admin
CaSO4 晶须对不饱和聚酯腻子的改性研究
张连红1, 2 张 强1, 2 佘红梅2 张洪林2 田彦文1
( 1 东北大学材料与冶金学院, 沈阳110004;2 辽宁石油化工大学环境工程系, 抚顺113001)
不饱和聚酯腻子又称原子灰, 是以不饱和聚酯树脂( UP) 为主料, 再配以助剂、填料, 经过混合、研磨而成。它是一种新型嵌填材料, 具有可厚涂、常温快速固化、附着力强、易打磨、不开裂等优点, 适用于金属、木材及复合材料等底部的表面填补, 在汽车制造及其修补、机械制造、木器家具等行业应用广泛[ 1] 。UP 是聚酯腻子的关键原料, UP 质量的好坏直接影响腻子的各项性能, 但填料及助剂的选择也会对腻子的性能产生一定的影响。晶须作为一种微观尺寸的单晶纤维材料, 在材料的强化改性, 陶瓷增韧, 功能材料设计等方面有着良好的应用前景[ 2] 。硫酸钙晶须是以二水硫酸钙( CaSO4 . 2H2 O) 为主要原料制得的白色疏松针状物, 具有颗粒状填料的细度, 短纤维材料的长径比, 强度高, 韧性好, 耐高温, 耐磨耗, 易于进行表面处理, 与树脂、塑料、橡胶相溶性好, 能够均匀分散[ 3] 。将CaSO4 晶须加入到聚酯腻子中可替代填料中的白炭黑, 并改善腻子的各项性能。笔者使用抚顺哥俩好集团有限公司生产的不饱和聚酯树脂、固化剂和实验室自制CaSO4 晶须, 配制聚酯腻子, 并考察CaSO4 晶须对聚酯腻子各项性能的影响。
1 实验部分
1. 1 原 料
不饱和聚酯树脂, 固化剂, 工业级, 抚顺哥俩好集团有限公司; 滑石粉( 320 目) , 重质碳酸钙( 320目) , 钛白粉, 促进剂, 引发剂, 市售工业品; 白炭黑,工业级, 通化双龙公司; CaSO4 晶须( 500nm, 500nm改性, 200nm, 200nm 改性) , 实验室自制。
1. 2 聚酯腻子的制备
制备聚酯腻子的配方如表1。
注: 钴液为6%~ 10%的辛酸钴的苯乙烯溶液; 引发剂为N, N-二甲基苯胺; 增稠剂亦称防沉剂; CaSO4 晶须分别为500nm、500nm 改性、200nm、200nm 改性, 加入量分别为树脂总量的1%, 2%和3%。
固化剂: 过氧化甲乙酮, 加入量为4 份( 质量)配制过程: 按配方量准确称取不饱和聚酯树脂,放于腻子专用铁桶中, 加入阻聚剂搅拌均匀后, 加入经干燥处理的CaSO4 晶须, 搅拌均匀并放在超声波分散仪内分散20min; 分散结束后, 继续向树脂中加入促进剂、引发剂, 搅拌均匀后再加入滑石粉、钛白粉、重质碳酸钙, 搅拌均匀即可。
1. 3 性能测试
原子灰各项性能按国家标准方法测定( 表2) 。
2 结果与讨论
2. 1 晶须对可打磨时间的影响
可打磨时间是原子灰使用过程中的一项重要指标, 抚顺哥俩好集团有限公司生产的哥俩好牌原子灰的可打磨时间要求小于40min, 晶须的加入对可打磨时间有一定的影响( 如图1) 。
不同粒径级别( 包括改性和未改性) 的CaSO4晶须的加入都在一定程度上对原子灰的可打磨时间产生了影响, 其总体变化趋势是, 随着CaSO4 晶须的加入, 原子灰的可打磨时间稍有延长。这是因为晶须具有一定的吸水性, 晶须吸水后使原子灰的固化时间和表干时间延长, 因此可打磨时间随之延长。
2. 2 晶须对抗冲击性的影响
一般来说, 热固性树脂固化后交联密度大, 断裂表面能低, 受到弯曲应力作用时, 通常不出现屈服就发生破坏。CaSO4 晶须具有纤维状结构, 当受外力作用时较易产生形变, 能够吸收冲击振动能量, 同时冲击裂纹在扩展过程中遇到晶须便会受阻, 裂纹得以抑制, 从而起到增韧作用。图2 表明了CaSO4 晶须对原子灰抗冲击性能的影响。
由图可看出, 500nmCaSO4 晶须的加入对原子灰的增强有抑制作用, 而200nmCaSO4 晶须对原子灰抗冲击性有明显的提高。尤其是200nm 改性CaSO4 晶须, 当加入量为2% 时, 原子灰的冲击强度由32kg • cm 提高到40kg • cm 以上, 较未加晶须前提高了26. 5% 。这是因为纳米材料对尺寸表现出强烈的依赖性, 500nm 晶须因粒径较大, 与树脂形成复合材料后, 不能发挥纳米材料的特性, 而200nm晶须与树脂形成复合材料后, 使树脂脆性降低, 韧性增大, 因而提高了原子灰的抗冲击性。
2. 3 晶须对邵氏硬度的影响
硬度是原子灰机械性能的一项重要指标。硬度大则原子灰不易打磨, 不易下沫; 硬度小则机械强度不高。哥俩好牌原子灰的硬度指标通常控制在50~ 70 之间( 邵氏硬度) 。CaSO4 晶须的加入可提高原子灰的邵氏硬度( 如图3) 。
由图可看出, 当200nm 级改性CaSO4 晶须加入量为2% 时, 原子灰的硬度从55 提高到62, 较未加晶须前提高了13%。这是由于晶须本身结构纤细,且具高强度, 高模量。改性后的晶须加入到树脂中,能够在树脂基体中均匀分散, 形成聚合物- 纤维复合新材料。晶须的加入使聚合物内聚强度增大, 薄弱环节减少, 显著地提高了机械性能; 通过打磨性测试, 加入晶须后的原子灰打磨性符合国家标准。
2. 4 晶须对收缩率的影响
由于不饱和聚酯树脂的固化过程是放热反应,反应放出的热量使腻子表面和腻子与基材接触面之间受力不均匀, 树脂表面所受应力大于腻子与基材接触面所受应力。当高温烘烤后, 样板表现为轻微向上弯曲的特点, 严重时会使腻子与基材表面脱落,影响腻子使用性能。通常原子灰收缩率应控制在小于3%。CaSO4 晶须的加入对原子灰的收缩率有明显的缓解作用( 如图4) 。
图4 不同粒径CaSO4 晶须加入量对原子收缩率的影响
由图4 可看出, 加入CaSO4 晶须的样板的收缩率有下降趋势。200nm 改性CaSO4 晶须在加入量为2% 时样板的收缩率较未加晶须前降低了18. 75%。这是因为晶须的存在能够发展定向结构,但又不产生各相异性, 在受应力作用时能产生一定的形变, 使应力松弛, 消除界面应力集中和残余应力, 从而降低了腻子的收缩率。
2. 5 原子灰改性前后常规性能比较
由表3 可看出, 用200nm 改性CaSO4 晶须后的聚酯腻子综合性能优于未改性聚酯腻子。
3 结 论
( 1) 在不饱和聚酯腻子中加入CaSO4 晶须替代白炭黑, 可使聚酯腻子的部分性能有所提高。
( 2) 当200nm 改性CaSO4 晶须。加入量为2%时, 聚酯腻子的抗冲击性提高了26. 5% , 硬度提高了13% , 收缩率下降了18. 75% , 聚酯腻子的可打磨时间稍有延长。
