增塑劑對(duì)有機(jī)玻璃性能的影響

劉超 杜斌 黃威 朱聰昊 趙維忠 杜尚鋒

（錦西化工研究院有限公司 葫蘆島 125000）

0 引言

有機(jī)玻璃具有良好的光學(xué)性能、力學(xué)性能和耐熱性能，除了在飛機(jī)上用作座艙蓋、風(fēng)擋和弦窗外，也用作汽車的風(fēng)擋和車窗、大型建筑的天窗（可以防破碎）、電視和雷達(dá)的屏幕、儀器和設(shè)備的防護(hù)罩、電器儀表的外殼、望遠(yuǎn)鏡和照相機(jī)上的光學(xué)鏡片等。目前在飛機(jī)上使用的有機(jī)玻璃主要有3種：第一種材料為純甲基丙烯酸甲酯的聚合物，用于飛機(jī)座艙蓋，具有良好的耐老化性能和耐候性能，但力學(xué)性能和抗銀紋性能一般；第二種為改性有機(jī)玻璃，通過加入交聯(lián)劑來提高有機(jī)玻璃的力學(xué)性能、抗銀紋性能和尺寸穩(wěn)定性，其綜合性能有了很大的提高；第三種為含氟有機(jī)玻璃，此為前蘇聯(lián)特有的品種，具有較高的維卡軟化溫度，用于制造高速戰(zhàn)斗機(jī)的前風(fēng)擋。

增塑劑是指添加到聚合物材料中能使聚合物塑性增加的物質(zhì)。增塑劑的加入可使聚合物大分子鏈之間的距離增大，減小分子間的相互作用力，分子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)容易，有利于鏈段運(yùn)動(dòng)，宏觀表現(xiàn)為聚合物的硬度、模量、維卡軟化溫度和脆化溫度下降，而斷裂伸長(zhǎng)率和柔韌性提高。

為了改善有機(jī)玻璃的加工性能和使用性能，本文研究了增塑劑的加入對(duì)有機(jī)玻璃熱變形溫度、熱松弛及沖擊強(qiáng)度等性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 性能測(cè)試

（1）熱變形溫度按GB/T 1634.2—2004 《塑料 負(fù)荷變形溫度的測(cè)定》測(cè)試［1］，試驗(yàn)設(shè)備為RV-300DW型維卡熱變形試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸見圖1。

圖1 熱變形溫度試樣（厚度為10 mm）

（2）熱松弛按HB 5369—1987《定向有機(jī)玻璃熱松弛試驗(yàn)方法》測(cè)試［2］，試驗(yàn)設(shè)備為401A型熱老化試驗(yàn)箱，試樣尺寸見圖2。

圖2 熱松弛試樣（厚度為16 mm）

（3）沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043—2008 《塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定》測(cè)試［3］，試驗(yàn)設(shè)備為XCJ-50型沖擊試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸見圖3。

圖3 沖擊強(qiáng)度試樣

1.2 試驗(yàn)條件

性能測(cè)試過程中，環(huán)境溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度為50%±5%；試樣在環(huán)境溫度下放置時(shí)間不少于4 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃熱變形溫度性能的影響

有機(jī)玻璃屬于熱塑性材料，在實(shí)際使用過程中，不僅要求在室溫下具有良好的力學(xué)性能，而且要求在較高溫度下也具有良好的力學(xué)性能［4］。因此，有機(jī)玻璃的熱變形溫度是其重要的性能指標(biāo)之一，對(duì)確定其成型加工溫度和使用溫度上限非常關(guān)鍵。

本文選用RV-300DW型維卡熱變形試驗(yàn)機(jī)來測(cè)定有機(jī)玻璃的熱變形溫度。首先測(cè)量試樣中點(diǎn)附近的高度和寬度，精確至0.01 mm。把試樣對(duì)稱地放在試樣支座上，高度為13 mm的一面垂直放置。將裝好試樣的支架放入試驗(yàn)機(jī)的保溫槽內(nèi)，保溫槽內(nèi)的溫度與室溫相同，且試樣應(yīng)置于液面35 mm以下。加上砝碼，使試樣產(chǎn)生的最大彎曲正應(yīng)力為18.1 MPa。開動(dòng)攪拌器，5 min后調(diào)節(jié)千分表，使之為零，開始以2 ℃/min的速率加熱升溫。當(dāng)試樣中點(diǎn)的變形量達(dá)到0.25 mm時(shí)，記錄此時(shí)的溫度，此溫度即為該試樣在相應(yīng)最大彎曲正應(yīng)力條件下的熱變形溫度。

