膠粉改性聚苯乙烯材料的制備與性能

王 浩,張 橋,鄒頭君,鄢國平,李 亮,喻湘華,郭慶中,杜飛鵬,黃林蕓

(綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室, 武漢工程大學材料科學與工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

聚苯乙烯(PS)作為五大通用塑料之一,具有透明性好、剛性大、吸濕性低、成型性好、電絕緣性優良、易染色、價格低廉等優點,主要應用于包裝、電子、建筑、汽車、家電、日用品等行業[1].但PS較脆,耐環境應力開裂及耐溶劑性能較差,熱變形溫度相對較低(70～98 ℃),沖擊強度也不高[2].對PS進行增韌改性一直是人們所關注的課題.

常用的增韌材料有丁苯橡膠(SBR)、順丁橡膠(BR)及乙烯-乙酸乙烯酯共聚物等,這方面的研究已見報道[3].然而,這些增韌材料都會使改性成本大大增加.采用膠粉對PS進行共混增韌改性,不僅提高了共混物的抗沖擊性能,而且可以降低改性材料的成本.若膠粉改性聚苯乙烯能在適合的塑料制品中大量應用,可為我國廢舊汽車輪胎和廢舊橡膠制品的回收利用及環保作出貢獻.本文以聚苯乙烯(PS)為基體材料,制備廢舊膠粉(WRP)改性聚苯乙烯材料.并探討了膠粉增韌劑SBS和偶聯劑用量對膠粉改性聚苯乙烯材料的綜合物理性能的影響.

1 實驗部分

1.1 主要原料

PS:666D,北京燕山石化生產.廢舊膠粉(WRP),粒徑為0.2 mm,天門市天德環保材料科技有限公司生產.鈦酸酯偶聯劑:NDZ-201,南京曙光化工總廠生產生產.SBS,1401,巴陵石化生產.

1.2 主要設備儀器

雙螺桿擠出機,SHJ-36,南京誠盟化工機械有限公司生產.注射機,JPH50,廣東泓利器材有限公司生產.熔體流動速率儀,TD-6049,江都市騰達試驗儀器廠生產.缺口制樣機,XOS-v,承德市精密試驗機有限公司生產.沖擊實驗機,XJU-22,承德試驗機有限公司生產.萬能制樣機,HY-W,河北省承德試驗機廠生產.電子式萬能試驗機,6P-TS2000s,中國深圳高品檢查設備有限公司生產.

1.3 制備工藝

將聚苯乙烯、膠粉、SBS、助劑等按配方稱量后經高速混合機混合10～15 min,出料,送入雙螺桿擠出機,在180～200 ℃溫度下進行熔融共混并擠出造粒.所得粒料在80 ℃烘箱中干燥2 h后,在210～220 ℃溫度下注塑成型,再用萬能制樣機做成標準試樣,最后進行各種性能的測試.

1.4 性能測試

將標準樣條在常溫下放置48 h后測試.其拉伸強度按GB1040-1992測試;沖擊性能測試按GB1043-1996測定;彎曲性能測試按GB9341-2000測試;熔體流動速率按GB/T3682-2000測試.

2 結果與討論

2.1 膠粉含量對改性聚苯乙烯物理性能的影響

膠粉用量對膠粉改性聚苯乙烯沖擊強度和拉伸強度的影響分別見圖1和2.

塑料增韌機理[4-5]主要有相分離的兩相結構增韌機理或稱空穴機理、橋聯-裂紋釘錨增韌機理、裂紋釘錨機理和無相分離的原位增強增韌機理.其中熱塑性塑料的增韌主要是相分離的兩相結構增韌機理或稱空穴機理(也稱海島結構增韌)[6].

從圖1可知,隨著膠粉含量的增加, 改性聚苯乙烯的沖擊強度呈先降低后增加的趨勢.其原因可能是改性聚苯乙烯中膠粉與聚苯乙烯的相容性不好.但是隨著膠粉含量的增加,材料逐漸表現出韌性.這說明加入膠粉能在一定程度上改善聚苯乙烯的沖擊性能.

圖1 膠粉用量對改性聚苯乙烯沖擊性能的影響

從圖2可知,隨著膠粉用量的增大,改性聚苯乙烯的拉伸強度逐漸減小.這是由于膠粉本身的拉伸強度較低,受膠粉改性聚苯乙烯界面性能的影響,改性聚苯乙烯的拉伸強度隨膠粉用量的增大而呈下降趨勢.

2.2 偶聯劑用量對膠粉改性聚苯乙烯性能的影響

偶聯劑用量對WRP改性PS機械性能的影響分別見圖3、4.

由圖3、4可知,隨著偶聯劑含量的增加,改性聚苯乙烯的拉伸性能是先上升后下降的趨勢,而其沖擊性能是先下降后增加再降低的.這可能是由于通過偶聯劑對膠粉進行表面處理,有利于提高膠粉與PS的界面性能，從而增強了改性聚苯乙烯的機械性能.但是過量增加偶聯劑含量,改性聚苯乙烯的沖擊性能與拉伸性能降低.當偶聯劑含量為2份時,改性聚苯乙烯的機械性能最佳.

