PP/PS/纳米插层高岭土复合材料的制备及性能研究

侯桂香,李森林,桑晓明,马晓林

(1.河北理工大学材料学院,河北唐山063009;2.华中科技大学电子科学与工程学院,湖北武汉430074)

PP/PS/纳米插层高岭土复合材料的制备及性能研究

侯桂香,李森林2,桑晓明1,马晓林1

(1.河北理工大学材料学院,河北唐山063009;2.华中科技大学电子科学与工程学院,湖北武汉430074)

采用熔融共混法制备了聚丙烯/聚苯乙烯/二甲基亚砜插层改性高岭土(PP/PS/K-DMSO)复合材料。研究了不同用量 K-DMSO对PP/PS共混材料的结构及性能的影响。结果表明,随着 K-DMSO的加入,复合材料的加工性能、力学性能、热性能均得到提高;与PP/PS共混材料相比,在 K-DMSO的加入量为6%(质量分数,下同)时,熔融流动速率增加了2.925 g/(10 min),冲击强度提高了48.8%,弯曲强度提高了24.1%。扫描电镜分析表明,K-DMSO的加入使 PP与PS两相界面模糊,PS分散相尺寸减小,增加了PP、PS的相容性。

聚丙烯;聚苯乙烯;插层高岭土;复合材料

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

通用聚烯烃树脂普遍存在强度低、耐热性差和阻隔性能不好等缺点,将黏土以纳米尺度分散于聚烯烃基体中,可以充分发挥黏土纳米材料与聚烯烃树脂各自的特性,制备具有优良的热稳定性、尺寸稳定性、低膨胀系数等高性能的聚烯烃/黏土复合材料[1-4]。该体系具有广阔的应用前景。目前对插层复合材料的报道主要是关于聚烯烃与蒙脱土纳米复合材料的制备与性能研究[5-8],对于聚合物/高岭土复合材料的研究报道却较少。本文是在对苏州高岭土进行改性的基础上,采用熔融插层法制备了PP/PS/纳米有机高岭土复合材料,对其结构和形态进行了表征,研究了复合材料的力学性能和热性能,并对插层改性高岭土对PP/PS[9-10]共混微观结构的影响进行了探讨。

1 实验部分

1.1 主要原料

高岭土,平均粒度2.69μm,孔径0.061 mm,苏州中亿瓷土有限公司;

PP,均聚1700,中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司;

PS,666D,中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司;

二甲基亚砜,分析纯,天津市光复精细化工研究所。

1.2 主要设备及仪器

X射线衍射仪,Shimadzu XRD-6000,日本岛津公司;

转矩流变仪,XSS-300,上海科创橡塑机械设备有限公司;

平板硫化机,SQLB300×300,郑州鑫和机器制造有限公司;

万能制样机,NHY-W,承德大华试验机有限公司;热失重分析仪,STA449C,德国耐驰公司;

场发射扫描电子显微镜(SEM),S-4800,中国科学院北京科学仪器研制中心;

组合式冲击试验机,XJ-50Z,承德大华试验机有限公司;

电子万能材料试验机,AGS-X,日本岛津公司;

熔体流动速率仪,XNR-400AM,承德市世鹏检测设备有限公司。

1.3 PP/PS/K-DMSO复合材料的制备

按文献[11]的方法制备 K-DMSO,将 PP、PS按质量比70/30在转矩流变仪中进行熔融共混,并加入一定量的插层高岭土、稳定剂、增塑剂等,设定温度为180℃,转速为60 r/min,约10 min后取出,在平板硫化机上热压成型,取出保压冷却至60℃,再在万能制样机上切割制样。

1.4 性能测试与结构表征

熔体流动速率测试：利用熔体流动速率仪按 GB/T 3682—2000进行测试,条件为：标荷0.325 kg、230 ℃;

力学性能测试：

按 GB/1943—2007将材料制备成80 mm×10 mm样条进行冲击性能测试,缺口为2 mm,冲击速度为2.9 m/s,冲击能量为 2 J,仰角为 160°,跨距为38.7 mm,试验温度为20℃;

按 GB1040—79将材料制成标准哑铃型试样,在万能材料试验机上进行拉伸强度测试。行程速度为5 mm/min,试验温度为20℃;

将标准样条在万能材料试验机上进行三点弯曲试验。行程速度为2 mm/min,下跨距为4 cm,试验温度为20℃;

热重分析：升温速度为10℃/min,N2保护;

SEM分析：在断裂的条形试样上切下断面,利用离子溅射装置对试样喷金60 s,然后在场发射扫描电子显微镜下观察断面处形貌。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的熔体流动速率

PP/PS/K-DMSO复合材料的熔体流动速率如表1所示。从表1可以看出,随着 K-DMSO用量的增加,熔体流动速率先增加后降低,K-DMSO用量为6%时熔体流动速率为13.350 g/(10 min)。对于 PP/PS/K-DMSO复合材料来说,熔体流动速率越大,熔体黏度越低,熔体流动性越好,从而其加工性也越好。

