聚氨酯的泡沫三明治性能评估分析范文
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摘要：通过灌注后密度与剪切测试，平行比较了聚氨酯系统料（PU）与传统环氧系统料（EP）的泡沫三明治性能。结果显示，与EP的泡沫三明治相比，PU的泡沫三明治剪切模量几乎一致但剪切强度偏低。通过对典型剪切应力-应变曲线和破坏后剪切样条进行分析，判定这是由于PU本体的断裂延伸率较低从而无法充分发挥泡沫性能所致，为后续PU的配方优化提供方向。
关键词：聚氨酯系统料；泡沫三明治；灌注后密度；剪切性能
近年来，聚氨酯系统料（PU）凭借其强度高、纤维浸润性好和固化速度快等优点，在复合材料领域得到迅猛发展，涵盖树脂传递成型、拉挤成型、缠绕成型和真空灌注成型等多种工艺[1]。其中，真空灌注成型作为一种先进的适合大型结构件制造的低成本成型技术，是制作风电叶片、风机导流罩和游艇船体等的主流方法，也是体量最大的方法。这种工艺对材料的工艺性能和物理性能的要求极高，目前几乎全部使用真空灌注型环氧系统料（EP）[2]。最近，科思创、亨斯曼和陶氏等公司投入大量研发力量，开发出真空灌注型PU，并在一些简单部件上得到应用[3]。然而，真空灌注型PU要得到全面应用，一些问题仍需攻克。比如在泡沫三明治结构中的使用中，其放热温度高会导致泡沫尺寸剧烈变化，同时对水分敏感的特点使得其与大部分亲水型泡沫不兼容。泡沫三明治结构是一种特殊的复合材料结构类型，在密度低而相对厚一点的泡沫两侧贴上薄而刚度高的玻璃钢蒙皮，具有质轻而高强的特点，目前在风电、航空、轨道交通等领域的复合材料结构中广泛应用[4]。传统用于泡沫三明治结构的夹芯材料为Balsa木、交联聚氯乙烯泡沫、丙烯腈-苯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫[5-8]。其中，PET泡沫由于高温下尺寸稳定性高和疏水性好的优点[9]，是最适合匹配真空灌注型PU的夹芯材料，可以解决其放热温度高和对水分敏感的问题。本文旨在通过平行比较PU与传统EP的PET泡沫三明治性能，为今后这些材料的大规模应用提供依据。
1实验部分
1.1主要原料
真空灌注型PU由科思创聚合物（中国）有限公司，牌号为78BD085/44CP20，目前已在风电叶片的大梁和腹板上应用[3]。用于对比的真空灌注型EP由道生天合材料科技（上海）有限公司提供，牌号为Techstorm180/185，是目前市场份额最大的真空灌注系统料。PET泡沫由阿乐斯绝热材料（广州）有限公司，牌号为ArmaFOAMGR100HT（密度为100kg/m3），是市面上主流的用于泡沫三明治结构的PET泡沫。玻纤织物由浙江恒石纤维基业有限公司提供，牌号为E-BIAX808，是克重800的双轴布。
1.2主要设备以仪器
灌注后密度在电子天平上测量，电子天平型号为ME204E，从梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司采购。剪切性能和剥离强度通过万能试验机表征，万能试验机型号为CMT5015，从美特斯工业系统(中国)有限公司采购。
1.3样品制备
对于PET泡沫本体，按标准要求切割成测试样条，用于剪切测试。PET泡沫三明治按照以下步骤制备。首先，为了提高PET泡沫的灌注工艺性，对其进行打孔处理：打通孔，孔径2mm，间距20mm*20mm。接着，在打孔后的PET泡沫上下各铺两层玻纤织物，然后采用真空灌注工艺制备夹层板：铺设真空系统，待真空度达到工艺要求时灌注PU或EP，按照规定的固化制度进行加热固化。最后，夹层板去掉两侧的玻璃钢蒙皮，并按标准要求切割成测试样条，用于灌注后密度、剪切和剥离测试。为了方便后面讨论，PET泡沫本体称为PET-F，真空灌注型PU的PET泡沫三明治称为PU+PET，真空灌注型EP的PET泡沫三明治称为EP+PET。
1.4性能测试
灌注后密度测试：按ISO845标准进行，样条尺寸500×500×30mm3。剪切测试：剪切强度和剪切模量通过ASTMC273标准测得，样条尺寸250×50×20mm3。剥离测试：剥离强度通过ASTMD1781标准测试，样条尺寸300×60×25mm3。
2结果与讨论
2.1测试结果
