin1，ZHOU Li2，ZHANG Jian- zhong2
(1. School of Materials & Chemistry, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China;2.Department of Chemical Technology, Fushun Vocational Technical Institute, Liaoning Fushun 113006, China)

Taking unsaturated polyester as a substrate and the glass fiber as reinforced material, through adding promoting agent, firming agent and other additives, a short cut glass fibre felt reiforced unsaturated polyester resin composite material plate was obtained via normal temperature solidification, then its performance and tensile strength,shock strength and other strength were tested to study influence of various different ratios of components on mechanical properties.The results show that when taking the non-alkali glass fiber felt as reinforced material, the mass ratio of unsaturated polyester and glass fiber felt is 3︰1, dosages of promoting agent and firming agent are respectively 0.5% and 1% of resin, the gained samples have the best mechanical properties, their tensile strength can reach to above 80 MPa and the shock strength can reach above 40 kJ/㎡.

Unsaturated polyster resins(UPR)；Glass fiber felt；Promoting agent；firming agent；Tensile strength

TQ 323

A

1671-0460（2010）06-0622-03

撫順市基金項目，項目號：20091203。

2010-08-02

張 林（1982-），男，山東濟寧人，在讀碩士，主要從事高分子材料合成及改性方面的研究。

周 莉，副教授，博士，研究方向：從事高分子材料的改性研究。E-mail:zhoulijb@163.com。