超细碳酸钙在硬质聚氨酯泡沫塑料中的分散及其增强效果

芦 艾 王建华 周秋明
　　近年来，刚性粒子同时增强增韧聚合物已开始成为新的研究热点。由于超细粉体对设备的磨损较小且不易造成堵塞，如通过适当的方式形成稳定的分散体系，则可以较好地解决目前增强反应注射成型过程中的工艺问题。采用超声辐照技术，用在位分散聚合的方法得到微米和纳米碳酸钙增强聚氨酯泡沫塑料，用激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)及扫描电子显微镜(SEM)研究其结构，并考察了碳酸钙对材料力学性能的影响。

碳酸钙分散在聚醚中             碳酸钙分散在PAPI中，图中标尺为10μm
图 1 自由发泡聚氨酯表皮的LCSM图象(碳酸钙含量10wt%)
图1是微米碳酸钙分别分散在聚醚和PAPI组分中然后自由发泡聚氨酯表皮的LCSM照片。在弱声强的条件下，分散到聚醚中的碳酸钙有较强的聚集作用，而碳酸钙在PAPI中的分碳酸钙分散在聚醚中 碳酸钙分散在PAPI中，图中标尺为10mm散要均匀得多。究其原因在于碳酸钙表面有很多羟基，它与异氰酸根发生化学反应可以产生一种"自偶联效应"，造成碳酸钙在PAPI中的均匀稳定分散，而碳酸钙与聚醚之间只有氢键作用，效果要弱得多。在较强的功率超声作用下，纳米碳酸钙可以稳定分散在PAPI中(图2)。硬质聚氨酯泡沫塑料由于高的交联密度，其软硬段不产生规则的微相分离。因此可判定图2中的微粒确实是分散在基体中的碳酸钙，其尺寸约为100nm，与所用原生粒径为70nm的碳酸钙相比，基本上达到了单分散水平。

　　力学性能研究结果表明，微米碳酸钙和纳米碳酸钙的加入均会引起硬质聚氨酯泡沫的拉伸强度下降，但幅度轻微。微米碳酸钙和纳米碳酸钙对压缩强度和压缩模量均可以提高，而且在泡沫塑料密度较大时提高幅度较大，纳米碳酸钙在相同添加量时，要比微米碳酸钙增强效应明显。随着微米碳酸钙的含量增加，材料冲击强度先是下降然后略有上升；而随纳米碳酸钙含量增加，材料冲击强度先是上升然后下降。

　　出现上述现象的原因是，微米碳酸钙在添加量达到一阈值时，材料本体性能会发生脆韧转变。而泡沫塑料的力学性能除了与本体材料的性能有关外，其泡孔结构对性能有极大影响，纳米碳酸钙的加入导致PAPI粘度急剧上升，在发泡过程中使泡孔结构产生许多缺陷，而冲击强度对此非常敏感。超细刚性粒子增强聚氨酯泡沫塑料的泡孔结构生成的控制条件与非增强聚氨酯泡沫塑料相比有极大不同。所以，要有效发挥纳米粒子同时增强增韧聚氨酯泡沫塑料的潜力，尚需详细研究纳米粒子对发泡过程的影响及相应控制条件。


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