聚氨酯增韌劑改善塑料抗衝(chong) 擊性能的研究 引言 塑料憑借其質輕、耐腐蝕、易加工等優(you) 良特性，在電子、汽車、建築、包裝等眾(zhong) 多領域得到了廣泛應用。然而，多數塑料存在抗衝(chong) 擊性能不足的問題，在受到外力衝(chong) 擊時容...
聚氨酯增韌劑改善塑料抗衝擊性能的研究
引言
塑料憑借其質輕、耐腐蝕、易加工等優良特性，在電子、汽車、建築、包裝等眾多領域得到了廣泛應用。然而，多數塑料存在抗衝擊性能不足的問題，在受到外力衝擊時容易發生斷裂或破損，這極大地限製了其在一些對材料力學性能要求較高場合的應用。例如，汽車保險杠、電子設備外殼等部件，需要具備良好的抗衝擊性能以應對可能的碰撞和衝擊。
為了改善塑料的抗衝擊性能，科研人員和企業進行了大量研究，開發出了多種增韌方法，其中添加增韌劑是一種簡單、有效的手段。聚氨酯增韌劑作為一類重要的增韌劑，因其獨特的結構和性能，在改善塑料抗衝擊性能方麵表現出顯著優勢。它能夠與塑料基體形成良好的相容性，通過一係列作用機製提升材料的韌性，同時對塑料的其他性能影響較小。深入研究聚氨酯增韌劑改善塑料抗衝擊性能的原理、效果及影響因素，對於拓展塑料的應用範圍、提高產品質量具有重要意義。
聚氨酯增韌劑概述
定義與分類
聚氨酯增韌劑是一種以聚氨酯為主體成分，能夠提高塑料材料抗衝擊性能的助劑。根據分子結構和性能特點，可分為聚酯型聚氨酯增韌劑、聚醚型聚氨酯增韌劑和聚烯烴型聚氨酯增韌劑等。
聚酯型聚氨酯增韌劑由聚酯多元醇與異氰酸酯反應製得，具有較好的耐油性和機械強度，與極性塑料的相容性較好。聚醚型聚氨酯增韌劑則由聚醚多元醇和異氰酸酯合成，其柔韌性和耐低溫性能優異，適用於對低溫抗衝擊性能要求較高的場合。聚烯烴型聚氨酯增韌劑是在聚氨酯分子鏈中引入聚烯烴鏈段而製得，與非極性塑料的相容性更佳。
作用原理
聚氨酯增韌劑改善塑料抗衝擊性能的作用原理主要包括以下幾個方麵：
- 彈性體增韌：聚氨酯增韌劑本身具有較高的彈性，當塑料受到衝擊時，聚氨酯彈性體能夠吸收和分散衝擊能量，減少應力集中，從而阻止裂紋的擴展。
- 界麵作用：聚氨酯增韌劑與塑料基體之間形成良好的界麵結合，在受到外力作用時，界麵處能夠發生應力傳遞和分散，提高材料的整體韌性。
- 空穴化效應：在衝擊過程中，聚氨酯增韌劑粒子內部可能產生空穴，空穴的產生和增長能夠消耗大量的衝擊能量，同時引發周圍基體的塑性變形，進一步提高材料的抗衝擊性能。
性能參數及典型產品介紹
聚氨酯增韌劑的性能參數對其增韌效果有著重要影響，常見的性能參數包括分子量、硬度、拉伸強度、斷裂伸長率、玻璃化轉變溫度等。以下為幾種典型聚氨酯增韌劑的性能參數（表 1）：
以某國外品牌的聚酯型聚氨酯增韌劑 PU-2000 為(wei) 例，其分子量為(wei) 20000 g/mol，硬度為(wei) 80 邵氏 A，拉伸強度為(wei) 25 MPa，斷裂伸長率為(wei) 500%，玻璃化轉變溫度為(wei) – 20℃。該產(chan) 品在聚氯乙烯（PVC）塑料的增韌中表現出良好的效果，能夠顯著提高 PVC 的抗衝(chong) 擊性能。
聚氨酯增韌劑對不同塑料抗衝(chong) 擊性能的改善效果
對聚氯乙烯（PVC）的改善效果
PVC 是一種應用廣泛的通用塑料，但其抗衝(chong) 擊性能較差，尤其是在低溫環境下更為(wei) 明顯。添加聚氨酯增韌劑是改善 PVC 抗衝(chong) 擊性能的常用方法。
研究表明，當聚酯型聚氨酯增韌劑的添加量為(wei) 8-12 份時，PVC 的衝(chong) 擊強度可提高 50%-100%。例如，未添加增韌劑的 PVC 衝(chong) 擊強度為(wei) 5 kJ/m²，添加 10 份 PU-2000 後，其衝(chong) 擊強度可達到 8-10 kJ/m²。同時，材料的斷裂伸長率也有一定程度的提高，從(cong) 原來的 20% 提高到 40%-60%。
