陳 豐，張 華，夏顯明

（安徽科技學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院，蚌埠233100）

0 引 言

以熱固性聚氨酯為基體制備的聚氨酯泡沫復(fù)合材料除具有密度小、保溫、隔聲及緩沖抗震等特點(diǎn)外，還具有優(yōu)異的拉伸性能、抗沖擊性、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性，且成型性能良好、固化速度快等，特別適合于制造汽車零部件，如皮卡箱、車底板、內(nèi)門板等［1］。根據(jù)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維長度的不同，可分為短纖維增強(qiáng)和長纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料，但關(guān)于纖維長度的界定還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為平均長度在12mm以下的為短纖維，大于12mm的為長纖維。短纖維的增強(qiáng)效果通常不如長纖維的，特別是在力學(xué)性能（如沖擊性能）和尺寸穩(wěn)定性方面較差，一般不用作主要承載件。

纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫復(fù)合材料的常用制備方法有結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型、噴射成型、拉擠成型、纏繞成型和長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型等［1］。沖擊載荷是工程上經(jīng)常遭受的載荷形式之一，因此，復(fù)合材料在沖擊性能也一直是人們研究的重點(diǎn)。目前國內(nèi)外對短纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫復(fù)合材料的沖擊性能研究已有許多報(bào)道，研究了纖維長度、纖維體積分?jǐn)?shù)和基體密度對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響，提出纖維和基體間的粘結(jié)強(qiáng)度是提高復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的關(guān)鍵因素［2－4］。長 纖 維 增 強(qiáng) 反 應(yīng) 注 射 成 型 （簡 稱 LFRRIM）是近年來在短纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型和結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型基礎(chǔ)上成功開發(fā)的一種新型復(fù)合材料成型工藝［5］，這種技術(shù)尤其適合于制造大型薄壁復(fù)雜車輛內(nèi)外飾件［6］。國內(nèi)外學(xué)者對增強(qiáng)反應(yīng)注射成型工藝及設(shè)備進(jìn)行了研究［7－11］，并取得了一些有益的成果，但是LFR－RIM制品質(zhì)量和工藝參數(shù)之間存在非線性、強(qiáng)耦合性和時(shí)變性的關(guān)系，難以獲得精確的系統(tǒng)模型［12］。實(shí)際生產(chǎn)中往往采用試錯(cuò)法來確定工藝參數(shù)，浪費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力。為解決此問題，作者采用正交試驗(yàn)法，利用實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備制備試樣，確定了對長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型制品沖擊性能影響顯著的工藝參數(shù)，分析了這些工藝參數(shù)對制品沖擊性能的影響，并提出了適合于實(shí)際生產(chǎn)的最優(yōu)工藝參數(shù)，為長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型生產(chǎn)復(fù)合材料汽車內(nèi)外飾件提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

可變纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型技術(shù)的重要特征是L型混合頭的引入，在微機(jī)控制的混合頭上的纖維切斷機(jī)把纖維切成規(guī)定長度（12.5～100mm，增量為12.5mm），同時(shí)，聚氨酯高壓計(jì)量機(jī)把活性聚氨酯組分（多元醇、異氰酸酯）送到混合頭，并在此浸透切短的玻璃纖維。然后，機(jī)械手把混合頭抬至模具上方，把混合料精確地注入加熱模具的底腔。注料完畢后，模具關(guān)閉并加壓，固化后，制品就可脫模。LFR－RIM工藝過程主要包括原液的貯存和計(jì)量、物料均勻混合、開模澆注、合模充型、冷卻固化、脫模、修飾和后熟化等工序，其中最重要的工序就是物料混合，纖維、物料在混合室混合，物料混合的均勻性決定了復(fù)合材料制品的性能。

試驗(yàn)原料有A料即聚醚多元醇（平均官能度4左右）；復(fù)配延遲催化劑YC－1為0.8質(zhì)量份；純水為0.6～1.0質(zhì)量份；物理發(fā)泡劑為5～8質(zhì)量份；泡沫穩(wěn)定劑B8870為1.0～2.0質(zhì)量份。B料即改性異氰酸酯（指數(shù)為1.05～1.15）。A料和B料的配比見表1，以上原料均由黎明化工研究院提供。玻璃纖維（GF）的直徑20μm，表面處理用409浸潤劑（主要成分為KH550、KH570等），多股并股使用，由南京玻璃纖維研究院提供。

