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长径比不同的玻纤对硬质聚氨酯的形态结构和力学性能的影响

来源：爱go旅游网

・38・

塑料工业

CHINAPLASTICSINDUSTRY第37卷第1期

2009年1月

材料测试与应用

长径比不同的玻纤对硬质聚氨酯的

形态结构和力学性能的影响

许俊强,高伟斌,全学军,吴　永

(1.重庆工学院化学与生物工程学院,重庆400050;2.重庆工学院数理学院,重庆400050;3.高分子材料工程国家重点实验室(四川大学),四川大学高分子研究所,四川　成都610065)

　　摘要:采用一步法制备了玻纤增强硬质聚氨酯的复合材料(RPU),研究了不同长径比的玻纤对硬质聚氨酯力学性能的影响。结果表明,玻纤的长径比不同,其对RPU的增强效果差异显著。以长径比为20～40玻纤所制备的材料的拉伸强度为最大,当其质量分数为10%,拉伸强度为0180MPa,与未增强的材料相比提高了95%。当其质量分数为5%时,压缩强度增加了10%。SEM分析揭示样品的形貌呈球形泡孔。从拉伸端口的形貌可看出长径比为20～40玻纤受力痕迹明显,表明纤维本身的拉伸强度对于硬泡塑料的力学性能增强起了重要作用。

关键词:玻纤;硬质聚氨酯;力学性能;增强

中图分类号:TQ323118　　　文献标识码:B　　　文章编号:1005-5770(2009)01-0038-04

EffectofGlassFiberwithDifferentL/DRatioonMorphologyand

MechanicalPropertiesofRigidPolyurethane

XUJun2qiang,GAOWei2bin,QUANXue2jun,WUYong

(1.SchoolofChemical&BiologicalEng.,ChongqingInstituteofTechnology,Chongqing400050,China;

2.StateKeyLab.ofPolymerMaterialsEng.,PolymerResearchInstituteofSichuanUniversity,Chengdu610065,China;

3.SchoolofMathematics&Physics,Chongqinginstituteoftechnology,Chongqing400050,China)

Abstract:Glassfiberreinforcedrigidpolyurethane(RPU)compositewaspreparedbymeansofdirect

synthesis.Theeffectsoftheglassfiberswithdifferentlength/diameter(L/D)ratioonthemechanicalproper2tiesofRPUwerestudied.

TheresultsshoweddifferentL/Dratioofglassfiberhaddifferentreinforcingeffect

onRPU.WhentheL/Dratiooftheglassfiberwas20～40,thetensilestrengthofthepreparedcompositewasthehighest,andwhenthemassfractionoftheglassfiberwasis10%,thetensilestrengthwas0180MPa,whichwas95%higherthanthatofnon2reinforcedmaterial.Whenthemassfractionwas5%,thecom2pressionstrengthwasincreasedby10%.

TheSEMmicrographsclearlyrevealedthemorphologicalstructureofthefoamwasalmostperfectlysphericalinshape.Furthermore,thereinforcingfiber(L/Dratio20～40)

basedontensilefractographwithstoodobviousloading,whichshowedthetensilestrengthofthefiberitselfplayedanimportantroleinthereinforcementoftheRPUfoam.

Keywords:GlassFiber;RigidPolyurethane;MechanicalProperties;Reinforce

　　硬质聚氨酯材料(RPU)是一种用途非常广泛的高分子聚合物材料,其具有质轻、隔热保温性好、吸音及缓冲抗震性优良的特点;同时合成RPU的主要原料聚酯或聚醚多元醇结构多变,使其性能变化范围广泛,而且加工方式灵活,既可以自由发泡,又可以模塑成型,还可以现场喷涂,因此RPU在汽车、电子和化工等领域中早已得到应用

[1-4]

采用不同长径比的玻纤对硬质聚氨酯材料进行增强改性,并对其拉伸性能、压缩性能和结构形态进行研究。

1　实验部分

111　原料

多次甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI):异氰酸根含量30%,重庆东升聚氨酯有限公司;聚醚:羟值480mgKOH/g,重庆东升聚氨酯有限公司;玻纤1和

