侯桂香,李森林,桑曉明,馬曉林

(1.河北理工大學材料學院,河北唐山063009;2.華中科技大學電子科學與工程學院,湖北武漢430074)

PP/PS/納米插層高嶺土復合材料的制備及性能研究

侯桂香,李森林2,桑曉明1,馬曉林1

(1.河北理工大學材料學院,河北唐山063009;2.華中科技大學電子科學與工程學院,湖北武漢430074)

采用熔融共混法制備了聚丙烯/聚苯乙烯/二甲基亞砜插層改性高嶺土(PP/PS/K-DMSO)復合材料。研究了不同用量 K-DMSO對PP/PS共混材料的結構及性能的影響。結果表明,隨著 K-DMSO的加入,復合材料的加工性能、力學性能、熱性能均得到提高;與PP/PS共混材料相比,在 K-DMSO的加入量為6%(質(zhì)量分數(shù),下同)時,熔融流動速率增加了2.925 g/(10 min),沖擊強度提高了48.8%,彎曲強度提高了24.1%。掃描電鏡分析表明,K-DMSO的加入使 PP與PS兩相界面模糊,PS分散相尺寸減小,增加了PP、PS的相容性。

聚丙烯;聚苯乙烯;插層高嶺土;復合材料

Abstract:Nanocomposites of PP/PS/DMSO-intercalated kaolinite K-DMSO were prepared via melt blending.Studies of properties and structure of the composites showed that the addition of K-DMSO improved the processing behavior,mechanical properties,and thermalstability.Compared with neat PP/PS,the melt flow index increased 2.925 g/(10 min),the impact and tensile strengths of the composites increased by 48.8 %and 24.1 %,respectively,when the content of the K-DMSO was 6 wt%.The scanning electron microscope(SEM)showed that the size of polystyrene domains decreased with K-DMSO added,and the compatibility of PP and PS was increased.

Key words:polypropylene;polystyrene;intercalated kaolinite;composite

0 前言

通用聚烯烴樹脂普遍存在強度低、耐熱性差和阻隔性能不好等缺點,將黏土以納米尺度分散于聚烯烴基體中,可以充分發(fā)揮黏土納米材料與聚烯烴樹脂各自的特性,制備具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性、低膨脹系數(shù)等高性能的聚烯烴/黏土復合材料[1-4]。該體系具有廣闊的應用前景。目前對插層復合材料的報道主要是關于聚烯烴與蒙脫土納米復合材料的制備與性能研究[5-8],對于聚合物/高嶺土復合材料的研究報道卻較少。本文是在對蘇州高嶺土進行改性的基礎上,采用熔融插層法制備了PP/PS/納米有機高嶺土復合材料,對其結構和形態(tài)進行了表征,研究了復合材料的力學性能和熱性能,并對插層改性高嶺土對PP/PS[9-10]共混微觀結構的影響進行了探討。

1 實驗部分

1.1 主要原料

高嶺土,平均粒度2.69μm,孔徑0.061 mm,蘇州中億瓷土有限公司;

PP,均聚1700,中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司;

PS,666D,中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司;

二甲基亞砜,分析純,天津市光復精細化工研究所。

1.2 主要設備及儀器

X射線衍射儀,Shimadzu XRD-6000,日本島津公司;

轉(zhuǎn)矩流變儀,XSS-300,上?？苿?chuàng)橡塑機械設備有限公司;

平板硫化機,SQLB300×300,鄭州鑫和機器制造有限公司;

萬能制樣機,NHY-W,承德大華試驗機有限公司;熱失重分析儀,STA449C,德國耐馳公司;

場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM),S-4800,中國科學院北京科學儀器研制中心;

組合式?jīng)_擊試驗機,XJ-50Z,承德大華試驗機有限公司;

電子萬能材料試驗機,AGS-X,日本島津公司;

