聚氨酯的泡沫三明治性能評(píng)估分析范文

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摘要：通過灌注后密度與剪切測(cè)試，平行比較了聚氨酯系統(tǒng)料（PU）與傳統(tǒng)環(huán)氧系統(tǒng)料（EP）的泡沫三明治性能。結(jié)果顯示，與EP的泡沫三明治相比，PU的泡沫三明治剪切模量幾乎一致但剪切強(qiáng)度偏低。通過對(duì)典型剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞后剪切樣條進(jìn)行分析，判定這是由于PU本體的斷裂延伸率較低從而無(wú)法充分發(fā)揮泡沫性能所致，為后續(xù)PU的配方優(yōu)化提供方向。

關(guān)鍵詞：聚氨酯系統(tǒng)料；泡沫三明治；灌注后密度；剪切性能

近年來(lái)，聚氨酯系統(tǒng)料（PU）憑借其強(qiáng)度高、纖維浸潤(rùn)性好和固化速度快等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展，涵蓋樹脂傳遞成型、拉擠成型、纏繞成型和真空灌注成型等多種工藝[1]。其中，真空灌注成型作為一種先進(jìn)的適合大型結(jié)構(gòu)件制造的低成本成型技術(shù)，是制作風(fēng)電葉片、風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩和游艇船體等的主流方法，也是體量最大的方法。這種工藝對(duì)材料的工藝性能和物理性能的要求極高，目前幾乎全部使用真空灌注型環(huán)氧系統(tǒng)料（EP）[2]。最近，科思創(chuàng)、亨斯曼和陶氏等公司投入大量研發(fā)力量，開發(fā)出真空灌注型PU，并在一些簡(jiǎn)單部件上得到應(yīng)用[3]。然而，真空灌注型PU要得到全面應(yīng)用，一些問題仍需攻克。比如在泡沫三明治結(jié)構(gòu)中的使用中，其放熱溫度高會(huì)導(dǎo)致泡沫尺寸劇烈變化，同時(shí)對(duì)水分敏感的特點(diǎn)使得其與大部分親水型泡沫不兼容。泡沫三明治結(jié)構(gòu)是一種特殊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型，在密度低而相對(duì)厚一點(diǎn)的泡沫兩側(cè)貼上薄而剛度高的玻璃鋼蒙皮，具有質(zhì)輕而高強(qiáng)的特點(diǎn)，目前在風(fēng)電、航空、軌道交通等領(lǐng)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用[4]。傳統(tǒng)用于泡沫三明治結(jié)構(gòu)的夾芯材料為Balsa木、交聯(lián)聚氯乙烯泡沫、丙烯腈-苯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫[5-8]。其中，PET泡沫由于高溫下尺寸穩(wěn)定性高和疏水性好的優(yōu)點(diǎn)[9]，是最適合匹配真空灌注型PU的夾芯材料，可以解決其放熱溫度高和對(duì)水分敏感的問題。本文旨在通過平行比較PU與傳統(tǒng)EP的PET泡沫三明治性能，為今后這些材料的大規(guī)模應(yīng)用提供依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

真空灌注型PU由科思創(chuàng)聚合物（中國(guó)）有限公司，牌號(hào)為78BD085/44CP20，目前已在風(fēng)電葉片的大梁和腹板上應(yīng)用[3]。用于對(duì)比的真空灌注型EP由道生天合材料科技（上海）有限公司提供，牌號(hào)為Techstorm180/185，是目前市場(chǎng)份額最大的真空灌注系統(tǒng)料。PET泡沫由阿樂斯絕熱材料（廣州）有限公司，牌號(hào)為ArmaFOAMGR100HT（密度為100kg/m3），是市面上主流的用于泡沫三明治結(jié)構(gòu)的PET泡沫。玻纖織物由浙江恒石纖維基業(yè)有限公司提供，牌號(hào)為E-BIAX808，是克重800的雙軸布。

1.2主要設(shè)備以儀器

灌注后密度在電子天平上測(cè)量，電子天平型號(hào)為ME204E，從梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司采購(gòu)。剪切性能和剝離強(qiáng)度通過萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)表征，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為CMT5015，從美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司采購(gòu)。

