短切碳纤维增强硬质聚氨酯泡沫复合材料压缩强度与形貌研究.pdf

　２８　　　　　　　　短切碳纤维增强硬质聚氨酯泡沫复合材料压缩强度与形貌研究　　２０１５年２月　短切碳纤维增强硬质聚氨酯泡沫复合材料压缩强度与形貌研究　余训章　　　　　（上海玻璃钢研究院有限公司，上海２０１４０４）　　　　　　　　　　　　　　　　　摘要：本文研究了短切碳纤维增强硬质聚氨酯泡沫复合材料的压缩强度和形貌。探讨了不同短切碳纤维含量对硬质聚　氨酯泡沫力学性能的影响，利用光学显微镜和扫描电镜观察了不同短切碳纤维含量情况下，硬质聚氨酯泡沫复合材料泡孔形　成情况及试样破坏的微观相貌。研究结果表明，当短切碳纤维含量为３０％时，硬质聚氨酯泡沫复合材料的压缩强度最大，泡体　　　　　　　　　　　　泡孔均匀致密；当短切碳纤维含量超过３０％后，开始出现了大量闭孔和塌泡，碳纤维与聚氨酯泡孔剥离，力学强度下降。　　　　　　　关键词：短切碳纤维；聚氨酯泡沫；压缩强度；微观形貌　　中图分类号：ＴＢ３３２　　文献标识码：Ａ　———　文章编号：１００３０９９９（２０１５）０２００２８０４　　　　　１引言　　硬质聚氨酯泡沫塑料（ＲＰＵＦ）是一种高性能轻　　　　量化材料，不仅能起到功能性作用，如隔热、吸声等，　　　　而且还可用于交通工具的轻量化承载结构件１－３］。　　　但作为结构材料使用，其强度、刚度等力学性能尚不　　　　足Ｊ。通常提高其力学性能的方法是提高材料的　　　　密度（获得高密度的ＲＰＵＦ），以及在材料中加入短　　　　　　　　　　　　　　　　切纤维、玻璃微珠等增强材料，得到增强ＲＰＵＦ　　　　（ＲＲＰＵＦ）７－９１。增强材料对ＲＰＵＦ力学性能的影响一直是该领域的一大研究热点¨　　　Ｊ，当前增强聚氨　酯泡沫用纤维一般以玻璃纤维为主¨　”　Ｊ，对碳纤维　增强聚氨酯泡沫塑料的研究较少。　　　　碳纤维是一种高性能纤维，其结构近乎石墨结　　　　　　构，比金刚石结构规整性稍差，具有很高的抗拉强　　　　　　度，它的强度约为钢的四倍，密度为钢的四分之一。　同时具有耐高温、尺寸稳定、导电性好等其他优良性　能。因而可以明显改善硬质聚氨酯泡沫塑料（ＲＰＵＦ）　　　的力学强度　。。　本文利用短切碳纤维作为增强纤维加入聚氨酯　　　　泡沫塑料中，达到提高泡沫强度的目的。该复合材　　　料集碳纤维与硬质聚氨酯泡沫塑料的优点于一体，　　　　综合性能优异，适用于结构、隔热保温等领域，应用　　更加广泛　　２实验部分　　　　　　　　　　　２．１短切碳纤维增强硬质聚氨酯泡沫复合　　材料的制备　　　首先将聚醚多元醇与异氰酸酯分别在４０％下　　　　　真卒干燥ｌｈ，将短切纤维碳纤维在４Ｏ下电热恒温　　　干燥箱干燥ｌｈ。然后将干燥后的聚醚多元醇按照比　　　　例倒人反应釜中，加入已干燥的异氰酸酯。之后再　　　　加入质量含量分别为１０％、２０％、３０％、４０％和５０％　　的短切碳纤维。最后加入少量水，高速搅拌至反应　　　开始（有少量气泡冒出），灌注入模具中，迅速合模。　　　　反应完毕后，将模具在室温放置１ｈ，然后放入烘箱，　　　　　于１００Ｔ］下熟化４ｈ，开模取出泡体，备用。　　　　　２．２性能检测　　　　—　　根据国标ＧＢ／Ｔ８８１３．２００８，采用ＡＧＩＯ１ＴＡ型　　　电子万能试验机测试试样的压缩强度；采用ＫＹＫＹ．　　２８００型扫描电子显微镜对原始试样、碳纤维增强试　样进行微观表面观察。　　３结果与讨论　　　　　　　　　　　　３．１短切碳纤维含量对硬质聚氨酯泡沫复　合材料压缩强度的影响　短切碳纤维含量对硬质聚氨酯泡沫复合材料压　　　　　缩强度的影响见图１。　０　１０％　２０％３０％　４０％　５Ｏ％　碳纤维含量　　　　图１短切碳纤维含量对硬质聚氨酯泡沫　复合材料压缩强度的影响　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｈｏｐｐｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｎ　　　　收稿Ｈ：２０１４一Ｏ８一ｌ４　　　ｔｈｅｃ。ｍｐｒｅｓｓｉ。ｎｓｔｒｅｎｇｔｈ　　　　　　　作者简介：余训市（１９８１一），男，工程师，主要从事复合材料方面的研究，￣ｈｆｒｖｙｘｚ＠１６３．（３０１１１。　　　ＦＲＰ／ＣＭ２０１５．Ｎｏ．２　　　一一　——　　　　～，，，，，，，，，，产一一．一　　　～一　　　＿＿．．．¨¨ｊ．¨　．．．．．．－¨　＿．　　