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1、聚氨酯弹性体 /玻璃纤维复合材料的研究进展Huibo Zhang a,c,，W. Li b ，ujie Yang a， Lude Lu a，X. Wang a，Xiangdong Sun a，Yongchun Zhang aa：中国，南京，南京科技大学，化学工程系，210094。b：加拿大，阿尔伯塔省埃德蒙顿， 阿尔伯塔大学，机械工程系，T6G2 。c：中国，宁波，宁波职业技术学院，315800。摘要：用磨碎的玻璃纤维对聚氨酯弹性体复合材料的力学性能的影响进行了研究。特别是， 详细分析了经过有机处理的玻璃纤维的影响。实验结果表明，玻璃纤维大大增强了弹性体复合材料的强度和韧性。此外，结果表明，可
2、以通过添加用偶联剂化学处理过的研磨玻璃纤维可以得到最佳属性的弹性复合材料。关键词：研磨的玻璃纤维;聚氨酯弹性体 ;复合材料。1：介绍聚氨酯弹性体是广泛应用于各种行业。因为他们有良好的化学、 物理和机械性能如抗氧化、低温稳定性，辐射电阻，和耐磨性。为了进一步改善其力学性能可以在特定的工业发挥应用，研究聚氨酯复合材料是一种不错的方法。例如，wang和Pinnavaia1首先使用基蒙脱土纳米复合材料和有机蒙脱土分散在多元醇聚醚结晶形态和微相分离的聚氨酯弹性体的研究。 Tien和Wei2、3 用蒙脱土纳米复合材料合成一种新的聚氨酯使用改性蒙脱土纳米复合材料为假扩链剂，使聚氨酯弹性体增加了两个模量的强度
3、。Petrovica等发现了纳米二氧化硅球晶被均匀分散在软硬段的聚氨酯弹性体中扮演了重要角色。值得注意的是，尽管上述研究成功改善弹性体的各种性能，但是一般来说，很难同时增加弹性体的物理性能和化学性能。换句话说 ,就是强度增加，弹性降低。磨碎的玻璃纤维作为一种传统的聚合物复合材料添加材料被叫做短纤维。它的主要功能是加强各种聚合物的耐高温能力， 如聚四氟乙烯、尼龙、环氧树脂树脂。特别是短纤维可用于铸造和模具生产，提高表面质量 (如消除表面缺陷和裂纹 )。在这项研究中，用偶联剂处理过的短纤维复合聚氨酯弹性体， 至于搅拌方法的选择上面， 我们选择超声波技术，它可以避免表面搅拌的副作用。2：实验过程2.
4、1材料甲苯二异氰酸酯 (TDI 、2 4/2,6异构体 ,质量比 80/20)从日本，美国购买化学品，聚醚 3010。h . Zhang 等人从浙江太平洋化学有限公司购买基体材料，从上海购买1-4- 丁二醇（ BDO ），从南京曙光化工厂购买硅烷偶联剂（KH550 ），从南京玻璃纤维研究和设计研究所购买玻璃纤维（50 m）。从常熟购买无水酒精，在山东购买了硅胶油脂。2.2 实验仪器WDN-30 型微机控制万能材料试验机进行拉伸试验（中国深圳凯丽强机械有限公司）。样本的大小是 100 毫米 10 毫米 1 毫米 ;拉伸速度是 100 毫米 /分钟。测试温度是252C;相对湿度为 65 5%。样品
5、的硬度遵循一个统一标准， 测试人员来自上海六菱仪器厂。样品的大小是 40 毫米 40 毫米 5 毫米。使用 FITR WQF-510 傅里叶变换红外光谱仪进行分析（北京瑞丽公司） 。样本被涂上KBr 。扫描数量为每个实验是 40，分辨率为 2 cm 1 。超声研磨机 (二院 )从上海信质生物技术研究所购买。扫描电子显微镜(SEM)是从 JEOL 买的 (东京日本 )。把样品横向切片 ,获得了成型的拉伸标本，在真空中用铂金附上一层薄膜。扫描电镜是在20kv 的加速电压下进行观察的，应该指出，在目前的研究中，铸造弹性体样品直接使用扫描电镜观察没有进一步处理，从而建立组织和力学性能之间的关系，这是不
