聚氨酯增韧剂改善塑料抗冲击性能的研究 引言 塑料凭借其质轻、耐腐蚀、易加工等优良特性，在电子、汽车、建筑、包装等众多领域得到了广泛应用。然而，多数塑料存在抗冲击性能不足的问题，在受到外力冲击时容...
聚氨酯增韧剂改善塑料抗冲击性能的研究
引言
塑料凭借其质轻、耐腐蚀、易加工等优良特性，在电子、汽车、建筑、包装等众多领域得到了广泛应用。然而，多数塑料存在抗冲击性能不足的问题，在受到外力冲击时容易发生断裂或破损，这极大地限制了其在一些对材料力学性能要求较高场合的应用。例如，汽车保险杠、电子设备外壳等部件，需要具备良好的抗冲击性能以应对可能的碰撞和冲击。
为了改善塑料的抗冲击性能，科研人员和企业进行了大量研究，开发出了多种增韧方法，其中添加增韧剂是一种简单、有效的手段。聚氨酯增韧剂作为一类重要的增韧剂，因其独特的结构和性能，在改善塑料抗冲击性能方面表现出显著优势。它能够与塑料基体形成良好的相容性，通过一系列作用机制提升材料的韧性，同时对塑料的其他性能影响较小。深入研究聚氨酯增韧剂改善塑料抗冲击性能的原理、效果及影响因素，对于拓展塑料的应用范围、提高产品质量具有重要意义。
聚氨酯增韧剂概述
定义与分类
聚氨酯增韧剂是一种以聚氨酯为主体成分，能够提高塑料材料抗冲击性能的助剂。根据分子结构和性能特点，可分为聚酯型聚氨酯增韧剂、聚醚型聚氨酯增韧剂和聚烯烃型聚氨酯增韧剂等。
聚酯型聚氨酯增韧剂由聚酯多元醇与异氰酸酯反应制得，具有较好的耐油性和机械强度，与极性塑料的相容性较好。聚醚型聚氨酯增韧剂则由聚醚多元醇和异氰酸酯合成，其柔韧性和耐低温性能优异，适用于对低温抗冲击性能要求较高的场合。聚烯烃型聚氨酯增韧剂是在聚氨酯分子链中引入聚烯烃链段而制得，与非极性塑料的相容性更佳。
作用原理
聚氨酯增韧剂改善塑料抗冲击性能的作用原理主要包括以下几个方面：
- 弹性体增韧：聚氨酯增韧剂本身具有较高的弹性，当塑料受到冲击时，聚氨酯弹性体能够吸收和分散冲击能量，减少应力集中，从而阻止裂纹的扩展。
- 界面作用：聚氨酯增韧剂与塑料基体之间形成良好的界面结合，在受到外力作用时，界面处能够发生应力传递和分散，提高材料的整体韧性。
- 空穴化效应：在冲击过程中，聚氨酯增韧剂粒子内部可能产生空穴，空穴的产生和增长能够消耗大量的冲击能量，同时引发周围基体的塑性变形，进一步提高材料的抗冲击性能。
性能参数及典型产品介绍
聚氨酯增韧剂的性能参数对其增韧效果有着重要影响，常见的性能参数包括分子量、硬度、拉伸强度、断裂伸长率、玻璃化转变温度等。以下为几种典型聚氨酯增韧剂的性能参数（表 1）：
以某国外品牌的聚酯型聚氨酯增韧剂 pu-2000 为例，其分子量为 20000 g/mol，硬度为 80 邵氏 a，拉伸强度为 25 mpa，断裂伸长率为 500%，玻璃化转变温度为 – 20℃。该产品在聚氯乙烯（pvc）塑料的增韧中表现出良好的效果，能够显著提高 pvc 的抗冲击性能。
聚氨酯增韧剂对不同塑料抗冲击性能的改善效果
对聚氯乙烯（pvc）的改善效果
pvc 是一种应用广泛的通用塑料，但其抗冲击性能较差，尤其是在低温环境下更为明显。添加聚氨酯增韧剂是改善 pvc 抗冲击性能的常用方法。