國外學者 Smith 等人（2020）通過實驗研究了不同類型聚氨酯增韌劑對 PVC 抗衝(chong) 擊性能的影響。結果發現，聚醚型聚氨酯增韌劑在低溫下對 PVC 的增韌效果更為(wei) 顯著，在 – 20℃時，添加 10 份聚醚型聚氨酯增韌劑的 PVC 衝(chong) 擊強度比添加相同份數聚酯型聚氨酯增韌劑的 PVC 高出 20%-30%。
對聚丙烯（PP）的改善效果
PP 是一種結晶性塑料，具有較高的強度和剛性，但抗衝(chong) 擊性能，特別是低溫抗衝(chong) 擊性能較差。聚氨酯增韌劑能夠有效改善 PP 的抗衝(chong) 擊性能。
當聚烯烴型聚氨酯增韌劑的添加量為(wei) 10-15 份時，PP 的缺口衝(chong) 擊強度可從(cong) 原來的 2-3 kJ/m² 提高到 5-8 kJ/m²。國內(nei) 學者張偉(wei) 等（2019）的研究發現，采用熔融共混法將聚烯烴型聚氨酯增韌劑與(yu) PP 混合，當增韌劑添加量為(wei) 12 份時，PP 的衝(chong) 擊強度達到 7.5 kJ/m²，且材料的拉伸強度下降幅度較小，僅(jin) 為(wei) 5%-10%。
此外，聚氨酯增韌劑還能改善 PP 的低溫抗衝(chong) 擊性能。在 – 20℃時，添加 15 份聚醚型聚氨酯增韌劑的 PP 衝(chong) 擊強度比未添加增韌劑的 PP 提高了 80% 以上。
對丙烯腈 – 丁二烯 – 苯乙烯共聚物（ABS）的改善效果
ABS 具有良好的綜合性能，但其抗衝(chong) 擊性能在某些特定場合仍需提高。聚氨酯增韌劑對 ABS 的抗衝(chong) 擊性能也有一定的改善作用。
實驗表明，當聚氨酯增韌劑的添加量為(wei) 5-8 份時，ABS 的衝(chong) 擊強度可提高 20%-40%。例如，未添加增韌劑的 ABS 衝(chong) 擊強度為(wei) 20 kJ/m²，添加 6 份聚醚型聚氨酯增韌劑後，其衝(chong) 擊強度可達到 24-28 kJ/m²。同時，材料的耐熱性能和加工性能基本保持不變。
國外文獻 [1] 中提到，采用核 – 殼結構的聚氨酯增韌劑對 ABS 進行增韌，當添加量為(wei) 7 份時，ABS 的衝(chong) 擊強度提高了 35%，且材料的表麵光澤度不受影響。
對聚碳酸酯（PC）的改善效果
PC 是一種具有較高衝(chong) 擊強度的工程塑料，但在某些情況下，如受到高速衝(chong) 擊時，仍可能發生斷裂。聚氨酯增韌劑可以進一步提高 PC 的抗衝(chong) 擊性能和韌性。
研究發現，當聚氨酯增韌劑的添加量為(wei) 3-5 份時，PC 的衝(chong) 擊強度可提高 10%-20%。例如，未添加增韌劑的 PC 衝(chong) 擊強度為(wei) 60 kJ/m²，添加 4 份聚酯型聚氨酯增韌劑後，其衝(chong) 擊強度可達到 66-72 kJ/m²。同時，PC 的彎曲強度和模量下降幅度較小。
影響聚氨酯增韌劑增韌效果的因素
增韌劑的添加量
增韌劑的添加量是影響其增韌效果的關(guan) 鍵因素之一。在一定範圍內(nei) ，隨著增韌劑添加量的增加，塑料的抗衝(chong) 擊性能逐漸提高，但當添加量超過一定限度後，材料的強度和剛性會(hui) 明顯下降。
對於(yu) PVC 而言，增韌劑的很佳添加量通常為(wei) 8-12 份；對於(yu) PP，很佳添加量為(wei) 10-15 份；對於(yu) ABS，很佳添加量為(wei) 5-8 份；對於(yu) PC，很佳添加量為(wei) 3-5 份。因此，在實際應用中，需要根據不同的塑料種類和使用要求，確定合適的增韌劑添加量。
增韌劑與(yu) 塑料的相容性
增韌劑與(yu) 塑料的相容性越好，增韌效果越佳。如果相容性較差，增韌劑會(hui) 在塑料基體(ti) 中形成較大的顆粒，無法有效傳(chuan) 遞應力，甚至會(hui) 導致材料性能下降。
