改性條件對聚氨酯硬質泡沫沖擊性能影響研究

周曉謙，鄭國闊，杜 娟，魯云婷，黃 欣

（遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，遼寧 阜新123000）

改性條件對聚氨酯硬質泡沫沖擊性能影響研究

周曉謙，鄭國闊，杜 娟，魯云婷，黃 欣

（遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，遼寧 阜新123000）

將納米二氧化硅（SiO2）和玄武巖纖維與聚氨酯復合制備了聚氨酯硬質泡沫材料，研究了異氰酸酯指數，水、納米SiO2和玄武巖纖維的添加量及玄武巖纖維的長度等因素對其沖擊性能的影響。結果表明，當異氰酸酯指數為1.05、納米SiO2的添加量為3.0%、5.0mm玄武巖纖維的添加量為3.0%時，材料的沖擊強度達到最佳值。

聚氨酯；硬質泡沫；沖擊性能；納米二氧化硅；玄武巖纖維；改性

0 前言

硬質聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯制品中比較重要的品種之一，它具有優良的力學性能、聲學性能、電學性能和耐化學性能，可直接從單體原料一次加工成聚合物制品，而且可通過改變原料化學結構、規格、品種等調節配方組合，制出各種性能和用途的終端制品，因此應用十分廣泛。

本文分別采用3種不同羥值和官能度的聚醚多元醇混配，與聚亞甲基聚苯基多異氰酸酯（PM－200）反應生成聚氨酯發泡材料，為改善其力學性能，采用納米SiO2和玄武巖纖維對聚氨酯發泡材料進行增強改性。通過添加納米SiO2，力求使納米相與聚氨酯相之間通過共價鍵等作用達到納米水平的復合，獲得納米雜化材料[1]，進而使復合材料的強度、韌性得到提高。通過添加具有高強度、高模量的玄武巖纖維，在復合材料中可以起到限制泡沫微裂紋的產生和發展的作用。本文探求了不同改性條件對復合材料沖擊性能的影響規律，得出了沖擊性能最好的改性條件。

1 實驗部分

1.1 主要原料

混合聚醚多元醇，工業級，廊坊全振化工有限公司；

PM－200，工業級，山東煙臺萬華聚氨酯股份有限公司；

催化劑，自制；

二甲基硅油，工業級，沈陽市華東試劑廠；

偶聯劑（KH－550），分析純，天津大茂試劑廠；

納米SiO2，分析純，天津市美宇化工有限公司；

短切玄武巖纖維，工業級，南京鋒暉復合材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

電子天平，FA2004N，上海精密科學儀器有限公司；

數顯恒溫水浴鍋，HH－4，常州國華電器有限公司；

電動定時攪拌器，JJ－1，江蘇國華儀器廠；

超聲震蕩器，KQ100B，承德試驗機有限責任公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG－9076A，長春第二試驗機有限責任公司；

紅外分析儀，WQF－200，北京第二光學儀器廠；

液壓萬能試驗機，WE－300，東莞市飛凌儀器有限公司。

1.3 樣品制備

實驗方案：采用4因素、4水平正交實驗進行研究，以異氰酸酯指數（即異氰酸酯與聚醚多元醇的當量比）、納米SiO2的添加量、玄武巖纖維的添加量、玄武巖纖維長度為實驗因素，每個因素設計4個水平；其中異氰酸酯指數分別為1.05、1.10、1.15、1.20；納米SiO2的添加量分別為2.0%（相對于聚醚多元醇的質量分數，下同）、3.0%、4.0%、5.0%；玄武巖纖維的添加量分別為3.0%、4.0%、5.0%、6.0%；纖維長度分別為2.0、3.0、4.0、5.0mm；以沖擊強度為性能指標，進行正交實驗研究，并與未增強試樣進行對比分析；

采用偶聯劑KH－550對玄武巖纖維進行表面改性，獲得改性玄武巖纖維，將納米SiO2和改性玄武巖纖維按照比例添加于混合聚醚多元醇中，采用超聲震蕩分散均勻后，依次添加消泡劑、催化劑、發泡劑等助劑，混合均勻，再與PM－200混合均勻，物料即將發白時倒入模具中發泡成型，待泡沫完全熟化后，室溫下進行性能測試。

1.4 性能測試與結構表征

按照GB/T 1446—2005測試樣品的沖擊性能，無缺口試樣，沖擊能50J；

按照GB/T 1041—1992測試樣品的壓縮性能，壓縮速率為10mm/min；

按照GB/T 1040—1992測試樣品的拉伸性能，拉伸速率為20mm/min。

2 結果與討論

2.1 正交實驗結果分析

由表1通過極差分析可知，各因素對沖擊強度的影響規律為：玄武巖纖維長度和玄武巖纖維添加量的影響最為主要，之后是異氰酸酯指數，影響最小的是納米SiO2的添加量。

表1 正交實驗數據處理結果Tab.1 Results of orthogonal experiment

2.2 異氰酸酯指數對沖擊性能的影響

由圖1可見，隨著異氰酸酯指數的增大，試樣的沖擊強度先呈下降趨勢，當異氰酸酯指數達到1.15時沖擊強度達到最小值，之后隨著異氰酸酯指數增大，沖擊強度有所提高。

圖1 異氰酸酯指數對固化物沖擊強度的影響Fig.1 Effect of isocyanate index on the impact strength of the cured materials