圖3 偶聯劑用量對改性聚苯乙烯拉伸性能的影響

圖4 偶聯劑用量對改性聚苯乙烯沖擊性能的影響

橡膠增韌塑料的主要影響因素為橡膠粒子的尺寸、橡膠粒子的間距、橡膠相和塑料相結構及兩相的結合力等[7].其中,分散相粒子同基材之間良好的界面粘結是達到優異增韌效果的必要條件之一.因為在這類兩相體系中會形成中間相,改變了分子運動的特征,有利于應力的傳遞及能量耗散.

實驗所用的膠粉主要是廢舊輪胎膠粉.其橡膠成分為非結晶聚合物SBR和NR.而PS具有結晶能力,在聚集態上的這種差異表明它們之間不會完全相容,但它們都是非極性聚合物,三者的溶解度參數相近(NR為8.15,SBR為8.10,PS為8.58[8]),根據相容性原理,膠粉與PS仍然具有一定的相容性.因此,偶聯劑對膠粉進行表面處理,有利于提高膠粉與PS的界面性能.

2.3 增韌劑含量對改性聚苯乙烯性能的影響

增韌劑SBS用量對改性聚苯乙烯性能的影響如圖5、6和7.

圖5 SBS用量對改性聚苯乙烯的斷裂伸長率影響

圖6 SBS用量對改性聚苯乙烯的拉伸強度影響

圖7 SBS用量對改性聚苯乙烯沖擊強度的影響

由圖5～7可知,隨著SBS用量的增加,改性聚苯乙烯的斷裂伸長率增加.因此增韌劑SBS有較好的增韌效果.而改性聚苯乙烯的拉伸強度逐漸下降,沖擊強度是先下降后增加.這是SBS增韌的特點,韌性增加的同時伴隨著強度和加工性能的下降.因此,要尋找一個平衡點使各項性能均達到所要求的水平.綜合分析認為,添加15份的SBS是最為合理的,改性聚苯乙烯具有優異的綜合性能.

SBS增韌機理[9]為SBS為嵌段共聚物,其中B為丁二烯橡膠鏈段,且在大分子的兩端,它們同PS基材形成一相.丁二烯橡膠鏈段B部分同S段則以化學鍵連結,因此SBS中的B段與基材有較好的界面粘結,它又被牢固地錨在基材中.當樣品受到外力拉伸時,B鏈段同PS鏈段有引發和終止銀紋的作用,同時,B段本身能產生彈性形變,使得外界作用能在體系中獲得很好的傳遞和分散,并且部分的彈性形變也會吸收一定的能量.

實驗中,含SBS的試樣拉伸斷裂前呈現應力發白現象,這表明試樣在拉伸過程中有大量的銀紋生成.試樣斷面凸凹不平,表明在拉伸斷裂過程中有顯著的塑性流動;而純PS試樣則無應力發白現象,樣條拉斷后,斷裂表面光滑平整,無凸凹不平現象,呈現脆性斷裂.說明加入SBS使得PS韌性增加.

3 結 語

膠粉對聚苯乙烯有一定的增韌作用,由于它們之間的界面相容性不好,其增韌效果不佳.偶聯劑和增韌劑SBS的添加對膠粉改性聚苯乙烯的增韌效果有較大的提升.當膠粉含量為20份,偶聯劑含量為2份,SBS含量為15份時,膠粉改性聚苯乙烯共混物的綜合物理性能最好.

參考文獻：

[1] 張金龍,馬斐,陳昌青,等.橡膠改性對PS力學性能的影響及其機理研究進展[J].廣州化工,2010,38(6):16-19.

[2] 姚海軍,楊永青,常新林,等.聚苯乙烯改性方法及其應用研究進展[J].化學工程與裝備,2009(7):142-145.

[3] 張保衛,孫錫龍.膠粉/聚苯乙烯共混物的性能研究[J].橡膠工業,2003,50(9):529-531.

[4] 陳少華,熊必金,曹亞.苯乙烯類熱塑性彈性體增韌尼龍6的研究[J].塑料工業,2009,37(4):22-24.

[5] Ratna D, Samui A B, Chakraborty B C. Flexibility improvement of epoxy resin by chemical modification[J]. Polymer Intemational,2004,53:1882-1887.

[6] Zhang Dao Hong, Jia De Min. Toughnessand strength improvement of diglycidylether of bispheuol-A by low viscosity liquid hyperbranched epoxy resin[J]. Journal of Applied Polymer Science,2006,101:2504-2511.

[7] 董智賢,周彥豪,賈德民.改性膠粉在廢舊苯乙烯類混雜塑料中的應用研究[J].塑料,2005,34(1):52-55.

[8] 吳培熙,張留成.聚合物共混改性[M].北京:中國輕工業出版社,1996.

[9] 楊軍,劉景江,劉萬軍.高抗沖聚苯乙烯的增韌機理[J].高分子材料科學與工程,1995,5(3):124.