。采用玻纤作

为填料是目前国内外较常采用的一种增强手段,本文

3国家自然科学基金(50573095),重庆市自然科学基金(CSTC2008BB7334),重庆工学院基金(No:2007ZD14)

第37卷第1期许俊强等:长径比不同的玻纤对硬质聚氨酯的形态结构和力学性能的影响・39・

2:南京玻纤研究院提供;玻纤3:重庆国际复合材

对于长径比为5～10的玻纤,由于其直径小长度短,在加入后,当在拉伸载荷作用下,泡沫内的裂纹扩展,裂纹遇到玻纤终止、转向,直至最终玻纤被拔出、树脂被拉断破坏。对于长径比为3～6的玻纤,虽然其具有较长的长度,但是其过粗的纤丝可以导致其分散性差,在体系中容易结团、弯曲、造成局部应力集中,从而达不到理想增强效果;而长径比为20～40的玻纤,由于具有适宜的长度,导致其具有较优的增强性能。

料有限公司。

112　试样制备

将聚醚多元醇和玻纤材料混合均匀,作为A组分,再与PAPI(组分B)高速搅拌混合,观察有气泡产生,体系逐渐发白时,迅速将物料注入模具,经胀定后固化,脱模得到成品,即增强型硬质聚氨酯泡沫塑料。切片后进行观察。113　表征

样品的拉伸性能和压缩性能测试:按照GB/T2918—1998标准进行测试,样品在测试条件下(25℃)存放48h,然后根据标准采用CMT4204型微机控制电子万能试验机(深圳市新三思材料检测有限公司)进行样品的拉伸和压缩性能测试。样品的形貌分析:样品断面经真空喷金处理后采用JSM25900LV型(日本JEOL公司)型扫描电子显微镜进行样品的形貌分析。

2　结果与讨论

211　材料的拉伸性能

图1　不同长径比的玻纤增强的

硬质聚氨酯的拉伸性能

Fig1TensilepropertiesofRPUreinforcedby

glassfiberwithdifferentL/Dratio

1-未增强制备的RPU材料;2-长径比为5～10的纤维增强

不同长径比的玻纤增强硬质聚氨酯(RPU)的拉伸性能如图1和图2。从图中可以明显看出,少量的玻纤的添加可显著增强其拉伸性能,这主要是由于纤维在体系内可呈单根纤维、小束纤维及大束纤维等多种形态分布,单丝及小丝束可以成为泡沫结构的共同支柱而起增强作用。但玻纤的长径比不同,其增强效果差异显著。

[5-7]

文献报道纤维的加入使泡沫塑料的泡体形状局部发生改变,这种变化影响了泡沫塑料的拉伸性质。纯聚氨酯泡沫体在应力作用下,一旦泡体支柱断裂,与其相邻的泡壁也破裂,裂纹迅速延伸到邻近的泡体;而在纤维增强的泡沫体中,当裂纹扩展到纤维处时,由于纤维的存在,裂纹会终止和发生偏转,从而提高了产生裂纹的应力值。纤维增强时,纤维的拔

[8-9]

出破坏,存在一个临界纤维长度。因此,玻纤的长度是一个至关重要的因素。当纤维含量一样时,长径比为20～40的玻纤表现出了最优的增强性能。而

制备的RPU材料;3-长径比为20～40的纤维增强制备的

RPU材料;4-长径比为3～6的纤维增强制备的RPU材料

(本文图2的图例与此相同)

212　材料的压缩性能

不同长径比的玻纤增强硬质聚氨酯(RPU)的压缩性能如图2所示。由图2可见,长径比为20～40的玻纤可增强RPU的压缩性能,但其余两种玻纤的加入却降低了压缩强度。文献报道了纤维增强泡沫体在压缩破坏的原因,主要归因于泡沫结构的支柱弯曲、扭转变形引起泡壁破裂和支柱失稳,并导致材料的破坏。对于长径比为20～40的玻纤,其增强的原因可解释为在纤维增强泡沫塑料体系中,纤维贯穿若干个泡孔,使得纤维周围一定范围内的泡孔以纤维为核心,联成了一个较大的柱体,承受荷载时纤

[10-12]

