工艺参数对反应湿法模压成型玻璃纤维增强TPU力学性能的影响.pdf

第 卷第 期 年 月塑料工业 工艺参数对反应湿法模压成型玻璃纤维增强 力学性能的影响闫振君 贾明印 王佳明 薛 平(北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所 北京)摘要:以二苯基甲烷 二异氰酸酯()、丁二醇()、聚己二酸 丁二醇酯二醇()为原料采用反应湿法模压成型制得玻璃纤维增强热塑性聚氨酯()复合板材 利用力学性能测试、微观形貌表征探究了初始模压温度、模压压力、保压熟化时间三个工艺参数对复合材料力学性能的影响 结果表明 在初始模压温度、模压压力、保压熟化温度 时间 时 单体聚合反应效果好 复合材料内部 对纤维丝浸润程度高 纤维丝间 填充紧实 内部缺陷少 力学性能达到最大值关键词:反应成型 热塑性聚氨酯 复合材料 湿法模压 力学性能中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():():()()()()().:热塑性聚氨酯()是一种由二异氰酸酯、大分子二醇、扩链剂(小分子二醇)聚合而成的多功能高分子材料 由于其性能优异 具备硬度范围广、拉伸强度高等诸多优点 目前已经被广泛应用于卫生医疗、运动出行、服装制鞋等领域 并且热塑性的特点能够在废弃后重复回收加工利用 符合经济发展的要求 目前我国的 产业仍处于成长期 市场前景广阔湿法模压()是一种液体压缩成型技术其将干纤维裁剪铺放后在纤维表面喷涂树脂 然后闭合模具加压 使树脂浸润纤维后固化成型 与熟悉的传统模压成型相比 成型使用的是液态树脂和干纤维 比预浸料成本更低 同时减少了预浸料在模具内的塑化过程 使成型时间缩短 与另一种液体成型技术树脂传递模塑()相比 成型为开模操作 利用上下模间隙进行排气制品不容易产生气孔 也使得模压模具设计结构简单 加压过程可以加快树脂流动 同时黏度较大的树脂也可以通过加压更好的浸润树脂 这样既可以加快成型 又可以提高性能 因此 做为一种重新兴起的成型技术 凭借以上优势在汽车工业中逐渐发展起来 宝马在其 系车型的侧门槛和两个车顶弓就是通过 通信作者:贾明印 男 博士 硕士生导师 主要研究领域为新材料的成型设备及技术、连续纤维增强热塑性复合材料成型技术与装备的研究等 作者简介:闫振君 男 年生 在读硕士研究生 研究方向为热塑性复合材料成型技术与装备塑 料 工 业 年 工艺成型的前人们对 成型进行了一些研究 等建立了 成型时树脂流动的二维模型 为进一步研究成型过程中树脂渗透纤维的过程对成型性的影响提供基础 王英男等、研究了湿法模压成型工艺参数对碳纤维环氧复合材料力学性能的影响 任罡等探寻了适于湿法模压工艺的树脂体系 以上研究多以热固性环氧树脂为主 而利用单体反应聚合为热塑性树脂进行 成型的较少 为拓展 成型应用范围 将热塑性树脂单体反应聚合 经湿法模压工艺实现开模操作、原位聚合、树脂可回收的优势 本实验对 单体反应湿法模压成型的工艺参数进行了基础研究 具体包括初始模压温度、模压压力、保压熟化时间 以总结对玻璃纤维增强热塑性聚氨酯(/)力学性能的影响规律为反应湿法模压成型的后续应用提供依据 实验部分 主要原料二苯基甲烷 二异氰酸酯(、试剂级)、丁二醇(、试剂级):麦克林试剂聚己二酸 丁二醇酯二醇():分子量 工业级 济宁棠邑化工有限公司 二月桂酸二丁基锡():试剂级 北京百灵威科技有限公司 玻璃纤维():工业品 江苏泰州高得复合材料有限公司 设备及仪器烘箱:上海一恒科学仪器有限公司 机械搅拌器:金坛区西城新瑞仪器厂 平板硫化机:郑州鑫和机械制造有限公司万能试验机()、摆锤式冲击试验机():承德泰鼎试验机制造有限公司 