不同晶須材料對(duì)玻璃鋼性能的影響

李汶樺，胡 濤，王央貢

（1.四川萬(wàn)合非金屬新材料有限公司，四川 廣元 628017；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430030）

晶須作為填充劑，是有機(jī)高分子材料改性的一種重要的材料，可降低材料成本，改善材料的各種性能，賦予材料新的特性和功能，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。近年來(lái)廉價(jià)晶須的問(wèn)世，給塑料、橡膠、涂料、粘合劑領(lǐng)域帶來(lái)了新的材料與性能改進(jìn)的新思路[1，2]。

玻璃鋼（即不飽和樹(shù)脂制品），在石油、化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、電鍍、電解、冶煉、輕工等諸領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。晶須材料可以進(jìn)一步提高不飽和樹(shù)脂制品的性能。有研究采用自制硫酸鈣晶須作為填充劑，發(fā)現(xiàn)填充后的不飽和聚酯樹(shù)脂的收縮率和抗沖擊強(qiáng)度等性能得到明顯改善[3]。本文采用硫酸鈣晶須、碳酸鎂晶須、硅灰石為改性劑，研究其對(duì)玻璃鋼產(chǎn)品力學(xué)性能和熱變形性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

不飽和樹(shù)脂196、固化劑（A型甲乙酮）、促進(jìn)劑（A型鈷化合物），廣東固德樹(shù)脂廠；無(wú)水硫酸鈣晶須，四川萬(wàn)潤(rùn)非金屬礦物材料有限公司；三水碳酸鎂晶須、無(wú)水碳酸鎂晶須，自制；硅灰石，江西奧特科技有限公司；滑石粉、雙飛粉、石英粉，市售工業(yè)品；硅烷偶聯(lián)劑，KH550，儀征天揚(yáng)化工廠。

1.2 儀器與設(shè)備

高速混合機(jī)，SH R-10A型，張家港市萬(wàn)塑機(jī)械有限公司；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDT-200型，長(zhǎng)春第二試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司；簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，MZ-2054，江都明珠試驗(yàn)機(jī)械廠；熱變形度測(cè)量?jī)x，自制。

1.3 玻璃鋼樣品基本配方

實(shí)驗(yàn)配方中的對(duì)照品為某公司玻璃鋼制品的基本配方（R0）。混合填料為滑石粉，雙飛粉，石英粉等，添加的改性增強(qiáng)材料配方（質(zhì)量份）見(jiàn)表1。

1.4 試樣制備

表1 實(shí)驗(yàn)基本配方Tab.1 Test basic formulation

試樣按表1的配方均勻調(diào)和，然后用模具澆注塑型。

1.5 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率：按GB/T 1040—1992測(cè)試；彎曲強(qiáng)度按GB/T 9341—2000測(cè)試；沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043—1993測(cè)試。

熱變形度：取160 mm×10 mm×0.8 mm式樣條，擱置于間距100 mm 的硬木擱架上，2端各留30 mm，在式樣條中部放5 g的砝碼，將其置于自制的精密恒溫烘箱中，于指定溫度下烘烤一定時(shí)間，冷卻定型。測(cè)量指定烘烤時(shí)間試樣條的下垂尺寸。以對(duì)照樣品的下垂尺寸為100%，比較各個(gè)配方的變形率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同晶須的形貌

無(wú)水硫酸鈣晶須（A）采用四川萬(wàn)潤(rùn)非金屬礦物材料有限公司產(chǎn)品，針狀，直徑1.5～3μm，長(zhǎng)度150～200 μm以上，長(zhǎng)徑比50～80，形貌見(jiàn)圖1（A）。

圖1 不同樣品晶須形貌圖Fig.1 Morphology of whiskers of different samples

三水碳酸鎂晶須（B）與無(wú)水碳酸鎂晶須（C），皆自制產(chǎn)品[4]。針狀，直徑2～3 μm，長(zhǎng)度30～50 μm，長(zhǎng)徑比10～20。形貌見(jiàn)圖1（B）、（C）。