試驗(yàn)用Krauss－Maffei公司生產(chǎn)的LFI聚氨酯長玻璃纖維增強(qiáng)注射成型成套加工設(shè)備開模澆注鋁模（模內(nèi)腔尺寸為400mm×250mm×4mm，可通循環(huán)水控制模具的溫度）。具體過程為把鋁模安裝在壓力機(jī)上，利用可控溫循環(huán)水調(diào)節(jié)模具溫度，選用雙向拉伸聚丙烯薄膜作為模具和制品的脫模材料，利用長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型專用設(shè)備進(jìn)行澆注，在模時(shí)間達(dá)到要求后開模，取出制品，去除薄膜，將制品在溫度為20℃、相對濕度為60%的空氣中平放24h，然后在80℃烘箱中熟化2h，最后再在溫度為20℃、相對濕度為60%的空氣中平放24h。試樣制備過程中的鎖模力約100kPa、注料時(shí)間約10s。

通過對生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)工藝參數(shù)的調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，纖維含量、纖維長度、模內(nèi)溫度、混合料溫、在模時(shí)間和物料配比等工藝參數(shù)對制品的力學(xué)性能、表觀質(zhì)量和內(nèi)部微觀缺陷有較大影響，所以，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際確定表1所示的試驗(yàn)因素水平。長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型工藝方案采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案L25（65），其因素水平見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB／T 1451－2005制備尺寸為120mm×10mm×4mm的缺口沖擊試樣，用XJU－22J型數(shù)顯式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊強(qiáng)度的測試，跨距70mm，室溫，沖擊速度為3.8m·s－1。利用JSM－6300型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口微觀形貌。由于纖維取向和聚氨酯流動方向?qū)?fù)合材料沖擊強(qiáng)度有較大影響，而長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型工藝中纖維與聚氨酯基料在混合頭內(nèi)部可以充分混合，纖維呈準(zhǔn)隨機(jī)取向，沿流動方向成0～45°取向角，為了保證沖擊強(qiáng)度的一致性，試樣沿發(fā)泡方向按標(biāo)準(zhǔn)裁剪，擺錘沖擊方向垂直于發(fā)泡方向，取5次試驗(yàn)的平均值。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Experimental levels and factors

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖擊強(qiáng)度的極差和方差

對不同試驗(yàn)條件下復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度進(jìn)行極差和方差分析，結(jié)果如表2和表3［α為顯著性概率，F(xiàn)0.05（4 100）＝2.00］所示。結(jié)果表明，纖維含量、混合料溫、在模時(shí)間和物料配比均對長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度有顯著影響，模具溫度和纖維長度對沖擊強(qiáng)度的影響均不顯著。通過分析可知纖維含量的F值最大，說明纖維含量是影響復(fù)合材料性能的最主要因素，其原因在于長纖維增強(qiáng)泡沫復(fù)合材料體系中，纖維貫穿若干個(gè)泡孔，使得纖維軸向一定范圍內(nèi)的泡孔以纖維為核心，聯(lián)成了一個(gè)較大的柱體，受載時(shí)纖維的存在減少了樹脂細(xì)桿及薄膜的彎曲扭轉(zhuǎn)變形，相應(yīng)提高了其破壞應(yīng)力及模量。雖然纖維長度對沖擊強(qiáng)度影響不顯著，但若纖維過短，在外力作用下容易與基體脫膠，增強(qiáng)效果變差；若纖維過長，其分散性差，在體系中容易結(jié)團(tuán)、彎曲，造成局部應(yīng)力集中，從而達(dá)不到理想的增強(qiáng)效果。基于復(fù)合材料沖擊性能得到長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型最佳工藝為C4D5E1F2G4H3，即纖維含量為25%，纖維長度為25mm，模具溫度為45℃，混合料溫為50℃，在模時(shí)間為12min，物料質(zhì)量比為1∶1.80。

2.2 沖擊性能及微觀結(jié)構(gòu)