扫描电子显微镜():飞纳电镜 试样的制备 实验准备将适量的固态 在油浴锅内 下加热熔融 后降低至一定温度 待用 将适量的 和固态 放入真空干燥箱 在 下真空除水 后降低至一定温度 待用 将玻璃纤维布在电热鼓风干燥箱内 下干燥 后降低至一定温度 待用 使用微量取样器取定量的催化剂 待用 将模具内表面喷涂脱模剂 并加热到一定温度 待用 样品制备将干燥好的玻璃纤维布放置在模具内 根据异氰酸酯指数为 硬段含量为 计量原料 将定量的 和 先进行初步搅拌混合 再将定量的 加入后迅速加入催化剂 并使用机械搅拌器快速混合 将混合料加入模具中 快速合模放至平板硫化机加压 并升温熟化一定时间 因 聚合过程中 会与已生成的氨酯基反应生成脲基甲酸酯基 该产物具有热不稳定性 在 以上解离 故选择保压熟化温度 熟化时间结束后 降温至室温脱模图 反应湿法模压工艺流程图 测试与表征力学性能测试:根据/进行试样制备 拉伸性能根据/测试 弯曲性能根据/测试 简支梁式冲击韧性根据/测试 微观形貌表征:对拉伸试样断裂处表面进行喷金处理 采用扫描电子显微镜观察拉伸试样的树脂和纤维布分布情况 结果与讨论 初始模压温度对/复合材料力学性能的影响在模压压力 、合模升温至 后保压熟化时间 不变的情况下 考察初始模压温度对复合材料力学性能的影响 初始模压温度也为物料混合时的温度 因 熔点为 凝固点为 故选择初始模压温度范围为 图 是不同初始模压温度下/复合材料的力学性能 由图可知 随着初始模压温度的升高其力学性能出现了先增后降的趋势 当初始模压温度为 时 复合材料整体性能达到最大 原因在于当温度较低时 树脂凝胶时间很长有利于模压 但原料的反应活性较低 反应程度不高 生成的 多为短链结构 还未扩链充分就在较快的升温速率下开始快速固化 力学性能差 随着初始模压温度的升第 卷第 期闫振君 等:工艺参数对反应湿法模压成型玻璃纤维增强 力学性能的影响高 分子间的热运动会增大 加快原料的反应速率适宜的反应温度会使 反应充分 扩链程度提高分子量提高 提高基体自身性能的同时加强其与玻璃纤维丝的黏结程度 提高其力学性能 但随着温度的继续升高 凝胶阶段的时间缩短 使其与玻璃纤维丝结合程度变差 当温度过高达到 时 化学反应速度过快 在相同模压压力下 复合板材无法被压至相同厚度就已经完全失去流动性 无法完全浸润玻璃纤维丝 导致拉伸强度严重降低 同时 直接接触上下模具表面的树脂 会在温度过高的情况下率先反应固化 导致玻璃纤维布层间的空气无法完全排出 复合板材的玻纤丝附近出现气孔等缺陷 降低冲击和弯曲性能拉伸与冲击性能弯曲性能图 初始模压温度对力学性能的影响 图 不同初始模压温度拉伸试样断面形貌图 图 为不同初始模压温度试样拉伸断面电镜图可以看到当初始模压温度为 时 复合材料基体 在纤维丝间填充均匀 二者结合紧密 当受拉伸载荷时 试样会在缺陷处率先断裂 在同层纤维断裂长短基本一致也说明 浸润均匀 复合材料没有明显缺陷 当初始模压温度为 时 复合材料基体 在纤维丝间填充不足 甚至有颗粒状物质这是因为原料黏度变大 受模压压力进入纤维丝间隙 黏度过大的基体对纤维丝浸润不足 缺陷较大因此 优选初始模压温度为 模压压力对/复合材料力学性能的影响在初始模压温度 、合模升温至 后保压熟化时间 不变的情况下 考察模压压力对复合材料力学性能的影响图 是不同模压压力下/复合材料的力学性能 由图可知 随着模压压力的增大 其力学性能都出现了先增后降的趋势 当初始模压压力为 时 复合材料整体性能达到最大 这是因为当模压压力为 时 由于原料体系反应使黏度增大 树脂无法在凝胶时间内靠自身流动性完全浸润玻璃纤维 同时不施加压力无法将复合板材压至所需厚度 板材厚度增加 力学性能差 模压压力的增大会促使树脂流动 