聚氨酯的泡沫三明治性能評估分析范文

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摘要：通過灌注后密度與剪切測試，平行比較了聚氨酯系統料（PU）與傳統環氧系統料（EP）的泡沫三明治性能。結果顯示，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度偏低。通過對典型剪切應力-應變曲線和破壞后剪切樣條進行分析，判定這是由于PU本體的斷裂延伸率較低從而無法充分發揮泡沫性能所致，為后續PU的配方優化提供方向。

關鍵詞：聚氨酯系統料；泡沫三明治；灌注后密度；剪切性能

近年來，聚氨酯系統料（PU）憑借其強度高、纖維浸潤性好和固化速度快等優點，在復合材料領域得到迅猛發展，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的適合大型結構件制造的低成本成型技術，是制作風電葉片、風機導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氧系統料（EP）[2]。最近，科思創、亨斯曼和陶氏等公司投入大量研發力量，開發出真空灌注型PU，并在一些簡單部件上得到應用[3]。然而，真空灌注型PU要得到全面應用，一些問題仍需攻克。比如在泡沫三明治結構中的使用中，其放熱溫度高會導致泡沫尺寸劇烈變化，同時對水分敏感的特點使得其與大部分親水型泡沫不兼容。泡沫三明治結構是一種特殊的復合材料結構類型，在密度低而相對厚一點的泡沫兩側貼上薄而剛度高的玻璃鋼蒙皮，具有質輕而高強的特點，目前在風電、航空、軌道交通等領域的復合材料結構中廣泛應用[4]。傳統用于泡沫三明治結構的夾芯材料為Balsa木、交聯聚氯乙烯泡沫、丙烯腈-苯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫[5-8]。其中，PET泡沫由于高溫下尺寸穩定性高和疏水性好的優點[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水分敏感的問題。本文旨在通過平行比較PU與傳統EP的PET泡沫三明治性能，為今后這些材料的大規模應用提供依據。

1實驗部分

1.1主要原料

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

1.2主要設備以儀器

灌注后密度在電子天平上測量，電子天平型號為ME204E，從梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司采購。剪切性能和剝離強度通過萬能試驗機表征，萬能試驗機型號為CMT5015，從美特斯工業系統(中國)有限公司采購。

1.3樣品制備

對于PET泡沫本體，按標準要求切割成測試樣條，用于剪切測試。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，對其進行打孔處理：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：鋪設真空系統，待真空度達到工藝要求時灌注PU或EP，按照規定的固化制度進行加熱固化。最后，夾層板去掉兩側的玻璃鋼蒙皮，并按標準要求切割成測試樣條，用于灌注后密度、剪切和剝離測試。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性能測試

灌注后密度測試：按ISO845標準進行，樣條尺寸500×500×30mm3。剪切測試：剪切強度和剪切模量通過ASTMC273標準測得，樣條尺寸250×50×20mm3。剝離測試：剝離強度通過ASTMD1781標準測試，樣條尺寸300×60×25mm3。

2結果與討論

2.1測試結果

泡沫三明治的性能除了取決于泡沫和真空灌注系統料的本體性能，還與泡沫表層真空灌注系統料的吸收量有關：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料的填充量，和泡沫表層真空灌注系統料的吸收量之和[10]，而前兩者對于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料的吸收量可以通過灌注后密度進行比較。測試結果表明，無論是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，可以排除真空灌注系統料吸收量的影響。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拉應力、壓應力和剪切應力，內部泡沫主要承受面外剪應力[4]。因此，對于內部泡沫，其作用是抵抗面外剪力、防止失穩，剪切性能是最關鍵指標。首先，我們測試PET泡沫本體的剪切性能：剪切模量為20.8MPa，剪切強度為0.76MPa，這與供應商提供的技術說明書基本一致。接著，我們測試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，比PET泡沫本體高了約35%。但是，PU+PET的剪切強度較低，比EP+PET低了大概15%，比PET泡沫本體低了約20%，這在結構設計中需要重點關注。除了剪切性能，泡沫三明治的粘接性能也是結構設計的考慮重點，因為破壞經常發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計載荷下不出現褶皺、界面脫粘等破壞現象[4]。本研究通過剝離強度來表征泡沫與玻璃鋼蒙皮的粘接情況。無論是PU+PET還是EP+PET，剝離強度都在40(N×mm)/mm左右，滿足一般結構設計要求[5]。

2.2結果分析

泡沫三明治的性能取決于泡沫表層真空灌注系統料的吸收量、泡沫的本體性能和真空灌注系統料的本體性能[4]。根據之前討論可知，PU+PET和EP+PET具有相當的真空灌注系統料吸收量，而泡沫都是ArmaFOAMGR100HT,因此性能上的差異主要是由PU和EP的差別導致的。根據原料供應商提供的技術說明書，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性。如之前所述，同EP+PET相比，PU+PET的剪切強度低了15%左右。然而根據原料供應商提供的技術說明書，PU的拉伸強度反而比EP要高20%。展現了PU+PET和EP+PET的典型剪切應力-應變曲線，可以很好地解釋這一現象：PU+PET的剪切斷裂延伸率較低，只有2.5%左右，因而沒有充分發揮出PET泡沫的性能；而EP+PET的剪切斷裂延伸率較高，達到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料的情況下，剪切斷裂延伸率在20%以上。無論是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，這是因為PU本體的斷裂延伸率較低：根據原料供應商提供的技術說明書，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。可以看到，對于PU+PET，樣條破壞時兩側沒有裂紋，即樣條從內部富含真空灌注系統料的打孔區域率先破壞，沒有充分發揮出PET泡沫的性能；而對于EP+PET，樣條是整個長度方向破壞，兩側都有裂紋，說明PET泡沫的性能被充分挖掘。

3結論

本研究通過灌注后密度與剪切測試，平行比較了真空灌注型PU與傳統真空灌注型EP的PET泡沫三明治性能。結果表明，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，但剪切強度偏低。通過對典型剪切應力-應變曲線和破壞后剪切樣條進行分析，判定這是由于PU本體的斷裂延伸率較低從而無法充分發揮泡沫性能所致：EP+PET的剪切斷裂延伸率達到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模應用提供了依據，也為后續PU的配方優化提供了方向。

參考文獻：

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作者:曹也文 單位:道生天合材料科技(上海)有限公司