・40・塑　料　工　业2009年　　

维的存在减少了树脂细杆及薄膜的弯曲扭转变形,相应提高了其破坏应力及模量。对于长径比为3～6的

玻纤,当其在RPU材料中的加入量越大,压缩强度越低。这主要归因于水拉丝处理得到的玻纤在泡孔中易呈束状分布,在受压缩时,纤维刺破泡孔,导致泡沫结构的支柱弯曲,扭转变形引起泡壁破裂和支柱失稳,从而导致材料的破坏。而对于长径比为5～10的玻纤来讲,由于纤维长度过短,导致增强作用不明显;但当加入量适中时,其在泡孔中的易成为小丝束分布,增强了材料的压缩性能;如果加入量过大,易成为束状分布,反而会降低其压缩性能。

共同支柱而起增强作用。

从图3b可看出未加玻纤的材料在拉伸后,泡孔出现了不规则的破裂的痕迹。从图3e可看出长径比为20～40玻纤贯穿胞体,或者是插入到间隙的树脂基体中充当应力传递的桥梁。拉伸后的样品中明显看

图2　不同长径比的玻纤增强硬质聚氨酯的压缩性能

Fig2　CompressionbehaviorofRPUreinforced

byglassfiberwithdifferentL/Dratio

213　材料的形态结构

玻纤增强型和未增强型RPU材料的SEM图见图3所示。从图3a可以看出,未添加玻纤的试样泡孔

主要以球型为主,椭圆形或者其他形状的泡孔较少,泡孔分布均匀。硬质聚氨酯泡沫塑料泡体是框架结构形式

[13]

,每个泡孔都是一个多面体,多面体的棱为

树脂细杆,多面体的面由树脂薄膜构成,树脂细杆与薄膜紧密相连,形成一个封闭的泡孔。两种玻纤增强的试样的泡孔也基本呈球形,但形貌中泡孔的均匀程

度有差异,玻纤2增强制备的RPU材料(图3d)要优于玻纤3增强制备的材料(图3g),且泡孔尺寸要略大于未增强型试样。图中可看出纤维进入RPU材料的体系中未呈束状分布,此玻纤可成为泡沫结构的

第37卷第1期许俊强等:长径比不同的玻纤对硬质聚氨酯的形态结构和力学性能的影响・41・

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i-经过压缩后玻纤3增强后的样品

图3　未增强的和两种玻纤增强的

硬质聚氨酯材料的SEM图

Fig3SEMphotosofnon2reinforcedRPUandRPU

reinforcedbytwodifferentglassfibers

出纤维受力痕迹明显,在较大的拉伸应力作用下,纤维或断裂,或挤压发生形变。然而添加长径比3～6的水拉丝纤维的材料(图3h)中表现出明显的纤维被拔出,表明纤维和基体之间发生分离。这一方面归于含偶联剂处理的硅烷拉丝纤维与基体的粘结性强,另一方面归于两种不同纤维的长径比,适宜的长径比有利于其在泡沫中的分布。

添加长径比为20～40玻纤后样品(图3f)在压缩后,泡孔明显的变形呈椭圆,即使破裂也是泡沫结构的支柱弯曲,扭转变形引起泡壁破裂和支柱失稳。而添加长径比3～6的水拉丝纤维的材料(图3i)在压缩后,出现了完全的破坏,表现为玻纤脱粘,泡孔塌陷。可能是由于玻纤团聚,成为缺陷,材料受外力作用时,易在此处引起应力集中而使泡体破坏。

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3　结论

1)长径比不同的玻纤增强硬质聚氨酯复合材料

的力学性能效果差异显著。

2)以长径比为20～40玻纤增强的力学性能最佳,当玻纤的质量分数为10%时,其增强材料的拉伸强度值为0180MPa,与未添加玻纤增强的材料相比提高了95%。在其质量分数为5%时,压缩强度增加了10%。

3)样品的SEM图表明其形貌呈现出球形泡孔,且分布较为均匀。但不同纤维增强的材料的形貌在拉伸和压缩后的形貌不同。从拉伸端口的形貌可看出长径比为20～40玻纤受力痕迹明显,表明纤维本身的拉伸强度对

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(本文于2008-09-28收到)

ComposSci

于硬泡塑料的力学性能增强起了重要作用。

参　考　文　献

[1]BLEDZKIAK,ZHANGWY,ANDRISC.Naturalfiber

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