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第 1 期纤维复合材料No.1 782024 年 3 月FIBERCOMPOSITESMar.2024乙烯基树脂及其团状模塑料的耐磨性研究韩 领1,王明星1,卢瑞林1,王格琴1,杨 海1,赵 秘2(1.株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲 412000;2.江苏兆鋆新材料股份有限公司,镇江 212000)摘 要 本文对比了乙烯基树脂浇注体和乙烯基团状模塑料(乙烯基 BMC)的力学性能、热性能和耐磨性能,结果表明,相比乙烯基树脂,乙烯基 BMC 材料具有优异的综合性能,其中硬度在60 以上,提升了77%;弯曲强度达到 160 MPa 以上,提升了 14%;老化前质量磨损在 4 5 mg 之间,体积磨损在 2 3 mm3之间,分别降低了约 96%和 97%;老化后质量磨损为 8 30 mg,体积磨损在 4 14 mm3之间,分别降低了 65%和 80%以上。关键词 乙烯基;磨损;团状模塑料;玻璃化转变Abrasion Resistance of Vinyl Ester Resin and Vinyl EsterBulk Molding CompoundHAN Ling1,WANG Mingxing1,LU Ruilin1,WANG Geqin1,YANG Hai1,ZHAO Mi2(1.Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd.,Zhuzhou 412000;(2.Jiangsu Bi-gold New Material Stock Co.,Ltd.,Zhenjiang 212000)ABSTRACT The mechanical strength,thermal property and abrasion resistance of vinyl ester resin and vinyl ester bulkmolding compounds(VE BMC)were compared in this study.The results showed that VE BMC has better comprehensiveproperties than VE resin:barcol hardness reached above 60,increased by 70%;flexural strength reached above 160 MPa,increased by 14%;before heat aging,wear mass were between 4 5 mg,and wear volume were between 2 3 mm3,de-creased by 96%and 97%,separately;after heat aging,wear mass were between 8 30 mg,and wear volume were be-tween 2 3 mm3,decreased by 65%and 80%,separately.KEYWORDS vinyl ester;abrasion resistance;BMC;glass transition通讯作者:韩领,男,硕士,工程师。研究方向为复合材料配方与工艺研究。E-mail:hanling 1 引言乙烯基树脂作为一种特殊的不饱和聚酯,具有良好的力学强度、耐腐蚀性和电气绝缘性,易于加工成型,特别适用于制备团状模塑料(BMC)、片状模塑料(SMC)复合材料制品,广泛应用于石油、化工、冶金、交通和建筑等领域1-2。目前对于乙烯基树脂应用的研究多集中于力学性能、耐腐蚀性能等方面3-5,而对于耐磨性能的研究鲜有报道。本文着重研究了乙烯基树脂及其团状模塑料的耐磨性能,并从磨损机理角度对测试结果进行了讨论说明。