王圣程 姜慧 張?jiān)品?祿利剛 鐘東南

(1.徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院 江蘇徐州 221018) (2.徐州賽孚瑞科高分子材料有限公司 江蘇徐州 221008) (3.滕州市華海新型保溫材料有限公司 山東滕州 277599)

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料以其優(yōu)良的絕熱性能和比強(qiáng)度,廣泛應(yīng)用于水利、交通、礦山及建筑保溫隔熱領(lǐng)域[1-2]。但硬質(zhì)聚氨酯泡沫易燃,并且煙氣會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,嚴(yán)重威脅人員的安全[3-4]。

為提高聚氨酯硬泡應(yīng)用的安全性,國(guó)內(nèi)外開展了大量關(guān)于可膨脹石墨(EG)改性聚氨酯硬泡阻燃性能的研究[5-7],但是EG在提高聚氨酯硬泡阻燃性能的同時(shí),會(huì)降低材料的力學(xué)性能。因此,提高EG改性聚氨酯硬泡的力學(xué)性能成為研究重點(diǎn)。通常可用玻璃纖維(GF)與空心玻璃微珠(HGM)增強(qiáng)聚合物的力學(xué)性能[8-9]。

本實(shí)驗(yàn)采用GF與HGM復(fù)配添加后,對(duì)EG改性聚氨酯硬泡力學(xué)性能增強(qiáng)效果進(jìn)行研究,以擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

多亞甲基多苯基異氰酸酯PM-400(NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～32%);聚醚多元醇TMN-350(羥值為350 mgKOH/g),天津石化公司第三石油化工廠;催化劑Polycat 12,美國(guó)空氣化工產(chǎn)品有限公司;發(fā)泡劑HFC-365mfc(沸點(diǎn)為40 ℃),美國(guó)霍尼韋爾公司;泡沫穩(wěn)定劑AK-8806,南京美思德化工有限公司;EG(膨脹不小于200倍),青島海達(dá)石墨有限公司;GF(長(zhǎng)度4～6 mm,直徑10 μm),南通海玻玻璃纖維有限公司;HGM(80～120目),上海正美亞化學(xué)品公司。以上原料均為工業(yè)級(jí)。

1.2 樣品的制備

采用一步法發(fā)泡工藝制備聚氨酯硬泡。常溫下將聚醚多元醇、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、去離子水、阻燃劑和力學(xué)性能改善劑(GF、HGM)等混合,用電動(dòng)攪拌器充分?jǐn)嚢杈鶆?制備A組分;然后將A組分與PM-400充分?jǐn)嚢?60 s后澆注到定制模具中;將制品從模具中取出,得到試驗(yàn)用聚氨酯樣品。A組分配方為聚醚多元醇90 g、催化劑0.5 g、發(fā)泡劑3.5 g、泡沫穩(wěn)定劑5 g、去離子水1 g、EG 10 g;B組分為PM-400 100 g。樣品E0為不含GF和HGM的EG改性聚氨酯硬泡,作為對(duì)比參照物;樣品GE1、GE2、GE3和GE4中GF添加量分別為5 g、10 g、15 g和20 g;樣品HGE1、HGE2、HGE3和HGE4中GF添加量均為10 g且HGM添加量分別為5 g、10 g、15 g和20 g。

1.3 主要試驗(yàn)儀器及測(cè)試方法

TAW-2000型電子萬能試驗(yàn)機(jī),長(zhǎng)春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司；CHT4000型壓縮剪切性能測(cè)試儀,深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司。

根據(jù)GB 8813—2008測(cè)試聚氨酯硬泡相對(duì)形變?yōu)?0%的壓縮強(qiáng)度,每組5個(gè)試樣,壓縮速率為2 mm/min,樣品尺寸為50 mm×100 mm×100 mm;根據(jù)GB/T 32382—2015測(cè)試聚氨酯硬泡的剪切性能,每組5個(gè)試樣,壓縮速率為1 mm/min,樣品尺寸為50 mm×30 mm×30 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 GF用量對(duì)EG改性PU硬泡力學(xué)性能的影響

本組研究考察了單獨(dú)添加GF的EG改性聚氨酯硬泡壓縮變形量對(duì)壓縮應(yīng)力的影響,并以樣品E0作為參照物,結(jié)果見圖1。

圖1 聚氨酯硬泡變形量對(duì)壓縮應(yīng)力的影響

由圖1可知,聚氨酯硬泡壓縮應(yīng)力隨壓縮尺寸變形量的增加先緩慢上升,此階段聚氨酯硬泡內(nèi)的孔隙逐漸被壓縮閉合而產(chǎn)生非線性變形,屬于材料的彈性階段;然后壓縮應(yīng)力隨變形尺寸呈線性增加,屬于線彈性階段。GE1、GE2、GE3和GE4的壓縮應(yīng)力較不含GF的樣品E0大幅度上升,其增長(zhǎng)率分別為60.9%、78.1%、68.7%和52.3%。

