KYAMPETETyty 劉賦瑤 傅雅琴

摘 要：為了提高紡織復合材料的抗沖擊性能和發(fā)泡材料的力學性能，制備了3D玻纖織物增強發(fā)泡聚氨酯復合材料。利用場發(fā)射掃描電鏡、擺錘沖擊儀和萬能材料試驗機，分析研究了外加不同發(fā)泡劑質量分數對發(fā)泡復合材料泡孔的微觀形貌和力學性能的影響。結果表明，當發(fā)泡劑質量分數為5%時，3D玻纖織物增強發(fā)泡聚氨酯復合材料的沖擊強度最大可達73.34 kJ/m2，同時壓縮強度和拉伸強度分別為5.24、28.1 MPa;隨著發(fā)泡劑質量分數增加，聚氨酯泡孔增大并且出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，復合材料密度也隨之下降，壓縮強度和拉伸強度均下降;復合材料中發(fā)泡劑質量分數為5%，能夠在滿足輕量化的情況下實現(xiàn)較高的抗沖擊性。

關鍵詞：發(fā)泡聚氨酯;3D玻纖織物;沖擊強度;壓縮強度

Abstract：To improve the impact resistance of textile composites and the mechanical properties of foaming materials， a three-dimensional glass fabric reinforced foamed polyurethane composite was prepared in this study. The effect of the content of foaming agent on the microstructure and mechanical properties of the composites was analyzed and studied with field emission scanning electron microscopy， pendulum impactor and universal material testing machine. The results show that when the foaming agent content is 5%， the impact strength of three-dimensional glass fabric reinforced foamed polyurethane composite can reach 73.34 kJ/m2， and the compressive strength and tensile strength are 5.24 and 28.1 MPa respectively. The polyurethane cells enlarge and become nonuniform as the foaming agent content increases， the composite density decreases， and both the compressive strength and tensile strength decrease. When the content of foaming agent in the composite is 5%， a high impact resistance can be achieved under the condition of light weight.

Key words：foamed polyurethane; three-dimensional glass fabric; impact strength; compressive strength

玻纖織物增強熱固性樹脂復合材料近年來得到迅速發(fā)展，并在航空航天、汽車、建筑、體育等領域的應用日益廣泛[1-3]。傳統(tǒng)玻纖織物增強熱固性樹脂復合材料是將單層或多層玻纖布經樹脂浸漬后定型固化而成，其基體樹脂主要包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯等材料[4]，雖然具有高比強度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性，但隨著環(huán)保節(jié)能以及輕量化發(fā)展，無法滿足一些特殊領域材質既輕又抗沖擊的要求。另一方面，現(xiàn)有發(fā)泡材料的力學強度相對較弱[5]，需要進一步提升性能。

3D玻纖織物（Three-dimensional glass fabric，TGF）是將玻纖紗用特制織機經形成芯部的Z向纖維將上下兩個表層交織成一體的中空立體纖維布，表面平滑，所得制品強度高，剛性好，受到沖擊時，芯層也不會脫層，同時具有質輕、抗沖擊、隔音、隔熱、減振吸能等優(yōu)點[6-7]。

而發(fā)泡聚氨酯（Polyurethane，PU）塑料是一種高性能輕量化材料，不僅具有隔熱、吸聲、抗震等性能，同時具有重量輕、比強度高、尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點[8-9]，可用于交通工具的輕量化承載結構件。但作為結構材料使用，其強度、剛度、抗沖擊等力學性能尚不足。

為了提高紡織復合材料的抗沖擊性能和發(fā)泡材料的力學性能，本研究利用3D玻纖增強發(fā)泡聚氨酯（Three-dimensional glass fabric reinforced polyurethane，TGFRPU）制備一種全新的復合材料，賦予其高抗沖擊、高機械強度和高微孔率等特性，同時具有重量輕和尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點。成型工藝簡單、生產效率高、制品外形美觀，因此可用于建筑裝修、物流中的緩沖包裝材料以及家具制造材料等領域。

1 實 驗

1.1 實驗材料

3D玻纖織物（BP-3D，表觀厚度5 mm，平方米質量830 g/m2，南京百朋紡織材料有限公司），聚氨酯（MDI黑料，白料，廣州市宏納化工有限公司），勻泡劑（硅油L580，邁圖，廣州市宏納化工有限公司），發(fā)泡劑（環(huán)戊烷，分析純，濃度98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 玻纖織物增強發(fā)泡聚氨酯材料制備

