聚苯醚/聚丙烯共混合金的研究

沙慧　蔺笔雄　陈泉

(广东工业大学材料与能源学院,广东 广州,510006)

聚苯醚(PPO)密度小,具有良好的力学性能、化学性能及耐热性,电性能稳定,但与其他工程塑料相比,纯PPO材料的缺口冲击强度不高,抗氧性不好,耐有机溶剂性差,并且熔体黏度高、流动性差,加工成型困难[1]。而聚丙烯(PP)的加入,能改善PPO材料固有的缺点[2]。

PPO/PP合金由于其性价比的优势,在不同的领域得到了广泛的应用。但PPO/PP合金是不相容的体系,二者进行简单的机械共混,形态缺乏稳定性[3],因此使用相容剂对PPO/PP合金进行增容改性是必不可少的。

GUPTA等[4]用马来酸酐(MAH)接枝PP(PP-g-MAH)作为原位相容剂对改性聚苯醚/聚丙烯(MPPO/PP)进行反应性增容,酸酐反应官能团能够与MPPO侧甲基和末端的羟基发生反应,起到桥梁的作用,使二者相容,但是对合金的力学性能无明显改善。而聚乙烯(PE)与PP有很好的相容作用,理论上酸酐反应官能团又有利于PPO/PP合金体系体系的增容[5],因此采用MAH接枝PE(PE-g-MAH)来增大PPO/PP合金的熔体流动速率,提高加工性能,改善界面黏结性能。

下面采用PE-g-MAH作为相容剂对PPO/PP合金进行增容改性,主要研究了PE-g-MAH对PPO/PP合金的相容性、断面形貌以及力学性能的影响。

1　试验部分

1.1　主要原料及仪器设备

PPO,Iupiace PX100L,日本旭化成公司;PP,E030-F,中国石化上海石油化工股份有限公司;PE-g-MAH,GS-106,广州金发科技股份有限公司;三氯甲烷,分析纯,天津市大茂化学试剂厂。

转矩流变仪,E85-302,上海科创橡塑机械设备有限公司;平板硫化机,HY-25TS,上海恒驭仪器有限公司;万能试验机,CMT4204,深圳市新三思材料检测有限公司;熔体流动速率(MFR)仪,XNR-400,承德市金建检测仪器有限公司;扫描电子显微镜(SEM),S3400N,日本电子JEOL;热差分析仪,SDT-2960,差示扫描量热仪(DSC),Q2,均为美国TA公司。

1.2　试样制备

将粉末PPO，颗粒状的PP，PE-g-MAH在80 ℃下干燥8 h,在PPO/PP质量比为40/60的混合物中加入不同用量的相容剂PE-g-MAH后,经转矩流变仪熔融混合均匀,转速为60 r/min,加工温度260 ℃。将熔融混合物在80 ℃下干燥8 h,然后将所得到的共混物置于模具中,用平板硫化机在260 ℃下预热10 min后,热压6 min,压力为12 MPa,再冷压20 min成型,制备成标准样条进行性能测试。

1.3　性能测试与表征

DSC分析:氮气保护下,以10 ℃/min从30 ℃升温至280 ℃。

采用热差分析仪进行热失重分析:氮气保护,升温范围为30～700 ℃,升温速率10 ℃/min。

SEM分析:液氮脆断样条,对其断面进行喷金,观察其表面形貌。

拉伸性能按照GB/T 528—2009进行测试;弯曲强度按照GB/T 9341—2008进行测试;缺口冲击强度按照GB/T 1843—2008进行测试;熔体流动速率(MFR)按照ASTM D—1238进行测试。

2　结果与分析

2.1　PE-g-MAH用量对PPO/PP合金力学性能影响

表1是PE-g-MAH用量对PPO/PP合金力学性能影响。

表1　不同PE-g-MAH用量的PPO/PP合金力学性能

注:PPO/PP的质量比为40/60。

从表1可以看出,随着PE-g-MAH相容剂用量的增加,PPO/PP合金的拉伸强度、弯曲强度呈现出先增大后减小的趋势,缺口冲击强度则一直增大。这说明PE-g-MAH的加入使得PPO与PP的相容性得到了改善,界面性能的提高促进了分散相PPO在连续相PP中分散。但是由于PE-g-MAH的相对分子质量低,本身柔性大,强度低,随着PE-g-MAH相容剂用量的继续增加,PE-g-MAH分子的柔性就会显现出来,从而使合金的拉伸强度和弯曲强度降低。而缺口冲击强度随着用量的增加而增大,但是提升的幅度并不大,这表明相容剂PE-g-MAH不仅起到增容的作用,而且还可以起到增韧的作用。当相容剂PE-g-MAH用量分别为4份和6份时,PPO/PP合金的拉伸强度和弯曲强度达到最大值39.95 MPa和50.13 MPa,分别增加了22.92%和7.68%。

