陸波 姜可健 徐洲彤 胡軍

(沈陽化工大學材料科學與工程學院 遼寧沈陽 110142)

聚氨酯泡沫塑料具有多孔結構,相對密度小,比強度高,密度在400～600 kg/m3的中高密度硬質聚氨酯泡沫塑料主要作為仿木材料,常用于家具的生產和制造[1-2]。由高官能度的硬泡聚醚多元醇合成的聚氨酯硬泡,其脆性是由高交聯(lián)密度所致。含有羥基的蓖麻油可用于聚氨酯的合成,其官能度接近3[3-4],遠低于硬泡聚醚多元醇的官能度,具有長柔性鏈的特點,可以用于改善聚氨酯硬泡的脆性。

硅灰石(CaSiO3)是一種三斜晶系細板狀晶體,集合體呈放射狀或纖維狀,發(fā)育的晶體多為長柱狀或針狀晶形,是天然產出的偏硅酸鈣礦物。硅灰石粉末用作反應注射成型聚氨酯、聚氨酯硬泡等的填料,可有效增強復合材料的尺寸穩(wěn)定性。但硅灰石的過量填充會降低材料的拉伸強度[5-6]。

本研究以硅灰石為聚氨酯硬泡的填料,討論了蓖麻油含量、硅灰石含量等因素對聚氨酯硬泡性能的影響,從中尋找規(guī)律,以求制得機械加工性能優(yōu)良并且尺寸穩(wěn)定性好的硅灰石/蓖麻油型中高密度聚氨酯硬泡材料,用于替代木材制作模型板。

1 實驗部分

1.1 主要原料與設備

多苯基多亞甲基多異氰酸酯(PAPI),工業(yè)級，萬華化學集團股份有限公司;聚醚多元醇1050(羥值450 mgKOH/g,f>5),工業(yè)級，佳化化學股份有限公司;聚醚多元醇DSV-125(羥值163 mgKOH/g,f=3),工業(yè)級，山東藍星東大化工有限責任公司;精煉蓖麻油(羥值163 mgKOH/g,f=2.7),工業(yè)級，武漢普洛夫生物科技有限公司;三乙醇胺、N,N-二甲基環(huán)己胺,化學純，國藥集團化學試劑有限公司;γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560),工業(yè)級，江蘇晨光偶聯(lián)劑有限公司;針狀硅灰石,1250目(10 μm),調兵山市佳特建材有限公司;泡沫穩(wěn)定劑HK-314,工業(yè)級，山東省濟寧市華凱樹脂有限公司。

RGL-30A型電子萬能試驗機,深圳瑞格爾儀器公司;XD-B型實驗分散磨砂機,萊州市金駿化工機械有限公司;JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡,日本電子公司;Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀,賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 聚氨酯硬泡配方設計

采用以下全水發(fā)泡聚氨酯硬泡配方(以質量份數(shù)計):聚醚多元醇(聚醚多元醇1050與聚醚多元醇DSV-125質量比為1∶1)與蓖麻油合計100份;三乙醇胺2份,N,N-二甲基環(huán)己胺0.5份,泡沫穩(wěn)定劑HK-314 2份,蒸餾水0.4份,PAPI 83～101份(異氰酸酯指數(shù)為1.0)。其中針狀硅灰石為試樣總重量的0、5%、10%、15%和20%，蓖麻油質量分數(shù)分別為4.0%、8.2%和12.8%。

1.3 制備工藝

將硅灰石放入110 ℃的烘箱中烘干2 h,與經乙醇稀釋過的KH-560混合,充分干燥后備用。按照配比在塑料杯中裝入聚醚多元醇、蓖麻油、助劑與硅灰石,并在分散磨砂機上分散3 min。再把PAPI倒入其中,高轉速下均勻攪拌15～20 s,迅速倒入模具,合模,在50 ℃烘箱中固化5 h,再冷卻到室溫,脫模。分別制作了密度為600 kg/m3和470 kg/m3、截面為啞鈴型的聚氨酯硬泡樣塊,室溫放置24 h后,切割制成試樣,進行測試。