1.3樣品制備

對(duì)于PET泡沫本體，按標(biāo)準(zhǔn)要求切割成測(cè)試樣條，用于剪切測(cè)試。PET泡沫三明治按照以下步驟制備。首先，為了提高PET泡沫的灌注工藝性，對(duì)其進(jìn)行打孔處理：打通孔，孔徑2mm，間距20mm*20mm。接著，在打孔后的PET泡沫上下各鋪兩層玻纖織物，然后采用真空灌注工藝制備夾層板：鋪設(shè)真空系統(tǒng)，待真空度達(dá)到工藝要求時(shí)灌注PU或EP，按照規(guī)定的固化制度進(jìn)行加熱固化。最后，夾層板去掉兩側(cè)的玻璃鋼蒙皮，并按標(biāo)準(zhǔn)要求切割成測(cè)試樣條，用于灌注后密度、剪切和剝離測(cè)試。為了方便后面討論，PET泡沫本體稱為PET-F，真空灌注型PU的PET泡沫三明治稱為PU+PET，真空灌注型EP的PET泡沫三明治稱為EP+PET。

1.4性能測(cè)試

灌注后密度測(cè)試：按ISO845標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，樣條尺寸500×500×30mm3。剪切測(cè)試：剪切強(qiáng)度和剪切模量通過ASTMC273標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得，樣條尺寸250×50×20mm3。剝離測(cè)試：剝離強(qiáng)度通過ASTMD1781標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，樣條尺寸300×60×25mm3。

2結(jié)果與討論

2.1測(cè)試結(jié)果

泡沫三明治的性能除了取決于泡沫和真空灌注系統(tǒng)料的本體性能，還與泡沫表層真空灌注系統(tǒng)料的吸收量有關(guān)：吸收量越大，剪切性能越高[4]。由于泡沫三明治的灌注后密度為泡沫密度，孔洞中真空灌注系統(tǒng)料的填充量，和泡沫表層真空灌注系統(tǒng)料的吸收量之和[10]，而前兩者對(duì)于PU+PET和EP+PET是一樣的（泡沫密度為100kg/m3，孔洞的尺寸和分布沒有差別），因此泡沫表層真空灌注系統(tǒng)料的吸收量可以通過灌注后密度進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)論是PU+PET還是EP+PET，其灌注后密度都是153kg/m3。所以，在比較PU+PET和EP+PET的性能時(shí)，可以排除真空灌注系統(tǒng)料吸收量的影響。泡沫三明治承受荷和傳遞載荷的原理與工字梁相似：玻璃鋼蒙皮主要承受面內(nèi)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，內(nèi)部泡沫主要承受面外剪應(yīng)力[4]。因此，對(duì)于內(nèi)部泡沫，其作用是抵抗面外剪力、防止失穩(wěn)，剪切性能是最關(guān)鍵指標(biāo)。首先，我們測(cè)試PET泡沫本體的剪切性能：剪切模量為20.8MPa，剪切強(qiáng)度為0.76MPa，這與供應(yīng)商提供的技術(shù)說明書基本一致。接著，我們測(cè)試PET泡沫三明治的性能。可以看到，同EP+PET相比，PU+PET的剪切模量相當(dāng)，比PET泡沫本體高了約35%。但是，PU+PET的剪切強(qiáng)度較低，比EP+PET低了大概15%，比PET泡沫本體低了約20%，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注。除了剪切性能，泡沫三明治的粘接性能也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮重點(diǎn)，因?yàn)槠茐慕?jīng)常發(fā)生在界面而不是材料本體。泡沫與玻璃鋼蒙皮要有良好的粘接，確保泡沫三明治在設(shè)計(jì)載荷下不出現(xiàn)褶皺、界面脫粘等破壞現(xiàn)象[4]。本研究通過剝離強(qiáng)度來(lái)表征泡沫與玻璃鋼蒙皮的粘接情況。無(wú)論是PU+PET還是EP+PET，剝離強(qiáng)度都在40(N×mm)/mm左右，滿足一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求[5]。