6、同于其他的研究。文献 13。2.3 样品制备2.3.1 玻璃光纤耦合处理磨碎的玻璃纤维溶解在酒精和KH550 中，然后混合放入一个超声空化场发生器，处理后和干空气,磨玻璃纤维放入烤箱在120C 1 h 和保留。2.3.2 加入磨碎的玻璃纤维多元醇加入一个500ml 带有温度计和搅拌器的烧杯，真空中100 -110C，多元醇脱水 1 h 后，温度下降到80C，加入磨碎的玻璃纤维，搅拌 30 分钟。然后加入甲苯二异氰酸酯，在80C 下反应 1h。然后温度下降到55C，快速搅拌 10 分钟。最后 ,反应物被放在一个模具里温度约为80 - 100C，然后升温至 130下固化 4h。2.3.3 垂直玻璃
7、纤维分布测量首先，用一个直径20 毫米 220 毫米的不锈钢钢管作为模具。这个模具是的内部使用的是硅脂释放剂涂层，它的一端是密封用木塞。 第二，把这个模具与复合材料放入烤箱，温度130C 约 4 h。然后取出复合材料和模具切取相同长度（3 ）和重量的样品。第三，获得的样本放入烤箱，温度450C 约 4 小时。有机化合物后完全燃烧后分解，称重残留物。最后，沉降速度和垂直分布可以从残渣重量除以样品重量后得到。3 结果与讨论3.1。玻璃纤维被耦合剂处理过后的表征图 1 和图 2 分别表示无处理的玻璃纤维表面和用偶联剂处理过的玻璃纤维表面。由此可见，未经处理的磨碎的玻璃纤维 ,纤维表面光滑 ,纤维非常
8、长聚合在一起， 短期和长纤维不均匀分布是由于氢键或它们之间的颤动。相反，经过处理的玻璃纤维均匀分布，因为纤维表面都覆盖着一层厚厚的剂膜，有效地降低了纤维之间的亲和力。因此，这种纤维的加入能显著降低弹性体和基质纤维之间咬合作用。图 1 无处理的玻璃纤维表面图 2 使用 KH550 处理过玻璃纤维表面3.2。磨碎的玻璃纤维的形貌表征弹性体图 3 显示了没有处理过玻璃纤维形态弹性体的表面， 看到软、硬段分布 明 显 。 这表 明 其 装 载 能力 可 能 主 要取 决 于 硬 段 的分 布 。图 3 没有玻璃纤维形态结构的弹性体。图 4，图 5 显示了未经处理的玻璃纤维弹性体的形态和经过处理过的玻璃
9、纤维弹性体的形态。 可以看到磨纤维混合均匀的弹性体分布不仅有硬段还有软段 , 表明复合材料的力学性能更好。 此外 , 对比图 4 与图 5, 我们发现未经处理的纤维表面光滑 , 也不可能完全与聚氨酯弹性体复合。显然 , 这种纤维不是很好的衬底材料。 因此 , 当材料经历了一个外力后 , 纤维可以很容易地被提取出来 , 指示一个材料的机械强度。 相反 , 对于纤维、硅烷偶联剂有很强的亲和力的聚氨酯和玻璃纤维由于分子的一端是水解 , 生成亲水性激进硅氢氧化之间的缩合反应偶联剂和玻璃纤维。这因此表明有良好的界面粘合性能和良好的机械性能。图 4 未经处理的玻璃纤维的弹性体的形态图 5 经过处理的璃纤维
10、弹性体的形态3.3 红外光谱学分析进一步确定化聚氨酯和偶联剂之间的化学反应，我们使用红外光谱分析结构的处理样品。 图 6，图 7 表示了样品没加KH550 和加了 KH550之后的红外光谱图。 这两组数据显示， 看到对于材料的官能团是没有影响的，表明研磨纤维没有影响弹性体复合材料的结构。尤其是，对于复合材料，有较强吸收峰的异氰酸酯组在2270cm 1 表明，异氰酸酯的一部分仍然未能参加反应。与此同时,吸收峰的氨基甲酸酯组约1724cm 1 和 1600cm 1 和强劲的 c- o- c伸缩振动峰在 1103cm 1 表明这两个聚醚和二异氰酸盐参与反应。此外,该吸收峰在 1454cm 1 可能是