２０１５年第２期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　　　　构均匀；当碳纤维含量超过５０％以后，可以看到大部　　　　分泡孔开始出现变形扭曲，很多泡孔壁出现破损，还　　　　可以看到大量的碳纤维迹线，大量碳纤维与聚氨酯　　　　　　泡孔脱离。这主要是因为，随着碳纤维含量的增加，　　　　密度不一样的碳纤维和树脂基体发生分层，此时碳　　　　　纤维的存在被认为是一种缺陷，界面处的应力集中　　　导致碳纤维周围的基体材料发生脆性破坏。　　碳纤维的增强作用主要体现在碳纤维替代了部　　　　分泡沫体来承受压力，泡沫体的强度取决于泡沫基　　体的剪切强度和界面结合情况。一旦泡沫体与碳纤　　维界面间产生破坏，碳纤维会相对界面滑动直至拔　出，留出的孔洞加强了应力集中效应，使泡沫体和界　面未破坏的碳纤维受力增加，从而促使增强泡沫体　　　　　　产生进一步破坏。　４结　论　　　　　（１）随着碳纤维含量的增加，硬质聚氨酯泡沫　　　　的压缩强度先增加后降低，当碳纤维含量为３０％时，　　压缩强度达到最大值９．５４ＭＰａ；　　　　　（２）未加入碳纤维时，硬质聚氨酯泡沫泡孔大　　　而且软，随着加人碳纤维含量的增加，泡孔先逐渐变　　　　　　细，当加入碳纤维的含量超过３０％时，泡孔缺陷增　　多，出现了大量闭孔和塌泡。　参考文献　　　　　［１］谈玲华，王章忠，戴玉明，等．增强硬质聚氨酯泡沫的研究进展　　［Ｊ］．材料导报，２００６，２０（９）：２１－２５．　　　　　　　　　　［２］朱吕明，刘益军．聚氨酯泡沫塑料（第三版）［Ｍ］．北京：化学工　　　业出版社，２００４．　　　　　　　　　　　　　　［３］芦武钢，王钧．温度和湿度对聚醚型聚氨酯固化质量的影响　　　—　『Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３，（２）：２８３３．　　　　　　　　［４］朱海静，杨伟，杨鸣波，等．增强硬质聚氨醋泡沫塑料的压缩破　坏行为［Ｊ］．高分子材料科学与工程，２００３，１９（４）：１３３－１３５，１４３．　　　［５］梁书恩．聚氨酷泡沫塑料泡孔结构与力学性能关系的研究［Ｄ］．　　　四川绵阳：中国工程物理研究院，２００５．　　　　　　［６］罗庆君，翟国芳，陈晖，等．聚氨酯／玻璃钢复合材料性能研究　　　　［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１２，增刊：４６－４８．　　［７］刘新建．玻纤／微米ＳｉＯ２增强硬质聚氨酯泡沫塑料的制备与性能　　　　［Ｄ］．河北：燕山大学材料科学与工程学院，２００５．　　　　　　　　［８］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）：３６３９．　　　　　［９］李国忠，于衍真．玻璃纤维对硬质聚氨酯泡沫塑料增强机理的探　　　讨［Ｊ］．高分子材料科学与工程，１９９７，１３（４）：１３０－１３３．　　　　　—　　　　［１０］ＡｌｏｎｓｏＭＶ，ＡｕａｄＭＬ，ＮｕｔｔＳ．ｓｈｏｒｔｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｐｏｘｙｆｏａｍｓ　　　　　［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＡ：ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００６，３７—　（１１）：１９５２１９６０．　　　　　　　［１１］高卫卫，曹海建，钱冲．玻纤增强酚醛泡沫的制备及性能研究　　［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３，（９）：１７－２０．　　　　　［１２］赵斌，杨振国，王建华，等．纤维与颗粒混杂增强聚氨酯硬泡塑　　　　　　　　料的制备及显微形貌［Ｊ］．高分子材料科学与工程，２００５，２１　（１）：１８８－１９１．　　［１３］张民杰，晏石林，杨克伦，等．玻璃纤维对发泡木塑复合材料　　　　　　　　　成型及力学性能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（１）：—　２４２７．　　　—　［１４］Ｓ．Ｔｕｎｇｊｉｔｐｏｍｋｕｌｌ，Ｎ．Ｓｏｍｂａｔｓｏｍｐｏｐ．Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｆｉ　　　　　　　　—　ｂｅｒｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｇｌｅａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃＭｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＥｇｌａｓｓ　　　　　　ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｏｏｄ／ＰＶＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ『Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ　—　ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，（２０９）：３０７９３０８８．　　　　　　　［１５］李国忠．玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫塑料的微观结构及破坏　　—　机理研究［Ｊ］．复合材料学报，１９９６，１３（２）：１７２１．　　　　　　　　［１６］高泉喜，郑威，孔令美，等．表面处理剂对碳纤维复合材料力　—　学性能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（８）：ｌ１１５．　　　　　［１７］贺福，杨永岗，王润娥．碳纤维表面处理对层间剪切断裂形貌　　的影响［Ｊ］．高科技纤维与应用，２０１２，２７（４）：２７－３０．　　　　　　　　　　　ＳＴＵＤＹｏＮＣｏＭＰＲＥＳＳ１０ＳＴＲＥＮＧＴＨＡＮＤＭＯＲＰＨＯＬＯＧＹＯＦＣＨＯＰＰＥＤ　　　　　　ＣＡＲＢＯＮＦＩＢＥＲＲＥＩＮＦｏＲＣＥＤＰＯＬＹＵＲＥＴＨＡＮＥＦＯＡＭ　　ＹＵＸｕｎ・－ｚｈａｎｇ　　　　　　（ＳｈａｎｇｈａｉＦＲＰＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１４０４，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｃｈｏｐｐｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍｗａｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｈｏｐｐｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍ　　　　　　　　　　　　　　　　ｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍｈｏｌｅｓａｎｄｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅａｎｄＳＥＭ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｃｈｏｐｐｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｓ３０％，　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍｗａｓｏｐｔｉｍｕｍａｎｄｔｈｅｈｏｌｅｓｗｅｒｅｕｎｉｆｏｒｍ．Ｗｈｅｎｔｈｅｃｈｏｐｐｅｄｃａｒｂｏｎ　　　　　　　　　　　　　　　—　ｆｉｂｅｒｃｏｎｔｅｎｔｅｘｃｅｅｄｅｄ３０％，ｏｂｔｕｒａｔｏｒｓａｎｄｂｕｂｂｌｅｃｏｌｌａｐｓｅｂｅｇａｎｔｏａｐｐｅａｒ，ａｎｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｅｐａｒａｔｅｄｆｒｏｍｐｏｌｙ　　　　　　　ｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｃｒｅａｓｅｄ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈｏｐｐｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ；ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　　　　ｃ姒ｓ０．２Ｉ