乙烯基树脂及其团状模塑料的耐磨性研究

韩领 王明星 卢瑞林 王格琴 杨海 赵秘

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 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：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@cs.yzic.com

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。

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。

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。

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。

图2 乙烯基浇注体和乙烯基BMC的DSC曲线

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98～110 ℃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。

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100 mm3，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%。

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，加之試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.