11、由于非对称弯曲振动和弯曲 CH 3 CH 2 的振动 ,而峰值在 1379cm 1 可能是由于 CH 2 的弯曲振动 5。我们可以从游离的 N-H 多少，推断出“氢键”的多少。图 6图 73.4。垂直分布的纤维磨弹性体为了进一步调查磨纤维在弹性体内的作用,我们测量了垂直分布比例。表 1 显示了不同比率条件下。 处理过的以及未处理过的弹性体加10%和 15%纤维的垂直分布，在不同的垂直分布中比率分布几乎相同。这也符合前面的显微结构的观察。表 1 不同的磨玻璃纤维弹性体的垂直分布垂直距离垂直分布率 %(cm)通过偶联剂处理未通过偶联处理10%含量15%含量10%含量15%含量509.7614.63
12、9.5814.581009.7814.609.6214.601509.7514.669.6414.602009.7514.649.6214.493.5 纤维含量对复合材料的力学性能的影响表 2 显示了不同纤维含量下不同的机械性能， 从表 2 可以看出，纤维含量很小的复合材料 (如含量 1%)、机械性能的弹性体是非常差的。对未经处理的纤维， 相应的弹性体力学性能有改善， 但加固效果并不如预期，甚至不容易发现 (如伸长百分率 )。相反，用纤维硅烷偶联剂处理过的纤维复合材料，机械性能 (如最大拉伸力和断裂伸长 )显著增强。正如前面所讨论的，增加纤维和基体之间的粘接强度，这是一个用于增强塑料的原则。
13、68.表 2 力学性能不同的弹性体机械性通过偶联处理未 通过偶联 处能理0%1%5%10%15%10%15%拉伸力358.20334.94420.32453.9665.5406.5569.8/N肖氏硬68666864756667度/A抗拉强2.642.453.185.878.054.925.59度/MPa断裂强2.642.453.136.878.035.595.59度/MPa断裂伸226.44225.34242.62249.40292.5130.86145.02长 / %弹性模3.994.278.158.766.773.503.57量 /MPa4 结论用磨碎的玻璃纤维对聚氨酯弹性体复合材料的其
14、力学性能进行了调查。实验结果表明 ,磨玻璃纤维通过 KH550 处理后均匀分布在弹性复合材料商。特别是 ,耦合剂会形成微观结构和进一步提高复合材料的抗拉强度和硬度以及伸长率。此外，它能证明纤维含量在机械性能复合材料扮演一个重要角色;一般来说，磨玻璃纤维超过5%可以大大提高弹性体各方面的机械性能。此外，它还表明了未经处理的磨玻璃纤维可以改善单一机械性能，但可能会影响弹性体的其他性能。参考文献1 Z. Wang, T.J. Pinnavaia, Chem. Mater. 10 (1998) 3769.2 Y.I. Tien, K.H. Wei, Macromolecules 34 (2001) 9
15、045.3 Y.I. Tien, K.H. Wei, Polymer 42 (2001) 3213.4 Z.S. Petrovic, I. Javni, A. Waddon, et al., J. Appl. Polym. Sci. 76 (2000)133.5 T.K. Chen, Y.I. Tien, K.H. Wei, J. Polym. Sci., A 37 (1999) 2225.6 Y. Hu, L. Song, J. Xu, et al., Colloid Polym. Sci. 279 (2001) 819.7 B. Salih, Y. Ulku, P. Fikret, et al., J. Appl. Polym. Sci. 68 (1998) 1057.8 M.M. Gou, W.J. Koros, G. Goldman, J. Appl. Polym. Sci. 64 (1994) 1685.