周晓谦，郑国阔，杜 娟，鲁云婷，黄 欣

（辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁 阜新123000）

改性条件对聚氨酯硬质泡沫冲击性能影响研究

周晓谦，郑国阔，杜 娟，鲁云婷，黄 欣

（辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁 阜新123000）

将纳米二氧化硅（SiO2）和玄武岩纤维与聚氨酯复合制备了聚氨酯硬质泡沫材料，研究了异氰酸酯指数，水、纳米SiO2和玄武岩纤维的添加量及玄武岩纤维的长度等因素对其冲击性能的影响。结果表明，当异氰酸酯指数为1.05、纳米SiO2的添加量为3.0%、5.0mm玄武岩纤维的添加量为3.0%时，材料的冲击强度达到最佳值。

聚氨酯；硬质泡沫；冲击性能；纳米二氧化硅；玄武岩纤维；改性

0 前言

硬质聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯制品中比较重要的品种之一，它具有优良的力学性能、声学性能、电学性能和耐化学性能，可直接从单体原料一次加工成聚合物制品，而且可通过改变原料化学结构、规格、品种等调节配方组合，制出各种性能和用途的终端制品，因此应用十分广泛。

本文分别采用3种不同羟值和官能度的聚醚多元醇混配，与聚亚甲基聚苯基多异氰酸酯（PM－200）反应生成聚氨酯发泡材料，为改善其力学性能，采用纳米SiO2和玄武岩纤维对聚氨酯发泡材料进行增强改性。通过添加纳米SiO2，力求使纳米相与聚氨酯相之间通过共价键等作用达到纳米水平的复合，获得纳米杂化材料[1]，进而使复合材料的强度、韧性得到提高。通过添加具有高强度、高模量的玄武岩纤维，在复合材料中可以起到限制泡沫微裂纹的产生和发展的作用。本文探求了不同改性条件对复合材料冲击性能的影响规律，得出了冲击性能最好的改性条件。

1 实验部分

1.1 主要原料

混合聚醚多元醇，工业级，廊坊全振化工有限公司；

PM－200，工业级，山东烟台万华聚氨酯股份有限公司；

催化剂，自制；

二甲基硅油，工业级，沈阳市华东试剂厂；

偶联剂（KH－550），分析纯，天津大茂试剂厂；

纳米SiO2，分析纯，天津市美宇化工有限公司；

短切玄武岩纤维，工业级，南京锋晖复合材料有限公司。

1.2 主要设备及仪器

电子天平，FA2004N，上海精密科学仪器有限公司；

数显恒温水浴锅，HH－4，常州国华电器有限公司；

电动定时搅拌器，JJ－1，江苏国华仪器厂；

超声震荡器，KQ100B，承德试验机有限责任公司；

电热恒温鼓风干燥箱，DHG－9076A，长春第二试验机有限责任公司；

红外分析仪，WQF－200，北京第二光学仪器厂；

液压万能试验机，WE－300，东莞市飞凌仪器有限公司。

1.3 样品制备

实验方案：采用4因素、4水平正交实验进行研究，以异氰酸酯指数（即异氰酸酯与聚醚多元醇的当量比）、纳米SiO2的添加量、玄武岩纤维的添加量、玄武岩纤维长度为实验因素，每个因素设计4个水平；其中异氰酸酯指数分别为1.05、1.10、1.15、1.20；纳米SiO2的添加量分别为2.0%（相对于聚醚多元醇的质量分数，下同）、3.0%、4.0%、5.0%；玄武岩纤维的添加量分别为3.0%、4.0%、5.0%、6.0%；纤维长度分别为2.0、3.0、4.0、5.0mm；以冲击强度为性能指标，进行正交实验研究，并与未增强试样进行对比分析；

采用偶联剂KH－550对玄武岩纤维进行表面改性，获得改性玄武岩纤维，将纳米SiO2和改性玄武岩纤维按照比例添加于混合聚醚多元醇中，采用超声震荡分散均匀后，依次添加消泡剂、催化剂、发泡剂等助剂，混合均匀，再与PM－200混合均匀，物料即将发白时倒入模具中发泡成型，待泡沫完全熟化后，室温下进行性能测试。

1.4 性能测试与结构表征

按照GB/T 1446—2005测试样品的冲击性能，无缺口试样，冲击能50J；

按照GB/T 1041—1992测试样品的压缩性能，压缩速率为10mm/min；

按照GB/T 1040—1992测试样品的拉伸性能，拉伸速率为20mm/min。

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果分析

由表1通过极差分析可知，各因素对冲击强度的影响规律为：玄武岩纤维长度和玄武岩纤维添加量的影响最为主要，之后是异氰酸酯指数，影响最小的是纳米SiO2的添加量。

表1 正交实验数据处理结果Tab.1 Results of orthogonal experiment

2.2 异氰酸酯指数对冲击性能的影响

由图1可见，随着异氰酸酯指数的增大，试样的冲击强度先呈下降趋势，当异氰酸酯指数达到1.15时冲击强度达到最小值，之后随着异氰酸酯指数增大，冲击强度有所提高。

图1 异氰酸酯指数对固化物冲击强度的影响Fig.1 Effect of isocyanate index on the impact strength of the cured materials