2.2.1 沖擊性能

由表4可知，在纖維長度一定的情況下，隨著纖維含量的增多，復(fù)合材料密度的相應(yīng)增大，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，纖維長度為12.5mm和25mm時(shí)表現(xiàn)最為明顯，但纖維長度達(dá)到50mm時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度較為離散，規(guī)律不明顯；在同一纖維含量下，隨著纖維長度的增大，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度也總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，但當(dāng)纖維含量較高（大于30%）、長度較長時(shí)（大于25mm）時(shí)，由于纖維分布不均，發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定。結(jié)果表明采用可變纖維注入及新型物料混合裝置可以提高預(yù)混料與纖維的混合效果，使最佳纖維長度大大增長（在多種聚氨酯材料中，一般認(rèn) 為 纖 維 長 度 12mm 為 最 佳［13］），達(dá) 到 了25mm，更加有效地提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。其中纖維含量、復(fù)合材料密度等影響因素與文獻(xiàn)［2－4］研究結(jié)果總體一致，但纖維長度對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響效果有所不同。

2.2.2 沖擊斷口形貌

由圖1可以看出，最佳工藝條件下復(fù)合材料的沖擊斷口中長纖維從基體中拔出，且拔出的距離較長，留有基體的碎塊。纖維表面有基體帶出，說明纖維與基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度較好，纖維束集體斷裂，表面比較光滑，為脆性斷裂。由于硅烷偶聯(lián)劑的加入顯著改善了復(fù)合材料界面結(jié)合效果。

2.2.3 微觀缺陷

由于界面反應(yīng)產(chǎn)生的脆性相、雜質(zhì)以及制備工藝等因素的影響，在復(fù)合材料中極易出現(xiàn)各種微觀缺陷，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型制備的復(fù)合材料由于纖維含量高、長度長，同時(shí)纖維呈束狀分布，纖維與聚氨酯之間的界面反應(yīng)等原因，產(chǎn)生了大量的微觀缺陷，這些缺陷影響了復(fù)合材料的沖擊性能。圖2（a）中箭頭所示的大型泡孔，直徑達(dá)到230μm，內(nèi)壁光滑，這樣的泡孔容易導(dǎo)致孔壁的變形和撕裂，使材料發(fā)生脆斷；圖2（b）中有部分泡孔壁塌陷，泡孔相連通，從而導(dǎo)致泡孔壁支柱剛度降低，給裂紋的發(fā)展提供了便利，同時(shí)纖維呈大束團(tuán)聚，分布不均，影響了增強(qiáng)效果；圖2（c）中出現(xiàn)了泡孔的變形，這可能與纖維的加入有關(guān)，但其沖擊斷面可以看到水流狀波紋，說明復(fù)合材料脆性斷裂的同時(shí)伴隨有塑性破壞；圖2（d）中纖維與纖維搭接區(qū)出現(xiàn)了貧樹脂的空洞，這樣的區(qū)域不能承受外來的載荷，被稱之為“弱化區(qū)”，在復(fù)合材料成型工藝過程中適當(dāng)提高物料的溫度，降低其黏度，增加模內(nèi)壓力，促進(jìn)液態(tài)聚氨酯加速流動和充模，可以減小或消除“弱化區(qū)”。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiment

表3 沖擊強(qiáng)度方差分析Tab.3 Variance analysis of impact strength

表4 纖維含量、纖維長度和復(fù)合材料密度對沖擊強(qiáng)度的影響Tab.4 Effects of fiber content，fiber length and composite density on impact strength of composites

3 結(jié) 論

（1）運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得到反應(yīng)注射成型長玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫復(fù)合材料的最佳工藝條件為纖維含量25%、纖維長度25mm、模具溫度45℃、混合料溫50℃、在模時(shí)間12min、A料與B料質(zhì)量比1∶1.80。

（2）在長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型中，纖維含量、混合料溫、在模時(shí)間和物料配比均對長玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度有顯著影響，模具溫度和纖維長度的影響不顯著；在纖維長度一定的情況下，隨著纖維含量增加復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，但纖維含量較高、長度較長時(shí)復(fù)合材料沖擊性能不穩(wěn)定，較為離散，不利于材料的制備。

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