首先分別稱取聚氨酯白料和黑料各25 g一起加入燒杯中，再加入1 g勻泡劑，在30 ℃下充分攪拌5 min混勻，之后加入質量分數分別為5%、10%、15%和20%的發(fā)泡劑環(huán)戊烷，攪拌均勻得到未發(fā)泡的聚氨酯待用。裁剪一塊25 cm×25 cm的3D玻纖織物放入不銹鋼模具中，將混合好的未發(fā)泡聚氨酯澆注到模具（25 cm×25 cm×1 cm）中，用壓輥反復涂覆樹脂使其充分浸漬玻纖布，用不銹剛薄板蓋住模具合模（使成型后的復合材料厚度控制在1 cm），四角用G型夾固定（多余的樹脂可以向四周溢出），將模具在室溫放置1 h，然后放入烘箱75 ℃下熟化發(fā)泡45 min，開模取出泡體得到TGFRPU復合材料。該發(fā)泡復合材料中，玻璃纖維的實際體積分數約為3.3%。

1.3 性能測試

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，卡爾蔡司Vltra 55型）觀察TGFRPU試樣斷面形貌，裁取小塊試樣，將切斷面朝上粘在SEM樣品臺側面，鍍金后，在電子顯微鏡下進行觀察。

采用懸臂梁沖擊試驗機（Instron 7614000型）對TGFRPU試樣進行簡支梁無缺口沖擊試驗。參照GB/T 1451-2005《纖維增強塑料簡支梁式沖擊韌性試驗方法》，將制備的復合材料試樣裁剪為10 cm×2 cm×1 cm的長條狀進行測試。

采用萬能材料試驗機（Instron 3367型）對TGFRPU試樣進行壓縮和拉伸測試，將制備的復合材料試樣裁剪成10 cm×2 cm×1 cm的長條狀，參照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行拉伸強度測試，拉伸速率為2 mm/min。將制備的復合材料試樣裁剪成2 cm×2 cm×1 cm的方塊狀，參照GB/T 1448—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行壓縮強度測試，壓縮速率為2 mm/min。

2 結果與討論

2.1 發(fā)泡劑質量分數對復合材料形貌的影響

圖1為TGFRPU復合材料制備照片，圖1（a）中成型模具為不銹鋼中空框，上下兩面用厚度2 mm鋼板蓋住，并用G型夾將四角固定。圖1（b）為復合材料板，圖1（c）為板材斷面，復合材料為典型三明治夾心結構，芯材為3D玻纖織物增強發(fā)泡聚氨酯，上下兩層為純聚氨酯泡沫。

圖2顯示的是不同發(fā)泡劑質量分數對TGFRPU復合材料橫斷面微觀形貌的影響情況。未加入發(fā)泡劑時，復合材料泡孔小而且相對密實，其中的泡孔是由聚氨酯（黑料）基料中自帶的發(fā)泡劑形成的。隨著外加入發(fā)泡劑質量分數由5%增加到20%時，泡孔逐漸變大且疏松，特別是當加入發(fā)泡劑的質量分數達到15%和20%時，泡孔缺陷增多。發(fā)泡劑在聚氨酯泡沫塑料的發(fā)泡過程中，利用聚醚多元醇和異氰酸酯反應放出的熱量加熱發(fā)泡劑，發(fā)泡劑遇熱汽化產生發(fā)泡作用。用聚醚多元醇和異氰酸酯反應放熱，當溫度達到49 ℃（環(huán)戊烷沸點）以上時，環(huán)戊烷即汽化，起發(fā)泡作用，當環(huán)戊烷含量過大時，一部分殘留在泡孔中，一部分溢出，出現(xiàn)了大量不規(guī)則孔和塌孔現(xiàn)象。

2.2 發(fā)泡劑質量分數對復合材料沖擊強度的影響

圖3為TGFRPU復合材料試樣簡支梁無缺口沖擊強度測試結果，未加發(fā)泡劑的復合板沖擊強度為56.37 kJ/m2，而加入發(fā)泡劑質量分數為5%時復合材料的沖擊強度可達73.34 kJ/m2，相比未加發(fā)泡劑的復合材料沖擊強度增加30%，3D玻纖織物的高韌性和發(fā)泡聚氨酯的高強度使得復合材料對沖擊能的吸收能力大大提高，而隨著發(fā)泡劑質量分數的增加復合材料抗沖擊強度有所下降，分別達到58.26、61.39 kJ/m2和48.04 kJ/m2，相比未外加發(fā)泡劑的復合材料沖擊強度提高不明顯，這是因為隨著發(fā)泡劑質量分數增加，發(fā)泡聚氨酯樹脂泡孔變大，復合材料密度下降。如圖4中，未外加發(fā)泡劑的復合材料密度為0.59 g/cm3，隨著發(fā)泡劑質量分數增加，復合材料密度逐漸減小，當發(fā)泡劑質量分數增加至15%和20%時，材料密度分別為0.51 g/cm3和0.39 g/cm3，下降14.6%和33.5%，但與此同時，材料抗沖擊強度下降較小，能夠滿足輕質抗沖擊的要求[8，10-11]。