K-DMSO用量/% 0 3 6 9熔体流动速率/g·(10 min)-110.425 10.875 13.350 10.470

2.2 复合材料的力学性能

2.2.1 K-DMSO用量对复合材料冲击强度的影响

从表2可以看出,随着 K-DMSO用量的增加,材料的冲击强度提高,在 K-DMSO用量为6%时复合材料的冲击性能提高最大。原因有两个方面：一方面,复合体系形成以聚合物为基体、高岭土为均匀分散相结构,应力作用时微小的高岭土粒子可引发微裂纹和空穴效应,使应力分散,从而提高冲击强度;另一方面,在熔体成型、冷却过程中,高岭土的引入对 PP有异相成核作用,提高了其结晶度及结晶速率,减小了其球晶尺寸,复合材料的冲击强度增加。但当 K-DMSO用量进一步增加时,体系的冲击强度下降。

表2 PP/PS/K-DMSO复合材料的冲击强度Tab.2 The impact strength of PP/PS/K-DMSO composites

2.2.2 K-DMSO用量对复合材料拉伸强度的影响

从表3可以看出,在 K-DMSO用量为3%时复合材料的拉伸强度有所提高。但总趋势是强度降低。原因是：PP/PS共混时,由于其为热力学上不相容体系,因此为明显的分相结构,PS仍为分散相,K-DMSO的加入加大了两相界面之间的联系,增加了两相的相容性,因此使得复合材料的拉伸强度有所提高,但当K-DMSO用量进一步增加时,相容性的增加抵不过 PP结晶晶粒减小对体系的影响,体系的拉伸强度下降。

表3 PP/PS/K-DMSO复合材料的拉伸强度Tab.3 The tensile strength of PP/PS/K-DMSO composites

2.2.3 K-DMSO用量对复合材料弯曲强度的影响

从表4可以看出,加入 K-DMSO使得PP/PS复合材料的弯曲强度增加,并在其用量为6%时达到最大值,比纯PP/PS体系的提高了24.1%。这是由于加入K-DMSO粒子起到了增强作用;另一方面,高岭土的引入对PP有异相成核作用,提高了结晶度,减小了其球晶尺寸,复合材材的弯曲强度增加。

表4 PP/PS/K-DMSO复合材料的弯曲强度Tab.4 The bending strength of PP/PS/K-DMSO composites

2.3 热性能分析

PP/PS、PP/PS/K-DMSO复合材料的 TG分析曲线如图1所示。从图1可以看出,PP/PS和 PP/PS/K-DMSO复合材料的开始失重温度分别为270℃和278℃。失重率为50%时的温度分别为408℃和430℃。失重至恒重时温度分别为449℃和493℃。可见K-DMSO的加入会提高PP/PS体系的耐热性能。

图1 复合材料的热分析曲线Fig.1 TG curves for the composites

2.4 SEM分析

从图2可以看出,PP/PS相比 PP、PS,断面呈现出了凹凸不平的形貌,为韧性断裂,在简单共混体系中,PP为连续相,PS为分散相,PS相粒径较大,分散不均匀,存在明显的由PS被剥离所形成的孔洞;适量加入插层高岭土后,PS仍为分散相,但粒径减小,且均匀分散于PP相中,同时PS的剥离现象也不明显,加大两相界面之间的联系,从而增强了材料的冲击性能。

图 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)

从图3可以看出,PP/PS分相严重,PS颗粒界面十分光滑,互不相容。适量加入 K-DMSO后,K-DMSO在相界面周围形成大量白色的粒径小于100 nm的细小粒子,增加了 PP与 PS两相之间的联系,使得PP和 PS界面模糊,PS能更为均匀地分散于PP中,使体系的相容性得到提高,使两相界面处的黏结强度提高,界面张力减小,有利于分散相尺寸的减小和相态结构的稳定。

3 结论

(1)将不同用量的 K-DMSO与PP/PS进行熔融共混,体系熔体流动速率增大。K-DMSO用量为6%时熔体流动速率增大为13.350 g/(10 min);

(2)随着 K-DMSO的加入,复合材料的冲击强度、弯曲强度增大。与 PP/PS相比,在 K-DMSO用量为6%时,体系的冲击强度提高了48.8%,弯曲强度提高了24.1%,但拉伸强度却呈降低趋势;

图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的复合材料的热性能提高,起始失重温度提高8℃,热失重50%时的温度增加12℃,失重至恒重时的温度提高了44℃;

(4)加入 K-DMSO使得PS分散相粒径减小,且均匀分散于PP相中,加大了两相界面之间的联系,增加了两相相容性,从而增强了材料的力学性能。

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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

联系人,hougx@heut.edu.cn