PP/PS/納米插層高嶺土復(fù)合材料的制備及性能研究

侯桂香,李森林,桑曉明,馬曉林

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

PP/PS/納米插層高嶺土復(fù)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(xué)材料學(xué)院,河北唐山063009;2.華中科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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(fù)合材料。研究了不同用量 K-DMSO對PP/PS共混材料的結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明,隨著 K-DMSO的加入,復(fù)合材料的加工性能、力學(xué)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?jǐn)?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(fù)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(fù)合材料[1-4]。該體系具有廣闊的應(yīng)用前景。目前對插層復(fù)合材料的報道主要是關(guān)于聚烯烴與蒙脫土納米復(fù)合材料的制備與性能研究[5-8],對于聚合物/高嶺土復(fù)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(chǔ)上,采用熔融插層法制備了PP/PS/納米有機高嶺土復(fù)合材料,對其結(jié)構(gòu)和形態(tài)進行了表征,研究了復(fù)合材料的力學(xué)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(jié)構(gòu)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(fù)精細化工研究所。

1.2 主要設(shè)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,上海科創(chuàng)橡塑機械設(shè)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(xué)院北京科學(xué)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(shè)備有限公司。

1.3 PP/PS/K-DMSO復(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)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(biāo)荷0.325 kg、230 ℃;

力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的熔體流動速率

PP/PS/K-DMSO復(fù)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(fù)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(fù)合材料的力學(xué)性能

2.2.1 K-DMSO用量對復(fù)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(fù)合材料的沖擊性能提高最大。原因有兩個方面：一方面,復(fù)合體系形成以聚合物為基體、高嶺土為均勻分散相結(jié)構(gòu),應(yīng)力作用時微小的高嶺土粒子可引發(fā)微裂紋和空穴效應(yīng),使應(yīng)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(jié)晶度及結(jié)晶速率,減小了其球晶尺寸,復(fù)合材料的沖擊強度增加。但當(dāng) 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(fù)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(fù)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(fù)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(xué)上不相容體系,因此為明顯的分相結(jié)構(gòu),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(fù)合材料的拉伸強度有所提高,但當(dāng)K-DMSO用量進一步增加時,相容性的增加抵不過 PP結(jié)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)晶度,減小了其球晶尺寸,復(fù)合材材的彎曲強度增加。

表4 PP/PS/K-DMSO復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(yán)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(jié)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3 結(jié)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(fù)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(fù)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(xué)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