研究表明，当聚酯型聚氨酯增韧剂的添加量为 8-12 份时，pvc 的冲击强度可提高 50%-100%。例如，未添加增韧剂的 pvc 冲击强度为 5 kj/m²，添加 10 份 pu-2000 后，其冲击强度可达到 8-10 kj/m²。同时，材料的断裂伸长率也有一定程度的提高，从原来的 20% 提高到 40%-60%。
国外学者 smith 等人（2020）通过实验研究了不同类型聚氨酯增韧剂对 pvc 抗冲击性能的影响。结果发现，聚醚型聚氨酯增韧剂在低温下对 pvc 的增韧效果更为显著，在 – 20℃时，添加 10 份聚醚型聚氨酯增韧剂的 pvc 冲击强度比添加相同份数聚酯型聚氨酯增韧剂的 pvc 高出 20%-30%。
对聚丙烯（pp）的改善效果
pp 是一种结晶性塑料，具有较高的强度和刚性，但抗冲击性能，特别是低温抗冲击性能较差。聚氨酯增韧剂能够有效改善 pp 的抗冲击性能。
当聚烯烃型聚氨酯增韧剂的添加量为 10-15 份时，pp 的缺口冲击强度可从原来的 2-3 kj/m² 提高到 5-8 kj/m²。国内学者张伟等（2019）的研究发现，采用熔融共混法将聚烯烃型聚氨酯增韧剂与 pp 混合，当增韧剂添加量为 12 份时，pp 的冲击强度达到 7.5 kj/m²，且材料的拉伸强度下降幅度较小，仅为 5%-10%。
此外，聚氨酯增韧剂还能改善 pp 的低温抗冲击性能。在 – 20℃时，添加 15 份聚醚型聚氨酯增韧剂的 pp 冲击强度比未添加增韧剂的 pp 提高了 80% 以上。
对丙烯腈 – 丁二烯 – 苯乙烯共聚物（abs）的改善效果
abs 具有良好的综合性能，但其抗冲击性能在某些特定场合仍需提高。聚氨酯增韧剂对 abs 的抗冲击性能也有一定的改善作用。
实验表明，当聚氨酯增韧剂的添加量为 5-8 份时，abs 的冲击强度可提高 20%-40%。例如，未添加增韧剂的 abs 冲击强度为 20 kj/m²，添加 6 份聚醚型聚氨酯增韧剂后，其冲击强度可达到 24-28 kj/m²。同时，材料的耐热性能和加工性能基本保持不变。
国外文献 [1] 中提到，采用核 – 壳结构的聚氨酯增韧剂对 abs 进行增韧，当添加量为 7 份时，abs 的冲击强度提高了 35%，且材料的表面光泽度不受影响。
对聚碳酸酯（pc）的改善效果
pc 是一种具有较高冲击强度的工程塑料，但在某些情况下，如受到高速冲击时，仍可能发生断裂。聚氨酯增韧剂可以进一步提高 pc 的抗冲击性能和韧性。
研究发现，当聚氨酯增韧剂的添加量为 3-5 份时，pc 的冲击强度可提高 10%-20%。例如，未添加增韧剂的 pc 冲击强度为 60 kj/m²，添加 4 份聚酯型聚氨酯增韧剂后，其冲击强度可达到 66-72 kj/m²。同时，pc 的弯曲强度和模量下降幅度较小。
影响聚氨酯增韧剂增韧效果的因素
增韧剂的添加量
增韧剂的添加量是影响其增韧效果的关键因素之一。在一定范围内，随着增韧剂添加量的增加，塑料的抗冲击性能逐渐提高，但当添加量超过一定限度后，材料的强度和刚性会明显下降。
对于 pvc 而言，增韧剂的很佳添加量通常为 8-12 份；对于 pp，很佳添加量为 10-15 份；对于 abs，很佳添加量为 5-8 份；对于 pc，很佳添加量为 3-5 份。因此，在实际应用中，需要根据不同的塑料种类和使用要求，确定合适的增韧剂添加量。
增韧剂与塑料的相容性