2.2結(jié)果分析

泡沫三明治的性能取決于泡沫表層真空灌注系統(tǒng)料的吸收量、泡沫的本體性能和真空灌注系統(tǒng)料的本體性能[4]。根據(jù)之前討論可知，PU+PET和EP+PET具有相當(dāng)?shù)恼婵展嘧⑾到y(tǒng)料吸收量，而泡沫都是ArmaFOAMGR100HT,因此性能上的差異主要是由PU和EP的差別導(dǎo)致的。根據(jù)原料供應(yīng)商提供的技術(shù)說明書，PU和EP具有幾乎一樣的拉伸模量，這很好地解釋了PU+PET和EP+PET在剪切模量上的相當(dāng)性。如之前所述，同EP+PET相比，PU+PET的剪切強(qiáng)度低了15%左右。然而根據(jù)原料供應(yīng)商提供的技術(shù)說明書，PU的拉伸強(qiáng)度反而比EP要高20%。展現(xiàn)了PU+PET和EP+PET的典型剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以很好地解釋這一現(xiàn)象：PU+PET的剪切斷裂延伸率較低，只有2.5%左右，因而沒有充分發(fā)揮出PET泡沫的性能；而EP+PET的剪切斷裂延伸率較高，達(dá)到4%以上，PET泡沫的性能被挖掘得更充分。我們還可以看到，PET泡沫本體在沒有填充真空灌注系統(tǒng)料的情況下，剪切斷裂延伸率在20%以上。無(wú)論是PU還是EP的引入，都大大降低了PET泡沫的剪切斷裂延伸率。相較而言，引入PU所造成的剪切斷裂延伸率下降較高，這是因?yàn)镻U本體的斷裂延伸率較低：根據(jù)原料供應(yīng)商提供的技術(shù)說明書，PU本體的斷裂延伸率為5.0%,而EP本體的斷裂延伸率為8%。展示了PU+PET和EP+PET的剪切破壞后樣條?？梢钥吹?，對(duì)于PU+PET，樣條破壞時(shí)兩側(cè)沒有裂紋，即樣條從內(nèi)部富含真空灌注系統(tǒng)料的打孔區(qū)域率先破壞，沒有充分發(fā)揮出PET泡沫的性能；而對(duì)于EP+PET，樣條是整個(gè)長(zhǎng)度方向破壞，兩側(cè)都有裂紋，說明PET泡沫的性能被充分挖掘。

3結(jié)論

本研究通過灌注后密度與剪切測(cè)試，平行比較了真空灌注型PU與傳統(tǒng)真空灌注型EP的PET泡沫三明治性能。結(jié)果表明，與EP的泡沫三明治相比，PU的泡沫三明治的灌注后密度和剪切模量幾乎一致，但剪切強(qiáng)度偏低。通過對(duì)典型剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞后剪切樣條進(jìn)行分析，判定這是由于PU本體的斷裂延伸率較低從而無(wú)法充分發(fā)揮泡沫性能所致：EP+PET的剪切斷裂延伸率達(dá)到4%以上，而PU+PET的剪切斷裂延伸率只有2.5%左右。這為今后這些材料的大規(guī)模應(yīng)用提供了依據(jù)，也為后續(xù)PU的配方優(yōu)化提供了方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉鼎銓.玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯[J].玻璃纖維,2009(2):43-46.

[2]賈智源,關(guān)曉方.風(fēng)電葉片用真空導(dǎo)入型聚氨酯的性能分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2016(1):23-28.

[3]王晨.科思創(chuàng)聚氨酯樹脂風(fēng)機(jī)葉片通過靜力和疲勞試驗(yàn)[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2017(11):40-40.

[4]肖雪瑞.芯材的表面處理對(duì)復(fù)合材料夾芯板力學(xué)性能的影響[D].武漢理工大學(xué),2015.

[5]汪鵬,王海珍,劉寶峰,姚輝.PET泡沫的性能評(píng)估及其在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用探討[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2016(7):60-62.

[6]劉魁,馮學(xué)斌,雷志敏,楊躍華,曾竟成.泡沫材料對(duì)風(fēng)電葉片夾層結(jié)構(gòu)結(jié)合性能的影響[J].塑料工業(yè),2012(5):96-99.

[7]張廣成,史愛華,潘恒太,馬忠雷.低密度硬質(zhì)交聯(lián)PVC泡沫塑料的研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用,2011(8):88-91.

[8]劉魁,鄧航,曾竟成,馮學(xué)斌,侯彬彬,雷志敏.聚苯乙烯泡沫作為風(fēng)電葉片夾芯材料的可行性研究[J].塑料工業(yè),2011(12):116-119.

[9]姚輝,Moritz,Lars,Roman,李巖.新型PET泡沫AIREXT92的性能特點(diǎn)試驗(yàn)研究[J].材料工程,2009(s2):268-271.

[10]王東生,楊萍.夾芯材料在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用研究[J].纖維復(fù)合材料,2016(4):1-6.

作者:曹也文 單位:道生天合材料科技(上海)有限公司