2.3 發(fā)泡劑質量分數對復合材料壓縮強度的影響

圖5為TGFRPU復合材料試樣壓縮強度測試結果，圖6為代表性TGFRPU復合材料試樣壓縮應力-應變曲線。壓縮強度取壓縮應力-應變曲線上第一個峰值，未加發(fā)泡劑的復合板壓縮強度為7.82 MPa，而加入發(fā)泡劑質量分數為5%時復合材料的壓縮強度下降為5.24 MPa，相比未加發(fā)泡劑的復合材料壓縮強度下降33%，而隨著發(fā)泡劑含量的進一步增加復合材料壓縮強度進一步下降，發(fā)泡劑質量分數在10%、15%、20%時，壓縮強度幾乎沒有變化，壓縮強度分別為2.15、2.68 MPa和2.52 MPa，相比未加發(fā)泡劑的復合材料沖擊強度下降約66%～73%。從圖4復合材料密度變化也可以看出，發(fā)泡劑質量分數在超過10%時復合材料密度變化不明顯。綜合來看，發(fā)泡劑含量增加會降低復合材料壓縮強度，但材料密度也會下降，使得材料滿足輕量化要求，在不過度降低壓縮強度的情況下，取發(fā)泡劑質量分數為5%時，既能滿足輕量化需求，又能滿足材料強度使用要求[12]。

圖7為代表性TGFRPU復合材料壓縮過程中的應力變化狀態(tài)。從圖7中可見，復合材料為典型的三明治夾心結構，上下兩層為純聚氨酯泡沫層，中間層泡沫與織物復合層。壓縮過程可分為Ⅰ、Ⅱ兩個階段，分別對應復合材料純泡沫層和玻纖織物增強發(fā)泡聚氨酯復合層壓縮過程。在Ⅰ階段壓縮過程中，隨著壓縮應變的增加，壓縮載荷不斷升高直到達到峰值，然后隨應變增加載荷下降，其對應過程是純聚氨酯泡沫中閉孔泡由充盈到壓扁直至發(fā)生破裂，這是壓縮強度在達到峰值后突然下降的原因[13]。在第Ⅱ階段壓縮過程中，主承力結構為3D立體玻纖織物，聚氨酯泡沫填充其中，在較小的壓縮應變內（15%）壓縮載荷迅速升高，由于傳感器最大有效載荷為5 kN，所以在達到最大載荷前終止壓縮測試。由第Ⅰ、Ⅱ兩個階段分析可知，TGFRPU復合材料抗壓縮性能要高于單純聚氨酯泡沫，當復合材料承受外界載荷時，外層聚氨酯泡沫能夠通過大應變提供緩沖壓力，當遇到大的外界載荷時，中間芯層作為主承力結構發(fā)揮作用[14-15]。

2.4 發(fā)泡劑質量分數對復合材料拉伸強度的影響

圖8為TGFRPU復合材料試樣拉伸強度測試結果，未加發(fā)泡劑的復合板拉伸強度為30.5 MPa，基本與復合材料計算的理論強度相一致;當發(fā)泡劑質量分數為5%時復合材料的拉伸強度為28.1 MPa，相比未加發(fā)泡劑的復合材料沖擊強度下降7.8%，而隨著發(fā)泡劑質量分數的增加復合材料拉伸強度有所下降，分別為26.9、25.7 MPa和23.5 MPa，當發(fā)泡劑質量分數為10%和15%時，復合材料拉伸強度下降較小，而當發(fā)泡劑質量分數為20%時，拉伸強度下降最大為22.8%。圖9為代表性TGFRPU復合材料試樣拉伸應力-應變曲線。在拉伸過程中，復合材料拉伸應力隨應變增大而增大，同時伴隨輕微的波折峰，這是3D玻纖織物局部發(fā)生撕裂所致。在復合材料中芯材3D立體玻纖織物作為主承力結構，聚氨酯泡沫對材料拉伸性能影響較小[16-17]。