2.2　PE-g-MAH增容PPO/PP合金的加工性能

图1是不同用量PE-g-MAH对PPO/PP合金MFR的影响。其中测试温度260 ℃,载荷2.16 kg。

图1　PE-g-MAH对PPO/PP合金MFR影响

从图1可以看出,PE-g-MAH的加入增加了PPO/PP合金的加工性能。随着PE-g-MAH用量的增加,PPO/PP合金的MFR逐渐增大;当PE-g-MAH用量从0增加到10份时,MFR从2.99 g/10 min增加到4.75 g/10 min,增长了58.86%;PPO/PP合金的MFR逐渐增大是因为PE-g-MAH的黏度比较小,而且PE-g-MAH相对分子质量也低,流动性好,改善了PPO/PP合金的加工性能。

2.3　PE-g-MAH增容PPO/PP合金的断面形貌

图2为PPO/PP合金及其增容改性后的冲击断面形貌SEM分析。

图2　PPO/PP合金及其增容改性后冲击断面SEM分析

从图2可以看出,未加入相容剂PE-g-MAH时,PPO/PP合金的冲击断面为典型的脆性断裂截面,其表面光滑平整并且呈现层状,边缘清晰,其周围也没有发生明显的塑性形变,因此PPO/PP合金的缺口冲击强度低。加入PE-g-MAH后,增容改性后PPO/PP合金的冲击断面上可以观察到明显的塑性形变,其断面呈现粗糙模糊状,仔细观察可以看到大量分散拉伸取向的白色凸起,这些是在断裂过程吸收了一些能量的塑性形变使合金的冲击性能有一定程度的提高,所以PE-g-MAH对PPO/PP合金有一定的增韧作用。

2.4　PE-g-MAH增容PPO/PP合金的热性能分析

图3是PE-g-MAH增容PPO/PP合金的DSC分析。

图3　PPO/PP合金及其增容改性的DSC分析

从图3可以看出,随着PE-g-MAH用量的增加,玻璃化转变温度先向高温方向移动,随后向低温方向移动。当PE-g-MAH用量从0增加到6份时,PPO/PP合金的玻璃化转变温度从158.32 ℃升到167.01 ℃,玻璃化转变温度提高了8.69 ℃;当PE-g-MAH用量继续增加到10份时,PPO/PP合金的玻璃化转变温度又降到了165.23 ℃。这是由于相容剂PE-g-MAH的加入改善了PPO与PP之间的相容性,增加了体系的相互作用力,使得PPO/PP合金的热稳定性增加,但是PE-g-MAH又使得PPO的结晶度降低,链段增多。另外PE-g-MAH相对分子质量低,分子链中柔性链段较多,当其用量过多时就会导致玻璃化转变温度降低,向低温方向移动。

图4是PE-g-MAH增容改性PPO/PP合金的热失重曲线。其对应的热失重参数列于表2中。

图4　PE-g-MAH 增容改性PPO/PP合金热失重分析

表2　PE-g-MAH增容改性PPO/PP合金热分解数据

注:T10%为降解10%时的热失重温度;T50%为降解50%时的热失重温度;Tmax为最大热失重速率温度;C*为600 ℃时的质量残存量。

从图4可以看出,在相同的升温范围内,随着PE-g-MAH用量的增加,分解后残渣剩余量减少。从表2可以看出,随着PE-g-MAH用量的增加,PPO/PP合金T10%,T50%,Tmax均呈现出先升高后降低的趋势。当PE-g-MAH用量从0增加到6份时,T10%,T50%,Tmax分别升高了41.69,7.38,4.75 ℃。说明PE-g-MAH与PPO发生反应,形成交联的网络结构,使得PPO/PP合金的热稳定性提高,但PE-g-MAH分子链中柔性链段较多,当其用量过多时就会导致相关的温度降低。

3　结论

a)PE-g-MAH的加入很好地改善了PPO/PP合金的相容性,分散相PPO均匀分散在连续相PP中。

b)随着PE-g-MAH相容剂用量的增加,PPO/PP合金的拉伸强度、弯曲强度呈现出先增大后减小的趋势,缺口冲击强度则一直增大。当相容剂PE-g-MAH用量分别为4份和6份时,PPO/PP合金的拉伸强度和弯曲强度达到最大值39.95 MPa和50.13 MPa,分别增加了22.92%和7.68%。

c)PE-g-MAH相容剂的加入提高了PPO/PP合金的玻璃化转变温度,当相容剂PE-g-MAH用量为6份时,玻璃化转变温度达到最大值167.01 ℃,玻璃化转变温度提高了8.69 ℃,但是随着相容剂用量的持续增加而后降低;随着PE-g-MAH用量的增加,T10%,T50%,Tmax均不同程度地得到了提高，表明相容剂PE-g-MAH提高了PPO/PP合金的热稳定性。

d)PE-g-MAH相容剂从0增加到10份时,MFR从2.99 g/10 min增加到4.75 g/10 min,增长了58.86%,说明PPO/PP合金的加工性能得到了改善。