1.4 分析與測試

沖擊性能按照GB/T 1043.1—2008進行測試,測試采用簡支梁,無缺口試樣;壓縮性能按照GB/T 8813—2008進行測試,壓縮速度為5 mm/min;拉伸性能按照GB 9641—1988進行測試,拉伸速度為5 mm/min。

2 結果與討論

2.1 蓖麻油及泡沫密度對硬泡性能的影響

為了研究蓖麻油含量對聚氨酯硬泡性能的影響,不添加硅灰石,分別制作兩種中高密度的硬泡試樣,對其進行性能測試,結果如表1所示。

表1 蓖麻油和泡沫密度對聚氨酯硬泡性能的影響

由表1可見,隨著蓖麻油含量增加,硬泡的沖擊強度上升,拉伸強度略微下降。這是由于蓖麻油官能度低,其中的脂肪酸長鏈結構柔性較好,降低了硬泡的脆性,使其韌性增加。

由表1還可看出,密度增大,硬泡的整體性能都有較大提升。這是由于硬泡的整體密度增加,泡孔壁所占的體積增大,基體能夠承受更大的外力。

2.2 硅灰石及蓖麻油含量對硬泡壓縮強度的影響

加硅灰石填料,且改變填料和蓖麻油含量,控制硬泡的密度均為600 kg/m3,研究了硅灰石及蓖麻油含量對聚氨酯硬泡性能的影響,結果見圖1。

圖1 硅灰石含量對聚氨酯硬泡壓縮強度的影響

由圖1可見,隨著硅灰石含量的增加,硬泡的壓縮強度均呈現(xiàn)下降趨勢。因為硅灰石與基體樹脂界面之間粘接性差,構成了硬泡中的缺陷,但下降幅度較小,在10%左右。填料含量相同時,隨著蓖麻油含量的增加,大多數(shù)情況聚氨酯硬泡壓縮強度降低。

2.3 硅灰石的改性對聚氨酯硬泡性能的影響

采用未改性的以及用KH560改性的硅灰石制作了密度約為600 kg/m3、蓖麻油質量分數(shù)為12.8%的硬泡試樣,它們的性能如表2所示。

表2 硅灰石含量對聚氨酯硬泡性能的影響

由表2可見,隨著硅灰石含量增加,聚氨酯硬泡的壓縮強度降低,沖擊強度呈降低趨勢。這是因為無機材料與高分子材料間的極性差別,使硅灰石與硬泡的結合力差。

由表2還可看出，加入KH-560用作表面處理劑得到的活化的硅灰石,可以改善與聚氨酯樹脂的相容性和結合力,因此改性的硅灰石比未改性的硅灰石制成的聚氨酯硬泡的壓縮強度和沖擊強度略有提升。

2.4 硅灰石對泡孔結構的影響

取密度為600 kg/m3、蓖麻油質量分數(shù)8.2%的不同聚氨酯硬泡試樣,對其沖擊斷口做掃描電鏡測試(放大倍數(shù)50),結果見圖2。

圖2 聚氨酯硬泡的泡孔結構SEM圖

從圖2a中可以看出，硬泡是閉孔結構,泡孔直徑大小大約在0.24～0.30 mm之間。硬泡中基體樹脂含量高,發(fā)泡過程中,在垂直于發(fā)泡方向上,模具對泡體膨脹的壓力幾乎是均勻的,這樣形成了圓球形泡體。圖2c至2d中可以發(fā)現(xiàn),硅灰石的加入并沒有引起泡孔形狀的變化,泡孔形狀呈圓球形,說明硅灰石對硬泡的發(fā)泡過程無影響。

3 結論

(1)隨著蓖麻油含量的增大,聚氨酯硬泡的沖擊強度增大,拉伸強度減小。隨著密度增大,硬泡力學性能均有所上升。

(2)硅灰石用量增大,聚氨酯硬泡的壓縮強度下降;KH-560改善了硅灰石與基體樹脂的相容性,加入改性硅灰石合成的硬泡性能下降幅度較小;硅灰石的加入沒有引起泡孔形狀的變化。