增韧剂与塑料的相容性越好，增韧效果越佳。如果相容性较差，增韧剂会在塑料基体中形成较大的颗粒，无法有效传递应力，甚至会导致材料性能下降。
为了提高聚氨酯增韧剂与塑料的相容性，可以对增韧剂进行表面改性或引入极性基团。例如，对聚烯烃型聚氨酯增韧剂进行马来酸酐接枝改性，能够提高其与极性塑料如 pvc、pc 的相容性。
国外学者 johnson 等（2018）通过在聚氨酯增韧剂分子链中引入环氧基团，提高了其与 abs 的相容性，增韧效果比未改性的增韧剂提高了 15%-20%。
加工工艺
加工工艺对聚氨酯增韧剂的分散性和增韧效果有着重要影响。常见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。
在熔融共混过程中，加工温度、螺杆转速等参数会影响增韧剂在塑料基体中的分散情况。加工温度过高，可能导致增韧剂分解；温度过低，则增韧剂无法充分熔融分散。螺杆转速过高，会使材料受到过大的剪切力，导致分子链断裂；转速过低，则增韧剂分散不均匀。
例如，在 pvc 与聚氨酯增韧剂的熔融共混中，适宜的加工温度为 160-180℃，螺杆转速为 300-400 r/min。在此条件下，增韧剂能够均匀分散在 pvc 基体中，从而获得较好的增韧效果。
聚氨酯增韧剂的应用案例
在汽车零部件中的应用
汽车保险杠、仪表盘等零部件对材料的抗冲击性能要求较高。采用添加聚氨酯增韧剂的 pp 材料制作汽车保险杠，能够提高其在碰撞时的抗冲击能力，减少损坏。
某汽车制造商采用添加 12 份聚烯烃型聚氨酯增韧剂的 pp 材料制作保险杠，经过测试，该保险杠在时速 50 km/h 的碰撞试验中，损坏程度明显低于未添加增韧剂的 pp 保险杠。同时，材料的成本相对较低，具有较好的经济性。
在电子设备外壳中的应用
电子设备外壳需要具备一定的抗冲击性能，以保护内部电子元件。采用添加聚氨酯增韧剂的 abs 材料制作电子设备外壳，能够提高其抗摔性能。
某电子公司在其手机外壳的生产中，使用添加 7 份核 – 壳结构聚氨酯增韧剂的 abs 材料，经过跌落测试，手机外壳在 1.5 米高度跌落时的损坏率比使用未添加增韧剂的 abs 外壳降低了 40%。
结论与展望
聚氨酯增韧剂作为一种有效的塑料增韧助剂，能够显著改善 pvc、pp、abs、pc 等多种塑料的抗冲击性能，同时对材料的其他性能影响较小。其增韧效果受到增韧剂的添加量、与塑料的相容性、加工工艺等多种因素的影响。
在未来的研究中，可以进一步开发新型结构的聚氨酯增韧剂，如具有特殊核 – 壳结构、互穿网络结构的增韧剂，以提高其增韧效率和对不同塑料的适应性。同时，深入研究增韧剂与塑料之间的作用机理，为优化增韧剂的性能和应用提供理论指导。此外，还可以探索聚氨酯增韧剂与其他增韧剂的协同作用，以获得更好的增韧效果。
随着科技的不断发展和对材料性能要求的不断提高，聚氨酯增韧剂在塑料改性领域的应用前景将更加广阔。
参考来源
[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] 张伟，等. (2019). 聚烯烃型聚氨酯增韧剂对聚丙烯抗冲击性能的影响。高分子材料科学与工程，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.