聚氨酯硬質泡沫的性能與異氰酸酯指數密切相關。3種聚醚多元醇與異氰酸酯反應過程中能夠形成交聯體系，同時異氰酸酯與少量水的反應也會產生交聯，2種交聯體系的產生均會對固化物性能產生影響[2]。交聯密度過大，固化物會脆性增加，使沖擊強度下降，從實驗結果可以確定異氰酸酯指數為1.05時沖擊強度最大。

2.3 納米SiO2添加量對沖擊性能的影響

由圖2可見，隨著納米SiO2添加量的增大，聚氨酯固化物的沖擊強度呈上升趨勢，在納米SiO2添加量為3%時達到最大，之后隨著添加量的增加沖擊強度呈下降趨勢。與未增強試樣的固化物相比，添加納米SiO2的固化物的沖擊強度提高更為明顯，說明添加納米SiO2具有增強作用，當納米SiO2的添加量為3.0%時沖擊強度最大。

2.4 玄武巖纖維添加量對沖擊性能的影響

圖2 納米SiO2添加量對固化物沖擊強度的影響Fig.2 Effect of contents of nano－SiO2on the impact strength of the cured materials

圖3 玄武巖纖維添加量對固化物沖擊強度的影響Fig.3 Effect of contents of basalt fiber on the impact strength of the cured material

由圖3可見，隨著玄武巖纖維用量的增加，聚氨酯固化物的沖擊強度呈下降趨勢。但與未增強的試樣相比還是有不同幅度的增加。這主要因為纖維含量較少時，玄武巖纖維呈單纖維分散在泡孔組合面平面內，而且纖維外部有包裹著的聚氨酯，這樣纖維像增強筋一樣起著支柱作用，可以有效減緩沖擊[3]；隨著纖維添加量的增加，纖維不易分散，導致密度分布不均勻，影響泡沫固化物的結構，使得耐沖擊性能下降。因此玄武巖纖維的添加量確定為3%。

2.5 玄武巖纖維長度對沖擊性能的影響

由圖4可見，隨著玄武巖纖維長度的增加，聚氨酯固化物的沖擊強度總體上呈升高的趨勢，當玄武巖纖維長度為5mm時沖擊強度達到最大值。纖維長度過短時，被聚氨酯包裹，只起填充作用，起不到良好的支柱作用；隨著纖維長度的增加，纖維的加入可以起到增強筋的作用，對提高沖擊強度更有幫助。

圖4 玄武巖纖維長度對固化物沖擊強度的影響Fig.4 Effect of length of basalt fiber on the impact strength of the cured material

根據前面分析，在最佳條件下所做的試樣性能也是比較好的，其沖擊強度和壓縮強度大幅度提高，拉伸強度也有一定幅度的提升，如表2所示。

表2 對比試樣數據Tab.2 Comparison of the best sample and the unreinforced sample

3 結論

（1）當異氰酸酯指數為1.05、納米SiO2的添加量為3.0%、玄武巖纖維的添加量為3.0%、纖維長度為5.0mm時，聚氨酯硬質泡沫材料的沖擊強度達到最佳值；

（2）各因素對沖擊強度的影響由大到小依次為玄武巖纖維長度、玄武巖纖維添加量、異氰酸酯指數、納米SiO2添加量。

[1] 張志華，吳廣明，沈 軍.革用聚氨酯/SiO2納米雜化材料的制備與物性研究[J].材料科學與工程學報，2003，21（4）：499－502.

[2] 張瑞英，梁成剛.納米改性聚氨酯硬泡的制備[J].內蒙古大學學報：自然科學版，2006，37（6）：719－721.

[3] 盧子興，鄒 波，李忠明，等.玻璃纖維束增強聚氨酯泡沫的拉壓力學性能[J].北京航空航天大學學報，2009，35（1）：36－39.

Influence of Modified Conditions on Impact Property of Polyurethane Rigid Foam

ZHOU Xiaoqian，ZHENG Guokuo，DU Juan，LU Yunting，HUANG Xin
（Institute of Material Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China）

Polyurethane rigid foam was prepared by introducing nano－SiO2and basalt fiber into polyurethane matrix.The effects of isocyanate index，contents of water，nano－SiO2and basalt fiber，length of basalt fiber on the impact property were studied.When the isocyanate index was 1.05，content of nano－SiO2was 3.0%，and content of 5.0mm basalt fiber was 3.0%，the best value of impact strength was obtained.

polyurethane；rigid foam；impact property；nano－silica；basalt fibre；modification

TQ323.8

B

1001－9278（2011）08－0066－03

2011－05－10

聯系人，zxq6558960＠126.com