交联聚苯乙烯的动态力学性能研究

杨 清，宋 欢，丁 娉

(株洲时代华先材料科技有限公司，湖南 株洲 412000)

交联聚苯乙烯材料是苯乙烯单体与交联剂共聚合得到的一种热固性塑料，其主要性能特点如下[1]：(l)介电性能优异，在工频及高频下具有低且稳定的介电常数，且其介电损耗值非常小；(2)能承受高电压，适合制造高电压绝缘层；(3)尺寸稳定性好，且刚性大，在潮湿条件下不会产生永久变形和塑性流动，机械加工性良好；(4)光学性能突出。交联聚苯乙烯材料优异的综合性能，使其在电子工程、高频微波通讯等方面有重要应用价值，特别的，在真空、高功率脉冲电场等这类特殊应用领域有重大潜在价值。

自从国外开发出交联聚苯乙烯材料以来，研究者们主要从其合成方法[2-6]、交联共聚机理[7]、反应动力学[8]及性能上[9]做了大量研究工作，但对于其动态力学性能的研究却鲜有报道。动态力学行为是指在交变应力或交变应变作用下，聚合物材料的应力或应变随时间的变化。这是一种接近材料实际使用条件的粘弹性行为。通过动态力学分析，可以获得聚合物材料的分子结构及分子运动的信息，如玻璃化转变、晶态分子的运动、次级松弛等信息。本文通过本体聚合方法制备得出了一种透明的交联聚苯乙烯材料，并就交联剂用量、热压工艺及紫外光辅助聚合作用对其动态力学性能的影响进行了讨论，为交联聚苯乙烯材料的实际应用提供一点思路。

1 实验

1.1 实验原料

苯乙烯(St)，化学纯，山东东大化学工业集团公司；二乙烯基苯(DVB)，化学纯，山东东大化学工业集团公司；过氧化苯甲酰(BPO)，分析纯，成都市科龙化工试剂厂；2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)，分析纯，长沙新宇化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

超级恒温油浴锅，HH-SA，江苏金坛实验仪器有限公司；循环水式多用真空泵，SHB-Ⅲ，郑州长城科工贸易有限公司；恒温热压机，DHF05，东莞市东合机械设备有限公司；动态力学分析仪PyrisDiamon，美国Perkin-Elmer公司。

1.3 样品制备

1.3.1 线性聚苯乙烯预聚合体的制备

本实验采用自由基聚合方法，首先以纯化后的苯乙烯(St)为单体，过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂，以一定配比将两种原料置于2000mL的四口烧瓶中反应4～5h，取出四口烧瓶置于冰水中冷却，即得到线性聚苯乙烯预聚合体。

1.3.2 交联聚苯乙烯的制备

通过两种工艺制备交联聚苯乙烯：(1)程序升温法：预聚合体中加入一定量的交联剂DVB，充分搅拌均匀后置于自制密封模具中，模具当中充入氩气作为保护气体，然后在超级恒温水浴槽中逐步升温，直至得到完全固化的交联聚苯乙烯；(2)紫外光辅助聚合法：预聚合体中加入一定量的交联剂DVB和光引发剂1173，对混合物料进行紫外照射，照射时间为10～30min，将照射后的样品放入烘箱就行热处理得到完全固化的交联聚苯乙烯。

1.3.3 热压处理

将样品加工成几何尺寸规则的块体，并将其嵌入到具有同样尺寸的模具当中，样品厚度高于模具1～2mm。将嵌入样品的模具放在热压机的热台上，缓慢升温至110℃，静置1h，等模具及样品温度基本达到压机设定温度。设定热压机压力为5MPa，开压机，保温1h。最后保持压力，关掉电源缓慢冷却至室温。

1.4 动态力学性能测试

2 结果与讨论

2.1 交联程度对动态力学性能的影响

图1 交联程度对交联聚苯乙烯储能模量的影响

从图1和图2中可以看出，在玻璃态区域(未达到玻璃化转变温度的温度区域)交联聚苯乙烯材料的储能模量值大，且变化趋势较小。这是因为在玻璃化转变温度以下，分子链段都处于“冻结”状态，链段运动被冻结，仅限于振动及短程的旋转运动，分子链之间没有相对位移，所以几乎没有分子链之间的摩擦，内耗小，故能保持较高的储能模量，且变化趋势较小，如图2，损耗模量在这个区域增长趋势也不明显。温度升高，材料处于玻璃-橡胶态转变区域，材料的储能模量急剧下降，这是因为分子链在玻璃化转变温度以上时开始“解冻结”，分子链的运动是远程的相对运动，且其构象发生变化，需要克服的分子链之间的摩擦力也急剧增大，内耗迅速增大，材料的储能模量急剧下降，都以损耗热的形式消耗，从图2中可看出，此区域的损耗量有一个峰值。当温度进一步升高，模量在橡胶-弹性平台区域内几乎保持恒定，分子链的交联作用阻止了滑移运动，材料在达到其分解温度前，会一直保持在这个状态。

图2 交联程度对交联聚苯乙烯损耗模量的影响

2.2 热压工艺对动态力学性能的影响

图3及图4分别给出的是，热压工艺处理前后交联聚苯乙烯材料储能模量和损耗模量的对比曲线图。

图3 热压工艺对交联聚苯乙烯储能模量的影响

图4 热压工艺对交联聚苯乙烯损耗模量的影响

2.3 紫外光作用对的动态力学性能的影响

图5和图6给出的是，紫外光聚合交联聚苯乙烯材料的动态力学测试曲线，其中交联剂含量为2%，紫外光引发剂1173浓度为0.5%。

图5 紫外光老化作用对交联聚苯乙烯储能模量的影响

图6 紫外光老化作用对交联聚苯乙烯损耗模量的影响

图7 紫外光作用对交联聚苯乙烯分子链影响示意图

3 结论

通过上述的结果与讨论，可以得到以下结论：