熔體流動速率儀,XNR-400AM,承德市世鵬檢測設備有限公司。

1.3 PP/PS/K-DMSO復合材料的制備

按文獻[11]的方法制備 K-DMSO,將 PP、PS按質(zhì)量比70/30在轉(zhuǎn)矩流變儀中進行熔融共混,并加入一定量的插層高嶺土、穩(wěn)定劑、增塑劑等,設定溫度為180℃,轉(zhuǎn)速為60 r/min,約10 min后取出,在平板硫化機上熱壓成型,取出保壓冷卻至60℃,再在萬能制樣機上切割制樣。

1.4 性能測試與結構表征

熔體流動速率測試：利用熔體流動速率儀按 GB/T 3682—2000進行測試,條件為：標荷0.325 kg、230 ℃;

力學性能測試：

按 GB/1943—2007將材料制備成80 mm×10 mm樣條進行沖擊性能測試,缺口為2 mm,沖擊速度為2.9 m/s,沖擊能量為 2 J,仰角為 160°,跨距為38.7 mm,試驗溫度為20℃;

按 GB1040—79將材料制成標準啞鈴型試樣,在萬能材料試驗機上進行拉伸強度測試。行程速度為5 mm/min,試驗溫度為20℃;

將標準樣條在萬能材料試驗機上進行三點彎曲試驗。行程速度為2 mm/min,下跨距為4 cm,試驗溫度為20℃;

熱重分析：升溫速度為10℃/min,N2保護;

SEM分析：在斷裂的條形試樣上切下斷面,利用離子濺射裝置對試樣噴金60 s,然后在場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察斷面處形貌。

2 結果與討論

2.1 復合材料的熔體流動速率

PP/PS/K-DMSO復合材料的熔體流動速率如表1所示。從表1可以看出,隨著 K-DMSO用量的增加,熔體流動速率先增加后降低,K-DMSO用量為6%時熔體流動速率為13.350 g/(10 min)。對于 PP/PS/K-DMSO復合材料來說,熔體流動速率越大,熔體黏度越低,熔體流動性越好,從而其加工性也越好。

K-DMSO用量/% 0 3 6 9熔體流動速率/g·(10 min)-110.425 10.875 13.350 10.470

2.2 復合材料的力學性能

2.2.1 K-DMSO用量對復合材料沖擊強度的影響

從表2可以看出,隨著 K-DMSO用量的增加,材料的沖擊強度提高,在 K-DMSO用量為6%時復合材料的沖擊性能提高最大。原因有兩個方面：一方面,復合體系形成以聚合物為基體、高嶺土為均勻分散相結構,應力作用時微小的高嶺土粒子可引發(fā)微裂紋和空穴效應,使應力分散,從而提高沖擊強度;另一方面,在熔體成型、冷卻過程中,高嶺土的引入對 PP有異相成核作用,提高了其結晶度及結晶速率,減小了其球晶尺寸,復合材料的沖擊強度增加。但當 K-DMSO用量進一步增加時,體系的沖擊強度下降。

表2 PP/PS/K-DMSO復合材料的沖擊強度Tab.2 The impact strength of PP/PS/K-DMSO composites

2.2.2 K-DMSO用量對復合材料拉伸強度的影響

從表3可以看出,在 K-DMSO用量為3%時復合材料的拉伸強度有所提高。但總趨勢是強度降低。原因是：PP/PS共混時,由于其為熱力學上不相容體系,因此為明顯的分相結構,PS仍為分散相,K-DMSO的加入加大了兩相界面之間的聯(lián)系,增加了兩相的相容性,因此使得復合材料的拉伸強度有所提高,但當K-DMSO用量進一步增加時,相容性的增加抵不過 PP結晶晶粒減小對體系的影響,體系的拉伸強度下降。