為(wei) 了提高聚氨酯增韌劑與(yu) 塑料的相容性，可以對增韌劑進行表麵改性或引入極性基團。例如，對聚烯烴型聚氨酯增韌劑進行馬來酸酐接枝改性，能夠提高其與(yu) 極性塑料如 PVC、PC 的相容性。
國外學者 Johnson 等（2018）通過在聚氨酯增韌劑分子鏈中引入環氧基團，提高了其與(yu) ABS 的相容性，增韌效果比未改性的增韌劑提高了 15%-20%。
加工工藝
加工工藝對聚氨酯增韌劑的分散性和增韌效果有著重要影響。常見的加工方法包括熔融共混、溶液共混等，其中熔融共混是常用的方法。
在熔融共混過程中，加工溫度、螺杆轉速等參數會(hui) 影響增韌劑在塑料基體(ti) 中的分散情況。加工溫度過高，可能導致增韌劑分解；溫度過低，則增韌劑無法充分熔融分散。螺杆轉速過高，會(hui) 使材料受到過大的剪切力，導致分子鏈斷裂；轉速過低，則增韌劑分散不均勻。
例如，在 PVC 與(yu) 聚氨酯增韌劑的熔融共混中，適宜的加工溫度為(wei) 160-180℃，螺杆轉速為(wei) 300-400 r/min。在此條件下，增韌劑能夠均勻分散在 PVC 基體(ti) 中，從(cong) 而獲得較好的增韌效果。
聚氨酯增韌劑的應用案例
在汽車零部件中的應用
汽車保險杠、儀(yi) 表盤等零部件對材料的抗衝(chong) 擊性能要求較高。采用添加聚氨酯增韌劑的 PP 材料製作汽車保險杠，能夠提高其在碰撞時的抗衝(chong) 擊能力，減少損壞。
某汽車製造商采用添加 12 份聚烯烴型聚氨酯增韌劑的 PP 材料製作保險杠，經過測試，該保險杠在時速 50 km/h 的碰撞試驗中，損壞程度明顯低於(yu) 未添加增韌劑的 PP 保險杠。同時，材料的成本相對較低，具有較好的經濟性。
在電子設備外殼中的應用
電子設備外殼需要具備一定的抗衝(chong) 擊性能，以保護內(nei) 部電子元件。采用添加聚氨酯增韌劑的 ABS 材料製作電子設備外殼，能夠提高其抗摔性能。
某電子公司在其手機外殼的生產(chan) 中，使用添加 7 份核 – 殼結構聚氨酯增韌劑的 ABS 材料，經過跌落測試，手機外殼在 1.5 米高度跌落時的損壞率比使用未添加增韌劑的 ABS 外殼降低了 40%。
結論與(yu) 展望
聚氨酯增韌劑作為(wei) 一種有效的塑料增韌助劑，能夠顯著改善 PVC、PP、ABS、PC 等多種塑料的抗衝(chong) 擊性能，同時對材料的其他性能影響較小。其增韌效果受到增韌劑的添加量、與(yu) 塑料的相容性、加工工藝等多種因素的影響。
在未來的研究中，可以進一步開發新型結構的聚氨酯增韌劑，如具有特殊核 – 殼結構、互穿網絡結構的增韌劑，以提高其增韌效率和對不同塑料的適應性。同時，深入研究增韌劑與(yu) 塑料之間的作用機理，為(wei) 優(you) 化增韌劑的性能和應用提供理論指導。此外，還可以探索聚氨酯增韌劑與(yu) 其他增韌劑的協同作用，以獲得更好的增韌效果。
隨著科技的不斷發展和對材料性能要求的不斷提高，聚氨酯增韌劑在塑料改性領域的應用前景將更加廣闊。
參考來源
[1] Smith J, et al. (2020). Effects of different polyurethane tougheners on the impact resistance of PVC. Journal of Materials Science, 55 (10), 4567-4578.
[2] 張偉(wei) ，等. (2019). 聚烯烴型聚氨酯增韌劑對聚丙烯抗衝(chong) 擊性能的影響。高分子材料科學與(yu) 工程，35 (5), 67-71.
[3] Johnson R, et al. (2018). Compatibility improvement of polyurethane tougheners with ABS and its effect on toughening efficiency. Polymer Engineering & Science, 58 (8), 1345-1352.