1 期乙烯基树脂及其团状模塑料的耐磨性研究2 实验部分2.1 原材料和仪器设备乙烯基树脂,工业品,Ashland;聚苯乙烯,工业品,中石化;苯乙烯、引发剂、促进剂、脱模剂均为市售;短切玻璃纤维,12 mm,重庆国际;填料为微米级硫酸钙,市售。捏合机:5 L,如皋市力创机械制造有限公司;液压机:HYL-100P 型,衡阳华意机械有限公司;屏显式磨损试验机:MMS-2A 型,济南益华摩擦学测试技术有限公司;热老化箱:HAT502E 型,重庆哈丁科技有限公司;巴氏硬度计:JYW-161 型,沧州市欧谱检测仪器有限公司;电子万能测试仪:Z100 型,Zwick Roell;差示扫描量热仪,204F1,德国耐驰仪器。2.2 树脂浇注体及团状模塑料(BMC)制备按照 GB/T 2567-2021 制备并测试乙烯基树脂浇注体样条,记为 1#样品。将乙烯基树脂、低收缩剂、引发剂、促进剂、脱模剂按一定比例混合均匀后,制成混合液;再将混合液和填料按照一定的比例加入捏合机中,在室温下低速混合 6 min,制成树脂糊;最后按一定比例将短切玻璃纤维加入捏合机中,在室温下低速混合均匀,制成 BMC 材料,分别记为 2#、3#、4#样品,如表 1 所示。表 1 试验样品组分样品编号1#2#3#4#乙烯基树脂100323225填料/383037玻璃纤维/303838称取计算好重量的 BMC 材料铺入模腔中,在160 下加压至 15 20 MPa,固化 5 min 后,即制得 BMC 模压样板。2.3 测试方法拉伸性能:按照 GB/T 2567-2005 进行测试;弯曲性能:按照 GB/T 2567-2005 进行测试;耐磨性能:按照 GB/T 3960-2016 进行测试,法向负荷196 N,转速200 rpm,测试时间2 h;巴氏硬度:按照 GB/T 3854-2005 进行测试;热老化:250 下老化 168 h;玻璃化转变温度:按照 ISO 11357-2:2013 进行测试。3 结果与讨论3.1 力学性能乙烯基树脂浇注体与乙烯基 BMC 的力学强度如图 1 所示,乙烯基 BMC 材料的拉伸强度略低于乙烯基树脂浇注体,2#、3#、4#样品拉伸强度在 64-69MPa,相比 1#下降了 8%15%;弯曲强度则有所提高,均在 160 MPa 以上,相比 1#提高了 14%以上。试验样品的物理性能如表 2 所示。图 1 乙烯基树脂浇注体与乙烯基 BMC 的力学强度表 2 试验样品的物理性能性能样品编号1#2#3#4#密度 g/cm31.1801.8321.8051.972巴氏硬度35636266由于树脂基体中加入了填料和玻纤,一方面,材料相态由单一连续相态转变成为填料、玻纤与树脂三者共存的界面相态,加之填料和玻纤含量较高,界面结合处容易形成缺陷,界受外力拉伸时容易产生应力集中,从而导致拉伸强度下降;另一方面,填料和玻纤能够起到增强效果,可以提高材料的刚性,乙烯基 BMC 材料的硬度相比乙烯基树脂浇注体有大幅提高,巴氏硬度从 35 增加到 62 以上,在受到三点弯曲外力时,抵抗弯曲变形的能力得到加强,从而提升了材料的弯曲强度。3.2 热性能玻璃化转变温度(Tg)是表征聚合物热性能的重要指标,如图 2 所示,乙烯基树脂浇注体 DSC 曲线在 157.6 附近出现很明显的玻璃化转变,乙烯基 BMC 则出现了两个玻璃化转变点,2#、3#、4#的第一 Tg 范围在 98 110 之间,第二 Tg 范围在97纤维复合材料2024 年 图 2 乙烯基浇注体和乙烯基 BMC 的 DSC 曲线158 163。这是由于乙烯基 BMC 中含有低收缩剂聚苯乙烯,其对应的典型玻璃化转变温度即为 98110 之间。微米级填料可以吸附高分子链,形成物理交联点,另外玻纤与树脂基体的界面相容性好,玻纤相互缠结在一起,均可以限制高分子链的运动。因此,乙烯基 BMC 材料的玻璃化转变温度相比乙烯基树脂浇注体有所升高。3.3 耐磨性能3.3.1 老化前磨损试样老化前摩擦前后的外观如图 3 所示,可以看出,乙烯基 BMC 试样的磨痕明显小于乙烯基树脂浇注体试样。