高硬度聚氨酯材料中增硬劑的添加比例實驗研究 摘要 本研究係統探討了不同類型增硬劑對高硬度聚氨酯材料性能的影響，通過設計正交實驗確定了很佳添加比例。實驗選取了三種常用增硬劑（納米二氧化矽、玻璃微珠和...

高硬度聚氨酯材料中增硬劑的添加比例實驗研究

摘要

本研究係統探討了不同類型增硬劑對高硬度聚氨酯材料性能的影響，通過設計正交實驗確定了很佳添加比例。實驗選取了三種常用增硬劑（納米二氧化矽、玻璃微珠和碳纖維），在不同添加比例（1%-10%）下製備聚氨酯樣品，測試其硬度、拉伸強度、衝(chong) 擊強度和熱穩定性等關(guan) 鍵性能指標。結果表明，納米二氧化矽在添加量為(wei) 7%時綜合性能表現突出，可使材料硬度提升42%，同時保持良好的韌性。本研究為(wei) 高硬度聚氨酯材料的配方設計提供了重要參考依據。

關(guan) 鍵詞 高硬度聚氨酯；增硬劑；添加比例；力學性能；正交實驗

引言

聚氨酯材料因其優(you) 異的可設計性和廣泛的硬度範圍，在工程領域獲得了廣泛應用。隨著工業(ye) 發展對材料性能要求的不斷提高，開發高硬度同時保持良好綜合性能的聚氨酯材料成為(wei) 研究熱點。增硬劑作為(wei) 調節聚氨酯性能的關(guan) 鍵添加劑，其選擇和添加比例直接影響產(chan) 品的質量。

目前，國內(nei) 外學者在聚氨酯增硬方麵已開展大量研究。Zhang等（2019）報道了納米填料對聚氨酯硬度的提升效果；Li等人（2020）係統比較了不同無機增硬劑的增強機理。然而，關(guan) 於(yu) 增硬劑添加比例的係統研究仍相對缺乏，特別是多種增硬劑協同作用的研究更為(wei) 少見。

本研究選取三種典型增硬劑，通過設計係統的比例實驗，探究其對聚氨酯材料性能的影響規律，旨在為(wei) 高硬度聚氨酯材料的工業(ye) 化生產(chan) 提供理論指導和技術支持。實驗采用正交設計方法，係統考察了增硬劑類型、添加比例及其交互作用對材料性能的影響，並通過微觀結構分析揭示了性能變化的本質原因。

一、實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用主要原料包括：聚醚多元醇（工業(ye) 級，羥值56mgKOH/g，萬(wan) 華化學）；二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI，工業(ye) 級，巴斯夫）；三種增硬劑：納米二氧化矽（粒徑20nm，贏創）、玻璃微珠（粒徑50μm，3M公司）、短切碳纖維（長度100μm，東(dong) 麗(li) ）；催化劑（二月桂酸二丁基錫，Aldrich）；其他助劑均為(wei) 市售工業(ye) 品。

1.2 樣品製備

按表1所示配方，先將多元醇與(yu) 增硬劑在60℃下真空脫水2小時，然後加入計量好的MDI和催化劑，高速攪拌（2000rpm）1分鍾後注入預熱（80℃）的模具中，在100℃下固化3小時，得到測試樣品。每種配方平行製備5個(ge) 樣品。

1.3 測試與表征

硬度測試按ASTM D2240標準，采用邵D硬度計測量；拉伸性能按ASTM D638標準，使用萬(wan) 能材料試驗機測試；衝(chong) 擊強度按ASTM D256標準，采用懸臂梁衝(chong) 擊試驗機測定；熱變形溫度（HDT）按ASTM D648標準測定；采用掃描電鏡（SEM，Hitachi S4800）觀察材料斷麵形貌；使用X射線衍射儀(yi) （XRD，Bruker D8）分析晶體(ti) 結構。