對(duì)樣品的壓縮應(yīng)力進(jìn)行分析,得出GF添加量對(duì)EG改性聚氨酯硬泡壓縮強(qiáng)度的影響,見圖2。

圖2 GF添加量對(duì)聚氨酯硬泡壓縮強(qiáng)度的影響

由圖2可知, EG改性聚氨酯硬泡的壓縮強(qiáng)度隨GF含量的增加先快速上升后緩慢下降。這是由于GF與EG均能被聚氨酯硬泡粘結(jié)和包裹,同時(shí)聚氨酯樹脂對(duì)GF具有較好的浸潤(rùn)性,GF較均勻地分布在基體中,有利于力學(xué)性能的增加,從而使聚氨酯硬泡的整體承載能力變強(qiáng),并且隨著添加量的增加而增加[4]。當(dāng)GF的添加量超過一定數(shù)值時(shí), GF團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重,分布不均勻,對(duì)力的傳遞不利,還會(huì)使材料的粘結(jié)性能變差,從而使硬泡力學(xué)性能降低。

對(duì)樣品E0、GE1、GE2、GE3和GE4進(jìn)行剪切試驗(yàn),考察添加GF的EG改性聚氨酯硬泡變形量對(duì)剪切應(yīng)力的影響,結(jié)果見圖3。

圖3 聚氨酯硬泡變形量對(duì)剪切應(yīng)力的影響

由圖3可知,聚氨酯硬泡的剪切應(yīng)力先緩慢增加,然后快速上升。在變形尺寸為5.0 mm時(shí),單獨(dú)EG改性聚氨酯硬泡樣品E0的剪切應(yīng)力峰值為1.41 kN。而另外添加GF的4個(gè)硬泡樣品GE1至GE4的剪切應(yīng)力在不小于5.0 mm的變形尺寸才能達(dá)到峰值,且均大于E0的剪切應(yīng)力。例如，樣品GE2的剪切應(yīng)力在變形尺寸為5.6 mm時(shí)達(dá)到峰值2.19 kN,比E0的剪切應(yīng)力峰值高55.3%。

對(duì)樣品的剪切應(yīng)力進(jìn)行分析,得出GF添加量對(duì)EG改性聚氨酯硬泡剪切強(qiáng)度的影響,見圖4。

圖4 GF添加量對(duì)聚氨酯硬泡剪切強(qiáng)度的影響

由圖4可知,聚氨酯硬泡的剪切強(qiáng)度隨GF添加量的增加先上升后下降。

綜合上述研究可知,添加GF能增強(qiáng)EG改性聚氨酯硬泡的力學(xué)性能,但添加量太多會(huì)影響其在聚氨酯硬泡中的均勻性,GF最佳添加量為10 g。

2.2 HGM與GF復(fù)配對(duì)硬泡力學(xué)性能的影響

EG和GF添加量均固定為10 g,考察HGM添加量對(duì)聚氨酯硬泡的壓縮強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度影響,樣品E0作為參照物,結(jié)果見圖5。

圖5 HGM添加量對(duì)EG改性聚氨酯硬泡力學(xué)性能的影響

由圖5可知,隨著HGM添加量增加,聚氨酯硬泡樣品HGE1至HGE4的壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均先增加后減少,HGM最佳添加量為5 g。這說明在一定范圍內(nèi)HGM和GF聯(lián)合使用,對(duì)聚氨酯硬泡有協(xié)同增強(qiáng)作用;當(dāng)HGM含量超過一定值后,硬泡力學(xué)性能降低,其原因與添加GF類似,當(dāng)填料過多時(shí),填料會(huì)出現(xiàn)“團(tuán)聚”現(xiàn)象,影響填料的分布,降低其承受外力的能力。

綜上所述,在適當(dāng)?shù)挠昧肯?添加GF和HGM均能提高EG改性聚氨酯硬泡的力學(xué)性能。另外,在最大程度提高力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,需控制聚氨酯硬泡的成本。

3 結(jié)論

(1)添加GF或HGM,均可提高EG改性聚氨酯硬泡的力學(xué)性能;隨著GF或HGM添加量的增加,EG改性聚氨酯硬泡的力學(xué)性能先增加后降低。

(2)采用GF與HGM添加量分別為10 g和5 g進(jìn)行復(fù)配后,所制備的EG改性聚氨酯硬泡的力學(xué)性能最佳。