增加树脂的渗透性 使其对玻璃纤维布的浸润程度增加 而当模压压力过大时 会使玻璃纤维布之间距离过小 树脂在玻璃纤维布之间含量过少 界面之间剪切强度差 甚至树脂还未渗透就因玻纤布与玻纤布之间紧密贴合而无法浸润玻纤 此时就出现溢料现象 导致力学性能减弱 在弯曲和冲击性能施加载荷时 树脂与纤维之间的界面结合程度也是吸收能量的重要影响因素 树脂在玻璃纤维布之间含量过少处会先发生破环 甚至出现分层现象塑 料 工 业 年 拉伸与冲击性能弯曲性能图 模压压力对力学性能的影响 图 不同模压压力拉伸试样断面形貌图 图 为不同模压压力试样拉伸断面电镜图 可以看出当模压压力为 时 纤维丝间树脂填充不够充实 部分纤维丝与周围树脂存在间隙 随着压力的增大使纤维丝间隙被 充分填充 板材整体紧实 复合板材内部树脂与树脂、树脂与玻纤丝之间结合力更强 力学性能增强 当模压压力为 时 包裹纤维丝越紧实但间隙变小 内部填充量变少 此时层与层之间结合力变弱 当模压压力为 时 过大的压力使纤维丝紧密堆叠成束状 抑制 进入 造成分层 因此 优选模压压力为 保压熟化时间对/复合材料力学性能的影响 为避免先制备预聚体后加入扩链剂的过程 预聚体黏度大 使物料加入模具时初始黏度高 影响树脂对玻璃纤维布的渗透性 选择了直接将反应原料进行混合 而这样操作的缺点在于合成 反应不充分需要进行熟化处理提高复合板材的力学性能 在初始模压温度 、模压压力 、合模升温至 后不变的情况下 考察保压熟化时间对复合材料力学性能的影响拉伸与冲击性能弯曲性能图 保压熟化时间对力学性能的影响 由图 可知 随着保压熟化时间的增大 其力学性能逐渐增大后趋于平稳 当熟化时间为 时 整体性能达到最大 当熟化时间为 时 其力学性能与 差距不大 原因在于 当熟化时间过短时 合成不足 反应生成的氨酯基还未扩链形成大第 卷第 期闫振君 等:工艺参数对反应湿法模压成型玻璃纤维增强 力学性能的影响分子链 体系中可能还存在游离的羟基、异氰酸酯基团 分子量低 影响其力学性能 随着熟化时间的增加 反应形成的氨酯键更多 且扩链充分 整体链段更长 链与链之间的缠结更多 力学性能更强 而当 反应充分完成后 其分子链已趋于稳定 分子量不会增加 继续增加熟化时间已不会影响其力学性能 甚至当熟化时间过长 还会发生氨酯基分解等负面效果 使复合材料的力学性能变差 因此 优选保压熟化时间为 结论)当初始模压温度为 、模压压力为、保压熟化时间为 时/复合材料拉伸强度为 冲击强度为 /弯曲强度为 弯曲模量为 整体性能达到最大)当模压压力为 时 原料仅依靠自身流动性对纤维布进行浸润 单体反应增黏速率快 浸润程度不足 力学性能差 湿法模压的加压过程能促使树脂流动 增加树脂的渗透性 可用于黏度较大的液态树脂成型)由于 熟化过程在模具内进行 模具占用时间长 不利于连续化生产 后续应对流程进行修改 在复合材料固化后开模取出 熟化阶段在热压机中进行参 考 文 献 山西省化工研究所.聚氨酯弹性体手册.北京:化学工业出版社:.:.牟富鹏 田洪池 段红云.功能型热塑性聚氨酯弹性体的发展趋势探究.弹性体 ():.():.江苏兆鋆新材料股份有限公司.一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺:.:./.().:/.:.:.王英男 潘利剑 刘国峰.复合材料湿法模压成型工艺参数研究.航空制造技术 ():.():.:.任罡 闫志 范广宏.基于复合材料湿法模压工艺的快速固化树脂体系研究.化工新型材料 ():.():.(本文于 收到)(上接第 页):.:.():.:.冯昌辉.玻璃纤维增强环氧树脂绝缘材料老化特性及影响因素研究.北京:华北电力大学.:./.:.:.(本文于 收到)