乙烯基樹脂及其團狀模塑料的耐磨性研究

韓領 王明星 盧瑞林 王格琴 楊海 趙秘

摘 要 本文對比了乙烯基樹脂澆注體和乙烯基團狀模塑料（乙烯基BMC）的力學性能、熱性能和耐磨性能，結果表明，相比乙烯基樹脂，乙烯基BMC材料具有優異的綜合性能，其中硬度在60以上，提升了77%；彎曲強度達到160 MPa以上，提升了14%；老化前質量磨損在4～5 mg之間，體積磨損在2～3 mm3之間，分別降低了約96%和97%；老化后質量磨損為8～30 mg，體積磨損在4～14 mm3之間，分別降低了65%和80%以上。

關鍵詞 乙烯基；磨損；團狀模塑料；玻璃化轉變

Abrasion Resistance of Vinyl Ester Resin and Vinyl Ester

Bulk Molding Compound

HAN 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 bulk molding compounds （VE BMC） were compared in this study. The results showed that VE BMC has better comprehensive properties 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， decreased by 96% and 97%，separately; after heat aging， wear mass were between 8～30 mg， and wear volume were between 2～3 mm3， decreased by 65% and 80%，separately.

KEYWORDS vinyl ester; abrasion resistance; BMC; glass transition

通訊作者：韓領，男，碩士，工程師。研究方向為復合材料配方與工藝研究。E-mail：hanling@cs.yzic.com

1 引言

乙烯基樹脂作為一種特殊的不飽和聚酯，具有良好的力學強度、耐腐蝕性和電氣絕緣性，易于加工成型，特別適用于制備團狀模塑料（BMC）、片狀模塑料（SMC）復合材料制品，廣泛應用于石油、化工、冶金、交通和建筑等領域［1-2］。

目前對于乙烯基樹脂應用的研究多集中于力學性能、耐腐蝕性能等方面［3-5］，而對于耐磨性能的研究鮮有報道。本文著重研究了乙烯基樹脂及其團狀模塑料的耐磨性能，并從磨損機理角度對測試結果進行了討論說明。

2 實驗部分

2.1 原材料和儀器設備

乙烯基樹脂，工業品，Ashland；聚苯乙烯，工業品，中石化；苯乙烯、引發劑、促進劑、脫模劑均為市售；短切玻璃纖維，12 mm，重慶國際；填料為微米級硫酸鈣，市售。

捏合機：5 L，如皋市力創機械制造有限公司；液壓機：HYL-100P型，衡陽華意機械有限公司；屏顯式磨損試驗機：MMS-2A型，濟南益華摩擦學測試技術有限公司；熱老化箱：HAT502E型，重慶哈丁科技有限公司；巴氏硬度計：JYW-161型，滄州市歐譜檢測儀器有限公司；電子萬能測試儀：Z100型，Zwick Roell；差示掃描量熱儀，204F1，德國耐馳儀器。

2.2 樹脂澆注體及團狀模塑料（BMC）制備

按照GB/T 2567-2021制備并測試乙烯基樹脂澆注體樣條，記為1#樣品。

將乙烯基樹脂、低收縮劑、引發劑、促進劑、脫模劑按一定比例混合均勻后，制成混合液；再將混合液和填料按照一定的比例加入捏合機中，在室溫下低速混合6 min，制成樹脂糊；最后按一定比例將短切玻璃纖維加入捏合機中，在室溫下低速混合均勻，制成BMC材料，分別記為2#、3#、4#樣品，如表1所示。

稱取計算好重量的BMC材料鋪入模腔中，在160 ℃下加壓至15～20 MPa，固化5 min后，即制得BMC模壓樣板。

2.3 測試方法

拉伸性能：按照GB/T 2567-2005進行測試；彎曲性能：按照 GB/T 2567- 2005進行測試；耐磨性能：按照GB/T 3960-2016進行測試，法向負荷196 N，轉速200 rpm，測試時間2 h；巴氏硬度：按照GB/T 3854-2005進行測試；熱老化：250 ℃下老化168 h；玻璃化轉變溫度：按照ISO 11357-2：2013進行測試。

3 結果與討論

3.1 力學性能

乙烯基樹脂澆注體與乙烯基BMC的力學強度如圖1所示，乙烯基BMC材料的拉伸強度略低于乙烯基樹脂澆注體，2#、3#、4#樣品拉伸強度在64-69MPa，相比1#下降了8%～15%；彎曲強度則有所提高，均在160 MPa以上，相比1#提高了14 %以上。試驗樣品的物理性能如表2所示。

由于樹脂基體中加入了填料和玻纖，一方面，材料相態由單一連續相態轉變成為填料、玻纖與樹脂三者共存的界面相態，加之填料和玻纖含量較高，界面結合處容易形成缺陷，界受外力拉伸時容易產生應力集中，從而導致拉伸強度下降；另一方面，填料和玻纖能夠起到增強效果，可以提高材料的剛性，乙烯基BMC材料的硬度相比乙烯基樹脂澆注體有大幅提高，巴氏硬度從35增加到62以上，在受到三點彎曲外力時，抵抗彎曲變形的能力得到加強，從而提升了材料的彎曲強度。