图 3 乙烯基树脂浇注体与乙烯基 BMC 的磨损前后外观图 4 乙烯基树脂浇注体与乙烯基 BMC 的磨损 试样老化前的磨损量如图 4 所示,乙烯基树脂浇注体质量磨损达到 116 mg,体积磨损接近 100mm3,而乙烯基 BMC 材料的耐磨性则有明显提升,2#、3#、4#质量磨损在 4 5 mg 之间,相比 1#降低了约 96%,体积磨损在 2 3 mm3之间,相比 1#降低了约 97%。3.3.2 老化后磨损试样老化后摩擦前后的外观如图 5 所示,可以看出,乙烯基 BMC 试样的磨痕仍然明显小于乙烯基树脂浇注体试样。乙烯基树脂浇注体与乙烯基 BMC 的老化后磨损如图 6 所示,从图 6 可以看出,在 250 下老化168 h 后,乙烯基树脂浇注体试样磨损仍然比较严重,但是比老化前有所降低,质量磨损为 85.6 mg,体积磨损为 74.5 mm3,相比老化前均下降了 26%左右。这可能是由于在高温条件下,乙烯基树脂发生了后固化6,同时浇铸固化时残留的低分子物质挥发出来,一定程度上提高了材料的耐温性。乙烯基 BMC 材料老化后的磨损则略有增加,2#、3#、4#质量磨损为 8 30 mg,相比 1#降低了 65%90%,体积磨损在4 14 mm3之间,相比1#降低了81%95%。08 1 期乙烯基树脂及其团状模塑料的耐磨性研究图 5 乙烯基树脂浇注体与乙烯基 BMC 的磨损前后外观图 6 乙烯基树脂浇注体与乙烯基 BMC 的老化后磨损 3.4 摩擦机理探讨聚合物材料的磨损主要产生于摩擦表面之间的粘附作用力、磨粒微切割、疲劳软化等作用,磨损行为主要有粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损等,在实际情况下会相互交错、相互转化,在某些特定条件下,某种磨损行为会占据主导地位7。从试样磨痕区域的磨损情况来看,乙烯基树脂浇注体的磨损机理应该主要为粘着磨损,乙烯基树脂本身的导热性不好,加之试样摩擦过程中生热升温,对磨体表面温度最高升到了 110 左右,已经比较接近乙烯基树脂的玻璃化转变温度,测试时散发出比较刺激的气味,显然是伴随低分子物质挥发或分解,所以试样磨损相当严重。相比之下,乙烯基 BMC 材料的磨损机理比较复杂,同时存在粘着磨损和磨粒磨损,因为相比乙烯基树脂浇注体而言,其磨痕区域表面相对平整光滑,推测是由于加入了填料和玻纤之后,一方面,在磨损过程中试样表面磨下的粉末在试样和对磨体之间形成了隔离膜,起到了润滑作用;另一方面玻纤具有很好的增强效果,BMC 材料比浇注体硬度高很多,巴氏硬度从 35 增加至 62 以上,也有利于耐磨性的提升。4 结语(1)相比乙烯基树脂,乙烯基 BMC 材料的拉伸强度略有下降,硬度、弯曲强度则有显著提升;(2)乙烯基 BMC 材料在升温过程中出现两次玻璃化转变,其中第二 Tg 均高于乙烯基树脂浇注体;(3)乙烯基 BMC 材料的老化前和老化后的耐磨性均明显优于乙烯基树脂浇注体。参 考 文 献1 黄学成,耿悦彬,方群英.海外乙烯基酯树脂在 FRP 行业中的应用 J.玻璃钢,1999,1:15-18.2 潘玉琴.玻璃钢复合材料基体树脂的发展现状 J.纤维复合材料,2006,4:55-59.3 江真,刘文博,焦卫卫.短切碳纤维/乙烯基酯树脂片状模塑料拉伸性能的有限元模拟 J.复合材料学报,36(12):2843-2850.4 秦凤,程浩,张凯.BMC 材料的耐酸性能研究 J.绝缘材料,2020,53(6):41-44.5 王泽文,李建.乙烯基树脂/空心玻璃微珠复合材料的制备及性能 J.塑料科技,2023,2:25-30.6 李习习,王涛,侯锐钢.玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料的热老化机理 J.热固性树脂,2020,35(1):49-53.7 胡晓兰,梁国正.硼酸铝晶须/双马来酰胺树脂摩擦磨损性能J.复合材料学报,2004,21(6):21-26.18