增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃熱變形溫度的影響見表1、圖4。

表1 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃熱變形溫度的影響

圖4 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃熱變形溫度的影響

試驗(yàn)表明，在有機(jī)玻璃中加入增塑劑會(huì)降低其熱變形溫度。這是因?yàn)樵鏊軇┫魅趿擞袡C(jī)玻璃分子之間的次價(jià)鍵，增加了分子鏈的移動(dòng)性，受到外力時(shí)其更容易從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)。

2.2 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃熱松弛性能的影響

為了提高有機(jī)玻璃的綜合性能，通常在聚合完成后對(duì)其進(jìn)行雙軸定向拉伸。熱松弛是指定向有機(jī)玻璃受熱后試樣表面尺寸收縮的相對(duì)百分?jǐn)?shù)。首先用彈簧分規(guī)和刻針在試樣中心劃相互垂直的刻線，再劃直徑為（40±1）mm的圓，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量橫軸和縱軸圓的直徑。將試樣放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，升溫到110 ℃，恒溫6 h，恒溫結(jié)束后自然冷卻至室溫（不打開干燥箱），最后測(cè)量X軸和Y軸方向上圓的直徑，按下面的公式計(jì)算有機(jī)玻璃的熱松弛。

式中：R——熱松弛，%；

L0——X或Y方向上加熱前圓的直徑，mm；

Lx——X或Y方向上加熱后圓的直徑，mm。

分別計(jì)算X軸和Y軸方向上的熱松弛，將其平均值作為最終的測(cè)試結(jié)果。

增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃熱松弛的影響見表2、圖5。

表2 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃熱松弛的影響

圖5 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃熱松弛的影響

從表2和圖5中可以看出，有機(jī)玻璃的熱松弛隨著增塑劑含量的增加而大幅增加，試樣表面甚至出現(xiàn)翹曲。這是由于未加增塑劑的有機(jī)玻璃熱變形溫度為114 ℃，而鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)的溫度僅為110 ℃，試樣基本不會(huì)變形，因此其熱松弛很小，僅為1.0%，試樣表面平整。隨著增塑劑含量的增加，有機(jī)玻璃的熱變形溫度降低，在加熱過程中試樣發(fā)生變形，回彈收縮明顯，熱松弛大幅增加。

2.3 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃沖擊強(qiáng)度的影響

沖擊試驗(yàn)是用來評(píng)價(jià)材料在高速載荷狀態(tài)下的韌性或?qū)嗔训牡挚鼓芰Φ脑囼?yàn)。沖擊強(qiáng)度是有機(jī)玻璃一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它反映了有機(jī)玻璃抵抗高速?zèng)_擊而致破壞的能力［5］。

有機(jī)玻璃的沖擊試驗(yàn)采用簡(jiǎn)支梁型，試樣選用無缺口沖擊試樣。首先測(cè)量試樣中部的寬度和厚度，精確至0.02 mm。由于試樣厚度小于10 mm，因此需要在支撐塊后加上墊片，使試樣中部與擺錘的垂直線接觸。根據(jù)試樣破壞時(shí)所需的能量選擇相應(yīng)的擺錘，使消耗的能量在擺錘總能量的10%～85%范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)能量度盤指針零點(diǎn)，使它在擺錘處于起始位置時(shí)與主動(dòng)指針接觸。抬起并鎖住擺錘，把試樣按規(guī)定放置在兩支撐塊上，試樣支撐面緊貼在支撐塊上，將沖擊刀刃對(duì)準(zhǔn)試樣中心進(jìn)行沖擊。試樣斷裂時(shí)單位面積所消耗的沖擊功即沖擊強(qiáng)度，以kJ/m2來表示。

增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃沖擊強(qiáng)度的影響見表3、圖6。

表3 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃沖擊強(qiáng)度的影響

圖6 增塑劑含量對(duì)有機(jī)玻璃沖擊強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)表明，增塑劑的加入提高了有機(jī)玻璃的沖擊強(qiáng)度；當(dāng)增塑劑含量為1～2份時(shí)，有機(jī)玻璃的沖擊強(qiáng)度增幅較大；當(dāng)增塑劑含量超過2份時(shí)，有機(jī)玻璃的沖擊強(qiáng)度增幅較小。

3 結(jié)論

增塑劑的加入，降低了有機(jī)玻璃的熱變形溫度，增大了有機(jī)玻璃熱松弛，小幅提高了有機(jī)玻璃的沖擊強(qiáng)度。因此，通過添加增塑劑來對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行改性時(shí)，其用量不宜過多，建議用量為1～2份。

目前, 國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者在不斷努力, 通過多種方式來對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行改性，努力研發(fā)高性能有機(jī)玻璃，從而在一些高端領(lǐng)域打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷，也為企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。