聚氨酯硬质泡沫的性能与异氰酸酯指数密切相关。3种聚醚多元醇与异氰酸酯反应过程中能够形成交联体系，同时异氰酸酯与少量水的反应也会产生交联，2种交联体系的产生均会对固化物性能产生影响[2]。交联密度过大，固化物会脆性增加，使冲击强度下降，从实验结果可以确定异氰酸酯指数为1.05时冲击强度最大。

2.3 纳米SiO2添加量对冲击性能的影响

由图2可见，随着纳米SiO2添加量的增大，聚氨酯固化物的冲击强度呈上升趋势，在纳米SiO2添加量为3%时达到最大，之后随着添加量的增加冲击强度呈下降趋势。与未增强试样的固化物相比，添加纳米SiO2的固化物的冲击强度提高更为明显，说明添加纳米SiO2具有增强作用，当纳米SiO2的添加量为3.0%时冲击强度最大。

2.4 玄武岩纤维添加量对冲击性能的影响

图2 纳米SiO2添加量对固化物冲击强度的影响Fig.2 Effect of contents of nano－SiO2on the impact strength of the cured materials

图3 玄武岩纤维添加量对固化物冲击强度的影响Fig.3 Effect of contents of basalt fiber on the impact strength of the cured material

由图3可见，随着玄武岩纤维用量的增加，聚氨酯固化物的冲击强度呈下降趋势。但与未增强的试样相比还是有不同幅度的增加。这主要因为纤维含量较少时，玄武岩纤维呈单纤维分散在泡孔组合面平面内，而且纤维外部有包裹着的聚氨酯，这样纤维像增强筋一样起着支柱作用，可以有效减缓冲击[3]；随着纤维添加量的增加，纤维不易分散，导致密度分布不均匀，影响泡沫固化物的结构，使得耐冲击性能下降。因此玄武岩纤维的添加量确定为3%。

2.5 玄武岩纤维长度对冲击性能的影响

由图4可见，随着玄武岩纤维长度的增加，聚氨酯固化物的冲击强度总体上呈升高的趋势，当玄武岩纤维长度为5mm时冲击强度达到最大值。纤维长度过短时，被聚氨酯包裹，只起填充作用，起不到良好的支柱作用；随着纤维长度的增加，纤维的加入可以起到增强筋的作用，对提高冲击强度更有帮助。

图4 玄武岩纤维长度对固化物冲击强度的影响Fig.4 Effect of length of basalt fiber on the impact strength of the cured material

根据前面分析，在最佳条件下所做的试样性能也是比较好的，其冲击强度和压缩强度大幅度提高，拉伸强度也有一定幅度的提升，如表2所示。

表2 对比试样数据Tab.2 Comparison of the best sample and the unreinforced sample

3 结论

（1）当异氰酸酯指数为1.05、纳米SiO2的添加量为3.0%、玄武岩纤维的添加量为3.0%、纤维长度为5.0mm时，聚氨酯硬质泡沫材料的冲击强度达到最佳值；

（2）各因素对冲击强度的影响由大到小依次为玄武岩纤维长度、玄武岩纤维添加量、异氰酸酯指数、纳米SiO2添加量。

[1] 张志华，吴广明，沈 军.革用聚氨酯/SiO2纳米杂化材料的制备与物性研究[J].材料科学与工程学报，2003，21（4）：499－502.

[2] 张瑞英，梁成刚.纳米改性聚氨酯硬泡的制备[J].内蒙古大学学报：自然科学版，2006，37（6）：719－721.

[3] 卢子兴，邹 波，李忠明，等.玻璃纤维束增强聚氨酯泡沫的拉压力学性能[J].北京航空航天大学学报，2009，35（1）：36－39.

Influence of Modified Conditions on Impact Property of Polyurethane Rigid Foam

ZHOU Xiaoqian，ZHENG Guokuo，DU Juan，LU Yunting，HUANG Xin
（Institute of Material Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China）

Polyurethane rigid foam was prepared by introducing nano－SiO2and basalt fiber into polyurethane matrix.The effects of isocyanate index，contents of water，nano－SiO2and basalt fiber，length of basalt fiber on the impact property were studied.When the isocyanate index was 1.05，content of nano－SiO2was 3.0%，and content of 5.0mm basalt fiber was 3.0%，the best value of impact strength was obtained.

polyurethane；rigid foam；impact property；nano－silica；basalt fibre；modification

TQ323.8

B

1001－9278（2011）08－0066－03

2011－05－10

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