泡沫三明治的性能除了取决于泡沫和真空灌注系统料的本体性能，还与泡沫表层真空灌注系统料的吸收量有关：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为泡沫密度，孔洞中真空灌注系统料的填充量，和泡沫表层真空灌注系统料的吸收量之和[10]，而前两者对于PU+PET和EP+PET是一样的（泡沫密度为100kg/m3，孔洞的尺寸和分布没有差别），因此泡沫表层真空灌注系统料的吸收量可以通过灌注后密度进行比较。测试结果表明，无论是PU+PET还是EP+PET，其灌注后密度都是153kg/m3。所以，在比较PU+PET和EP+PET的性能时，可以排除真空灌注系统料吸收量的影响。泡沫三明治承受荷和传递载荷的原理与工字梁相似：玻璃钢蒙皮主要承受面内拉应力、压应力和剪切应力，内部泡沫主要承受面外剪应力[4]。因此，对于内部泡沫，其作用是抵抗面外剪力、防止失稳，剪切性能是最关键指标。首先，我们测试PET泡沫本体的剪切性能：剪切模量为20.8MPa，剪切强度为0.76MPa，这与供应商提供的技术说明书基本一致。接着，我们测试PET泡沫三明治的性能。可以看到，同EP+PET相比，PU+PET的剪切模量相当，比PET泡沫本体高了约35%。但是，PU+PET的剪切强度较低，比EP+PET低了大概15%，比PET泡沫本体低了约20%，这在结构设计中需要重点关注。除了剪切性能，泡沫三明治的粘接性能也是结构设计的考虑重点，因为破坏经常发生在界面而不是材料本体。泡沫与玻璃钢蒙皮要有良好的粘接，确保泡沫三明治在设计载荷下不出现褶皱、界面脱粘等破坏现象[4]。本研究通过剥离强度来表征泡沫与玻璃钢蒙皮的粘接情况。无论是PU+PET还是EP+PET，剥离强度都在40(N×mm)/mm左右，满足一般结构设计要求[5]。
2.2结果分析
泡沫三明治的性能取决于泡沫表层真空灌注系统料的吸收量、泡沫的本体性能和真空灌注系统料的本体性能[4]。根据之前讨论可知，PU+PET和EP+PET具有相当的真空灌注系统料吸收量，而泡沫都是ArmaFOAMGR100HT,因此性能上的差异主要是由PU和EP的差别导致的。根据原料供应商提供的技术说明书，PU和EP具有几乎一样的拉伸模量，这很好地解释了PU+PET和EP+PET在剪切模量上的相当性。如之前所述，同EP+PET相比，PU+PET的剪切强度低了15%左右。然而根据原料供应商提供的技术说明书，PU的拉伸强度反而比EP要高20%。展现了PU+PET和EP+PET的典型剪切应力-应变曲线，可以很好地解释这一现象：PU+PET的剪切断裂延伸率较低，只有2.5%左右，因而没有充分发挥出PET泡沫的性能；而EP+PET的剪切断裂延伸率较高，达到4%以上，PET泡沫的性能被挖掘得更充分。我们还可以看到，PET泡沫本体在没有填充真空灌注系统料的情况下，剪切断裂延伸率在20%以上。无论是PU还是EP的引入，都大大降低了PET泡沫的剪切断裂延伸率。相较而言，引入PU所造成的剪切断裂延伸率下降较高，这是因为PU本体的断裂延伸率较低：根据原料供应商提供的技术说明书，PU本体的断裂延伸率为5.0%,而EP本体的断裂延伸率为8%。展示了PU+PET和EP+PET的剪切破坏后样条。可以看到，对于PU+PET，样条破坏时两侧没有裂纹，即样条从内部富含真空灌注系统料的打孔区域率先破坏，没有充分发挥出PET泡沫的性能；而对于EP+PET，样条是整个长度方向破坏，两侧都有裂纹，说明PET泡沫的性能被充分挖掘。
3结论
本研究通过灌注后密度与剪切测试，平行比较了真空灌注型PU与传统真空灌注型EP的PET泡沫三明治性能。结果表明，与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几乎一致，但剪切强度偏低。通过对典型剪切应力-应变曲线和破坏后剪切样条进行分析，判定这是由于PU本体的断裂延伸率较低从而无法充分发挥泡沫性能所致：EP+PET的剪切断裂延伸率达到4%以上，而PU+PET的剪切断裂延伸率只有2.5%左右。这为今后这些材料的大规模应用提供了依据，也为后续PU的配方优化提供了方向。
参考文献：
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[10]王东生,杨萍.夹芯材料在风电叶片上的应用研究[J].纤维复合材料,2016(4):1-6.
作者:曹也文 单位:道生天合材料科技(上海)有限公司