二、結果與討論

2.1 增硬劑類型對性能的影響

表2比較了三種增硬劑在相同添加量（5%）時對聚氨酯性能的影響。可以看出，納米二氧化矽對硬度的提升效果很為(wei) 顯著，使邵D硬度從(cong) 75提高到89；碳纖維則表現出很佳的增強效果，拉伸強度提升達65%；玻璃微珠在保持材料韌性方麵表現突出，衝(chong) 擊強度僅(jin) 下降12%。

這種差異主要源於(yu) 增硬劑的作用機理不同。納米二氧化矽通過大的比表麵積和界麵作用限製分子鏈運動；碳纖維依靠其高模量和纖維增強效應承擔載荷；玻璃微珠則通過應力分散作用改善材料性能。SEM觀察（圖1）顯示，納米二氧化矽在基體(ti) 中分散均勻，而碳纖維存在一定程度的團聚現象。

2.2 添加比例對性能的影響

圖2展示了納米二氧化矽不同添加比例對材料性能的影響曲線。隨著添加量增加，硬度和拉伸強度呈先上升後平緩的趨勢，在7%時達到很佳值；而衝(chong) 擊強度則持續下降，但下降幅度逐漸減小。這種變化規律與(yu) 填料網絡的形成和界麵作用的變化密切相關(guan) 。

當添加量低於(yu) 5%時，增硬劑未能形成有效的增強網絡；在5%-7%範圍內(nei) ，填料網絡逐漸完善，性能快速提升；超過7%後，由於(yu) 填料團聚加劇，性能改善有限而加工性能開始惡化。這與(yu) Wang等（2021）的研究結論相一致。

2.3 正交實驗與優化

基於(yu) 單因素實驗結果，設計L9（3^4）正交實驗，考察增硬劑類型（A）、添加量（B）、混合比例（C）三個(ge) 因素的影響。表3為(wei) 實驗方案和結果，表4為(wei) 方差分析結果。

分析表明，對硬度影響的主次順序為(wei) A>B>C；對綜合性能而言，很佳組合為(wei) A1B2C2，即納米二氧化矽7%單獨使用。驗證實驗顯示，該配方下材料邵D硬度達92，拉伸強度48MPa，衝(chong) 擊強度25kJ/m²，熱變形溫度138℃，綜合性能優(you) 異。

三、結論

（1）不同類型增硬劑對聚氨酯性能的影響機製各異：納米二氧化矽主要通過界麵作用限製分子鏈運動提高硬度；碳纖維通過纖維增強效應提升強度；玻璃微珠通過應力分散保持韌性。

（2）添加比例存在很優(you) 值：納米二氧化矽在7%添加量時，材料硬度達92（邵D），同時保持較好的強度和韌性；過量添加會(hui) 導致性能下降和加工困難。

（3）正交優(you) 化表明增硬劑類型對性能影響很大，其次是添加量。很佳配方為(wei) 納米二氧化矽單獨使用，添加量7%，此時材料綜合性能很優(you) 。

本研究結果對高硬度聚氨酯材料的工業(ye) 化生產(chan) 具有指導意義(yi) 。未來研究可進一步探索複合增硬體(ti) 係的協同效應，以及新型納米增硬劑的應用潛力。

參考文獻

1. Zhang, L., Wang, Q., 2019. Reinforcement of polyurethane with nano-fillers. Polymer Composites, 40(3), 1125-1136.

2. Li, H., Chen, X., 2020. Comparative study of rigid polyurethane composites with different inorganic fillers. Journal of Applied Polymer Science, 137(18), 48675.

3. Wang, Y., Liu, J., 2021. Effect of silica content on the properties of rigid polyurethane foams. Materials & Design, 198, 109355.

4. 張明，李強，2022. 納米二氧化矽增強聚氨酯複合材料的研究進展. 高分子材料科學與(yu) 工程，38(2)，156-164.

5. Brown, R., Davis, K., 2018. Optimization of filler content in polymer composites using orthogonal experimental design. Composites Science and Technology, 168, 168-175.