800目硅灰石粉中具有針狀、纖維狀晶體形態(tài)，混雜有大量粉粒，晶須部分直徑2～6 μm，最長(zhǎng)可達(dá)15 μm，長(zhǎng)徑比1～15（平均3.1）。可以視為晶須與一般粉體的混合物，質(zhì)量?jī)?yōu)劣與晶須部分的含量有關(guān)，一般商品沒(méi)有標(biāo)記。見(jiàn)圖1（D）。

2.2 不同晶須用量對(duì)材料力學(xué)性能和熱性能影響

加入不同晶須材料后玻璃鋼的力學(xué)性能都有不同的改變，結(jié)果見(jiàn)圖2～5。

晶須材料對(duì)玻璃鋼制品力學(xué)性能都有不同程度的提升，在本研究的配方中，無(wú)水硫酸鈣晶須與無(wú)水碳酸鎂晶須都能夠提高產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度，使用硅灰石略有提高（圖2），產(chǎn)品的斷裂伸長(zhǎng)率一般保持不變，或者略有提高（圖4）。晶須材料對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響較大（圖5），加入硅灰石后材料的彎曲強(qiáng)度略有提高，無(wú)水硫酸鈣晶須與無(wú)水碳酸鎂晶須可將產(chǎn)品的彎曲強(qiáng)度提高50%以上。隨著晶須材料加入量的增加，硅灰石的性能有較大的提升。由圖3～5可見(jiàn)，三水碳酸鎂晶須對(duì)產(chǎn)品性能沒(méi)有積極的貢獻(xiàn)，甚至較對(duì)照品性能更差。

圖2 不同晶須對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of different whiskers on impact strength

圖3 不同晶須對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of different whiskers on tensile strength

圖4 不同晶須對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.4 Influence of different whiskers on elongation at break

圖5 不同晶須對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of different whiskers on bending strength

2.3 不同晶須用量對(duì)材料熱變形性能的影響

從圖6可見(jiàn)，根據(jù)上述配方制備的產(chǎn)品對(duì)熱變形性能無(wú)太大提高。

圖6不同晶須對(duì)熱變形性能的影響Fig.6 Influence of different whiskers on thermal deformation

2.4 晶須中結(jié)晶水的影響

圖3 、4明顯顯示，三水碳酸鎂晶須的性能遠(yuǎn)不如無(wú)水碳酸鎂晶須，甚至較硅灰石都差。三水碳酸鎂晶須中的結(jié)晶水結(jié)合不牢固[5]，有可能在玻璃鋼樣品制作過(guò)程中，結(jié)晶水影響了樹(shù)脂的固化，進(jìn)而影響產(chǎn)品的性能，該問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。

2.5 硅灰石

硅灰石是一種天然礦石研磨制備的填料，一般是纖維狀、針狀或放射狀，不含結(jié)晶水，吸濕性小，熔點(diǎn)高，熱脹系數(shù)小，耐熱穩(wěn)定性好，力學(xué)性能和電性能優(yōu)良，其長(zhǎng)徑比可達(dá)10～15[6]。本研究的結(jié)果顯示，硅灰石可作晶須的替代品，對(duì)玻璃鋼制品的性能有一定的提高，但與無(wú)水硫酸鈣晶須及無(wú)水碳酸鎂晶須相比，其對(duì)玻璃鋼制品的性能的影響存在明顯差距。

3 結(jié)論

（1）無(wú)水硫酸鈣晶須與無(wú)水碳酸鎂晶須都是很好的玻璃鋼增強(qiáng)添加劑，加入后可將材料的彎曲強(qiáng)度提高50%左右。

（2）硅灰石可以作為晶須的替代品，對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度有一定的提高，但遠(yuǎn)不如無(wú)水硫酸鈣晶須與無(wú)水碳酸鎂晶須對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度提高的多。

（3）碳酸鎂晶須同時(shí)具有增強(qiáng)與阻燃性能，在需要考慮產(chǎn)品的阻燃性能時(shí)，可以?xún)?yōu)選無(wú)水碳酸鎂晶須與無(wú)水硫酸鈣晶須，但不能選擇帶有結(jié)晶水的碳酸鎂晶須。

（4）加入晶須材料對(duì)產(chǎn)品的熱變形性能無(wú)太大提高。