表3 PP/PS/K-DMSO復合材料的拉伸強度Tab.3 The tensile strength of PP/PS/K-DMSO composites

2.2.3 K-DMSO用量對復合材料彎曲強度的影響

從表4可以看出,加入 K-DMSO使得PP/PS復合材料的彎曲強度增加,并在其用量為6%時達到最大值,比純PP/PS體系的提高了24.1%。這是由于加入K-DMSO粒子起到了增強作用;另一方面,高嶺土的引入對PP有異相成核作用,提高了結晶度,減小了其球晶尺寸,復合材材的彎曲強度增加。

表4 PP/PS/K-DMSO復合材料的彎曲強度Tab.4 The bending strength of PP/PS/K-DMSO composites

2.3 熱性能分析

PP/PS、PP/PS/K-DMSO復合材料的 TG分析曲線如圖1所示。從圖1可以看出,PP/PS和 PP/PS/K-DMSO復合材料的開始失重溫度分別為270℃和278℃。失重率為50%時的溫度分別為408℃和430℃。失重至恒重時溫度分別為449℃和493℃。可見K-DMSO的加入會提高PP/PS體系的耐熱性能。

圖1 復合材料的熱分析曲線Fig.1 TG curves for the composites

2.4 SEM分析

從圖2可以看出,PP/PS相比 PP、PS,斷面呈現(xiàn)出了凹凸不平的形貌,為韌性斷裂,在簡單共混體系中,PP為連續(xù)相,PS為分散相,PS相粒徑較大,分散不均勻,存在明顯的由PS被剝離所形成的孔洞;適量加入插層高嶺土后,PS仍為分散相,但粒徑減小,且均勻分散于PP相中,同時PS的剝離現(xiàn)象也不明顯,加大兩相界面之間的聯(lián)系,從而增強了材料的沖擊性能。

圖 2 PP、PS、PP/PS、PP/PS/K-DMSO 的 SEM 照片(×300)Fig.2 SEM micrographs for impact-fractured surfaces of PP,PS,PP/PS,PP/PS/K-DMSO(×300)

從圖3可以看出,PP/PS分相嚴重,PS顆粒界面十分光滑,互不相容。適量加入 K-DMSO后,K-DMSO在相界面周圍形成大量白色的粒徑小于100 nm的細小粒子,增加了 PP與 PS兩相之間的聯(lián)系,使得PP和 PS界面模糊,PS能更為均勻地分散于PP中,使體系的相容性得到提高,使兩相界面處的黏結強度提高,界面張力減小,有利于分散相尺寸的減小和相態(tài)結構的穩(wěn)定。

3 結論

(1)將不同用量的 K-DMSO與PP/PS進行熔融共混,體系熔體流動速率增大。K-DMSO用量為6%時熔體流動速率增大為13.350 g/(10 min);

(2)隨著 K-DMSO的加入,復合材料的沖擊強度、彎曲強度增大。與 PP/PS相比,在 K-DMSO用量為6%時,體系的沖擊強度提高了48.8%,彎曲強度提高了24.1%,但拉伸強度卻呈降低趨勢;

圖3 PP/PS、PP/PS/K-DMSO的 SEM照片(×5000)Fig.3 SEM micrographs for PP/PS and PP/PS/K-DMSO(×5000)

(3)加入 K-DMSO的復合材料的熱性能提高,起始失重溫度提高8℃,熱失重50%時的溫度增加12℃,失重至恒重時的溫度提高了44℃;

(4)加入 K-DMSO使得PS分散相粒徑減小,且均勻分散于PP相中,加大了兩相界面之間的聯(lián)系,增加了兩相相容性,從而增強了材料的力學性能。

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Preparation and Properties of Polystyrene/Polypropylene/Nano-interrelated Kaolinite Composites

HOU Guixiang1,LI Senlin2,SAN G Xiaoming1,MA Xiaolin1
(1.School of Materials Science and Engineering,Hebei Polytechnic University,Tangshan 063009,China;2.School of Electronics Science and Engineering,Huazhong University Science and Technology,Wuhan 430074,China)

TQ325.1+4、TQ325.2

B

1001-9278(2010)12-0021-04

2010-07-22

聯(lián)系人,hougx@heut.edu.cn