聚苯乙烯基复合材料形态、结构与性能的研究

【摘要】：聚合物共混以及无机粒子填充是制备高性能材料的重要途径之一。它具 有简单易行,研发周期短,成本低廉等优点。本论文围绕高分子材料高性能 化、应用探索和理论研究三个方面对聚苯乙烯基复合材料做了较为深入的探 索和分析,获取了很多有价值的成果: 1. 微米碳酸钙、玻璃珠、滑石粉等在低含量下对聚苯乙烯皆有增韧作用。 例如 2 份时,微米碳酸钙使填充体系的缺口冲击强度提高了约 42%;滑石粉, 58%。对于纳米无机粒子,单个粒子的均匀分散是提高填充材料力学性能的先 决条件。例如纳米二氧化硅,如果直接使用,不但不能提高填充体系的力学性 能,反而随其用量的增加,填充体系的力学性能大幅度下降。对于经过表面处 理的纳米碳酸钙填充聚苯乙烯体系,在一定范围内随着表面处理剂用量的增 加,其力学性能明显上升,试样表面光滑,透明性增加。例如对于 10 份纳米 碳酸钙填充聚苯乙烯体系,当表面处理剂为 5 份时,试样的缺口冲击强度和拉 伸强度分别比 PS 提高了约 39%、9%。一般来说,加入无机刚性粒子将导致 填充聚合物体系拉伸强度的下降,然而经表面处理的无机粒子填充的聚苯乙 烯体系的拉伸强度不但不降低,反而高于纯聚苯乙烯。我们基于银纹化理论 给出了新的解释:在拉伸后期(产生银纹后),试样的伸长率主要来源于银纹 体的引发和伸长。在平行于拉伸方向的平面上,如果银纹面越多(如经表面处 理的纳米碳酸钙填充的聚苯乙烯试样),那么可以推测试样的伸长率较大。银 纹体周围尚处于弹性变形的区域如果和银纹体之间没有滑移的话,那么弹性 变形区因为银纹面较多试样的较大伸长率,对拉伸力贡献就较大,即这种试 样的断裂应力较大。 2.SBS是聚苯乙烯较好的增韧剂。当SBS含量为 33.3 wt%时,共混物试 I WP=8 聚苯乙烯基复合材料形态、结构与性能的研究 样的缺口冲击强度比纯聚苯乙烯提高了约 11.6 倍。POE在一定用量范围内对 聚苯乙烯无增韧作用。虽然两种弹性体SBS、POE共用(质量比 1:1)增韧聚苯 乙烯试样的缺口冲击强度仍然低于同样弹性体含量下单用SBS增韧体系,但 是其拉伸断裂功较高。例如弹性体用量为 20 份时,两者并用时分别是POE、 SBS单用时的约 10 倍、1.77 倍。我们提出了“相对应力差”因子,把冲击强 度和拉伸性能关联起来。把它用于POE、SBS以及两者共用增韧聚苯乙烯体 系,结果表明“相对应力差”因子可以预示缺口冲击强度的变化。SBS增韧 聚苯乙烯体系的玻璃化转变温度(Tg)高于分散相SBS以及基体PS的相对应的T g 。基于此我们提出聚苯乙烯分子链端进入了SBS微区的模型。 3.制备了马来酸酐接枝 SBS。研究了 SBS、改性 SBS 含量一定时(20 份), 纳米碳酸钙用量对聚苯乙烯/弹性体/填料三元共混物体系性能的影响。结果表 明,纳米碳酸钙含量较高时(20 份),改性 SBS 增韧体系的缺口冲击强度比 SBS 增韧体系提高了约 73%。电镜观测表明,改性 SBS 增韧体系中存在大量的弹 性体相包裹纳米碳酸钙的复合粒子。这种在位形成的核壳粒子正是体系缺口 冲击强度上升的原因,这为高填充量复合材料的制备提供了一条新思路。弹 性体/碳酸钙质量比为 2:1 时,随弹性体含量的增加,三元共混物体系的缺口 冲击强度大幅度上升,而且高于相同弹性体用量(份)下 SBS 增韧体系。这意 味着碳酸钙和弹性体具有协同增韧聚苯乙烯效应。 4.加入助剂有助于进一步提高聚苯乙烯/弹性体/填料三元共混物的冲击 强度,而且碳酸钙含量较高时助剂的作用越明显。例如当纳米碳酸钙和 SBS 分别为 10 份、20 份时,加入助剂使三元共混物体系的缺口冲击强度提高了 约 46%;当它们分别为 30 份、20 份时,加入助剂使体系的缺口冲击强度提 高了约 73%。当两种弹性体 SBS、EPDM 配比为 1:1,弹性体、碳酸钙配比 为 2:3 时,聚苯乙烯/弹性体/填料三元共混物体系的缺口冲击强度比单用 SBS 增韧体系提高了约 66%。 5.结构决定性能,增韧聚合物材料的结构改变必然会以不同的方式在性 能上表现出来。PS/SBS、PS/SBS/CaCO3的脆韧转变以不同的方式表现了出来, 为了和一般意义的脆韧转变区分开来,我们称之为“完全脆韧转变”。这有两 方面的含义:其一,从多方面同时发现了相互关联的转变现象;其二,体系 的脆韧转变和从PS到HIPS的一般意义上的转变不同,体系转变后的冲击强度 II WP=9 四川大学博士学位论文 远高于HIPS(比HIPS的缺口冲击强度(19.1 kJ/m2),高出约 123%),趋于增韧 PS的极限。 6. SBS 可以进一步提高 HIPS 的冲击强度,例如加入约 23 wt% SBS 使体 系的缺口冲击强度提高了 1.42 倍。POE 因为和 HIPS 相容性较差,所以无增 韧作用。加入一定量微米碳酸钙对 SBS 增韧 HIPS 体系的缺口冲击强度的影 响较弱,而对 POE 体系影响显著。例如当 POE 为 10 份时,加入 10 份的微 米碳酸钙使体系的缺口冲击强度提高了约 58%。