3 結 論

a）發(fā)泡劑對TGFRPU復合材料的沖擊強度有明顯影響，當發(fā)泡劑質量分數為5%時，沖擊強度最大可達73.3 kJ/m2，比未加發(fā)泡劑的復合材料提高了30%。

b）隨著發(fā)泡劑質量分數的增加，TGFRPU復合材料密度、壓縮強度和拉伸強度逐漸下降，當發(fā)泡劑質量分數為20%時，拉伸強度最低為23.5 MPa，但仍顯示出玻璃纖維織物的承載作用。

c）TGFRPU復合材料壓縮過程可分為Ⅰ、Ⅱ兩個階段，分別對應復合材料純泡沫層和玻纖織物增強發(fā)泡聚氨酯復合層壓縮過程，TGFRPU復合材料抗壓縮性能要高于單純聚氨酯泡沫。

d）復合材料中發(fā)泡劑質量分數為5%時，復合材料沖擊強度最高，同時密度、壓縮強度和拉伸強度下降較小，能夠在滿足輕量化的情況下實現(xiàn)較高的抗沖擊性和一定抗壓縮性。

參考文獻：

[1] SHAFIGULLIN L N， ASTRASHCHENKO V I， ROMANOVA N V， et al. Investigation of physical-mechanical and performance properties of glass fiber reinforced polyurethane materials used in the machine building industry[C]. Proceedings of the Materials Science and Engineering Conference Series， 2017，100（31）：20-30.

[2] MATTOS H S D C， REIS J M L， PAIM L M， et al. Analysis of a glass fibre reinforced polyurethane composite repair system for corroded pipelines at elevated temperatures[J]. Composite Structures， 2014，114（18）：117-123.

[3] LU J， WANG Z. Mechanical properties of continuous glass fiber reinforced polyurethane composites [J]. Engineering Plastics Application， 2017，114（18）：206-209.

[4] 宋傳江，王虎.玻璃纖維增強復合材料工程化應用進展[J].中國塑料，2015，29（3）：9-15.

[5] 夏碧華，徐文強，王珂，等.交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料的研究進展[J].中國塑料，2019，33（3）：128-135.

[6] SONG G. The study of knitting techniques and structural property of 3D weft-knitted space fabric from glass-fibre[J]. Journal of Textile Research， 2002，23（4）：14-16.

[7] HUFENBACH W， BOHM R， THIEME M， et al. Polypropylene/glass fibre 3D-textile reinforced composites for automotive applications[J]. Materials & Design， 2011，32（3）：1468-1476.

[8] SAINT-MICHEL F， CHAZEAU L， CAVAILL J Y， et al. Mechanical properties of high density polyurethane foams： I. Effect of the density[J]. Composites Science & Technology， 2006，66（15）：2700-2708.

[9] SAHA M C， KABIR M E， JEELANI S. Enhancement in thermal and mechanical properties of polyurethane oam infused with nanoparticles[J]. Materials Science & Engineering A， 2008，479（1）：213-222.

[10] 張丹丹，孫耀寧，王雅.多軸向玻璃纖維增強樹脂基復合材料的破壞特性和損傷機制[J].復合材料學報，2017，34（2）：381-388.

[11] WATERMAN N R， PHILLIPS P J. The mechanical properties of high-density rigid polyurethane foams in compression： II. Yield behavior[J]. Polymer Engineering & Science， 2010，14（1）：72-75.

[12] ZHANG Y. Characterization of the compressive and fracture behavior， as well as the residual tensile strength of a polyurethane foam[J]. Dissertations & Theses-Gradworks， 2007，279（1）：113-122.

[13] 樊子硯，方海，莊勇，等.格構腹板增強泡沫夾芯復合材料準靜態(tài)壓縮吸能試驗[J].玻璃鋼/復合材料，2017，33（1）：5-10.

[14] 鮑錚，劉鈞，張鑒煒，等.硬質聚氨酯泡沫壓縮性能增強研究進展[J].工程塑料應用，2016，44（8）：124-128.

[15] 趙慶波，趙春麗，馮曼，等.連續(xù)玻纖增強聚氨酯樹脂復合材料制備及性能研究[J].聚氨酯工業(yè)，2016，31（3）：5-9.

[16] SETYAWAN P D， SUGIMAN， SAPUTRA Y. Characterization of compressive and short beam shear strength of bamboo opened cell foam core sandwich composites[C]. Proceedings of the Sustainable Energy & Advanced Materials， 2016，331（3）：1001-1007.

[17] 陳浩，王璐，劉偉慶，等.溫度-荷載作用下玻璃纖維增強塑料-泡沫夾層結構Ⅰ型斷裂韌性分析[J].南京工業(yè)大學學報（自科版），2017，39（1）：93-99.