圖2 乙烯基澆注體和乙烯基BMC的DSC曲線

3.2 熱性能

玻璃化轉變溫度（Tg）是表征聚合物熱性能的重要指標，如圖2所示，乙烯基樹脂澆注體DSC曲線在157.6 ℃附近出現很明顯的玻璃化轉變，乙烯基BMC則出現了兩個玻璃化轉變點，2#、3#、4#的第一Tg范圍在98～110 ℃之間，第二Tg范圍在158～163 ℃。這是由于乙烯基BMC中含有低收縮劑聚苯乙烯，其對應的典型玻璃化轉變溫度即為98～110 ℃之間。

微米級填料可以吸附高分子鏈，形成物理交聯點，另外玻纖與樹脂基體的界面相容性好，玻纖相互纏結在一起，均可以限制高分子鏈的運動。因此，乙烯基BMC材料的玻璃化轉變溫度相比乙烯基樹脂澆注體有所升高。

3.3 耐磨性能

3.3.1 老化前磨損

試樣老化前摩擦前后的外觀如圖3所示，可以看出，乙烯基BMC試樣的磨痕明顯小于乙烯基樹脂澆注體試樣。

試樣老化前的磨損量如圖4所示，乙烯基樹脂澆注體質量磨損達到116 mg，體積磨損接近100 mm3，而乙烯基BMC材料的耐磨性則有明顯提升，2#、3#、4#質量磨損在4～5 mg之間，相比1#降低了約96%，體積磨損在2～3 mm3之間，相比1#降低了約97%。

3.3.2 老化后磨損

試樣老化后摩擦前后的外觀如圖5所示，可以看出，乙烯基BMC試樣的磨痕仍然明顯小于乙烯基樹脂澆注體試樣。

乙烯基樹脂澆注體與乙烯基BMC的老化后磨損如圖6所示，從圖6可以看出，在250 ℃下老化168 h后，乙烯基樹脂澆注體試樣磨損仍然比較嚴重，但是比老化前有所降低，質量磨損為85.6 mg，體積磨損為74.5 mm3，相比老化前均下降了26%左右。這可能是由于在高溫條件下，乙烯基樹脂發生了后固化［6］，同時澆鑄固化時殘留的低分子物質揮發出來，一定程度上提高了材料的耐溫性。乙烯基BMC材料老化后的磨損則略有增加，2#、3#、4#質量磨損為8～30 mg，相比1#降低了65%～90%，體積磨損在4～14 mm3之間，相比1#降低了81%～95%。

3.4 摩擦機理探討

聚合物材料的磨損主要產生于摩擦表面之間的粘附作用力、磨粒微切割、疲勞軟化等作用，磨損行為主要有粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損等，在實際情況下會相互交錯、相互轉化，在某些特定條件下，某種磨損行為會占據主導地位［7］。

從試樣磨痕區域的磨損情況來看，乙烯基樹脂澆注體的磨損機理應該主要為粘著磨損，乙烯基樹脂本身的導熱性不好，加之試樣摩擦過程中生熱升溫，對磨體表面溫度最高升到了110 ℃左右，已經比較接近乙烯基樹脂的玻璃化轉變溫度，測試時散發出比較刺激的氣味，顯然是伴隨低分子物質揮發或分解，所以試樣磨損相當嚴重。

相比之下，乙烯基BMC材料的磨損機理比較復雜，同時存在粘著磨損和磨粒磨損，因為相比乙烯基樹脂澆注體而言，其磨痕區域表面相對平整光滑，推測是由于加入了填料和玻纖之后，一方面，在磨損過程中試樣表面磨下的粉末在試樣和對磨體之間形成了隔離膜，起到了潤滑作用；另一方面玻纖具有很好的增強效果，BMC材料比澆注體硬度高很多，巴氏硬度從35增加至62以上，也有利于耐磨性的提升。

4 結語

（1）相比乙烯基樹脂，乙烯基BMC材料的拉伸強度略有下降，硬度、彎曲強度則有顯著提升；

（2）乙烯基BMC材料在升溫過程中出現兩次玻璃化轉變，其中第二Tg均高于乙烯基樹脂澆注體；

（3）乙烯基BMC材料的老化前和老化后的耐磨性均明顯優于乙烯基樹脂澆注體。

參 考 文 獻

［1］黃學成，耿悅彬，方群英. 海外乙烯基酯樹脂在FRP行業中的應用［J］.玻璃鋼，1999，1：15-18.

［2］潘玉琴.玻璃鋼復合材料基體樹脂的發展現狀［J］.纖維復合材料，2006，4：55-59.

［3］江真，劉文博，焦衛衛.短切碳纖維/乙烯基酯樹脂片狀模塑料拉伸性能的有限元模擬［J］.復合材料學報，36（12）：2843-2850.

［4］秦鳳，程浩，張凱.BMC材料的耐酸性能研究［J］.絕緣材料，2020，53（6）：41-44.

［5］王澤文，李建.乙烯基樹脂/空心玻璃微珠復合材料的制備及性能［J］.塑料科技，2023，2：25-30.

［6］李習習，王濤，侯銳鋼.玻璃纖維/乙烯基酯樹脂復合材料的熱老化機理［J］.熱固性樹脂，2020，35（1）：49-53.

［7］胡曉蘭，梁國正.硼酸鋁晶須/雙馬來酰胺樹脂摩擦磨損性能［J］.復合材料學報，2004，21（6）：21-26.