邢立江,邢喜超,张书会
(1.中国石化巴陵石化公司 橡胶部,湖南 岳阳 414014;2.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028;3.中国石化巴陵石化公司 物资采购中心,湖南 岳阳 414014)
热塑性弹性体是一类在常温下显示橡胶弹性、高温下又能塑化成型的高分子材料。氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)是经加氢得到的饱和型苯乙烯类弹性体,与SBS相比,SEBS具有较好的耐候、抗老化及用途广泛等特点[1-3],因为其优越的性能及安全环保的独特优势,近些年消费需要持续大幅增长。
本文对嵌段比m(苯乙烯)/m(丁二烯)记为嵌段比m(S)/m(B)、相对分子质量、PB段1,2-结构含量、抗氧剂、加氢度等主要因素对SEBS力学性能的影响,进行了探讨。
SEBS胶液(小试、中试样品):中国石化巴陵石化公司橡胶部;抗氧剂[4]1076、168:市售。
橡胶拉力机:AG-1型,日本SHIMADZU公司;硬度计:LX-A,上海六菱仪器厂;SK-160型开放式炼胶机、YX-50型平板硫化机;上海双翼橡塑机械有限公司;热氧老化仪:PAP3002-MU,无锡帕特纳科技有限公司。
力学性能[5]按照GB/T 528—1998进行测试;热氧老化性能按照GB/T 7141—1992、GB/T 71040—1992进行测试;PB段加氢度采用碘量法测定;1,2-结构含量采用核磁光谱法测定。
在SEBS中,苯乙烯含量是决定SEBS力学性能和加工性能的主要因素。在相同相对分子质量下,适当降低嵌段比m(S)/m(B)值时,SEBS的扯断强度下降,适当提高嵌段比m(S)/m(B)值时,SEBS的扯断强度随之增高,硬度和扯断永久变形都随之增高,嵌段比m(S)/m(B)对SEBS力学性能的影响见表1。
从表1可以看出,当SBS经过选择性加氢变成SEBS后,力学性能呈现规律的变化趋势,嵌段比m(S)/m(B)在一定范围内提高时,SEBS的强度提高,硬度、扯断永久变形上升,扯断伸长率下降。在实际生产过程中,应根据不同用途,适当调整嵌段比m(S)/m(B),通过调整嵌段比m(S)/m(B)可以生产满足不同应用领域需求的系列牌号产品。
表1 m(S)/m(B)对SEBS力学性能的影响1)
SEBS生产过程的核心就是对PB段聚合结构的精确调节和控制,基础胶SBS中,PB嵌段的1,2-结构含量不仅对SBS的氢化工艺有影响,而且对氢化后SEBS的力学性能有较大的影响。SEBS是以苯乙烯为塑料段,分散于PB橡胶段中的两相分离体系[6-9],基础胶SBS中PB段1,2-结构含量低,则氢化后SEBS聚合物中聚乙烯结构含量高,从而使氢化聚合物更多地表现出聚苯乙烯和聚乙烯的塑性,表现为300%定伸应力大,扯断永久变形大,硬度高;而当PB嵌段1,2-结构含量增高时,则氢化聚合物中聚丁烯-1结构含量逐渐增高,聚丁烯-1结构能有效抑制聚乙烯结晶的出现,使聚合物保持良好的弹性,并且具有较大的强度。表2是PB嵌段1,2-结构含量对SEBS力学性能的影响。
由表2可以看出,当SEBS中PB嵌段1,2-结构含量在一定范围内逐渐升高时,SEBS的定伸应力下降,扯断永久变形降低,硬度降低,当PB嵌段1,2-结构含量在35%~45%(质量分数)时,扯断强度较好。所以在SEBS实际生产过程中,PB嵌段1,2-结构含量最好控制在35%~45%(质量分数),此时SEBS的综合力学性能较好。
表2 PB嵌段1,2-结构含量对SEBS力学性能的影响1)
在合成SEBS基础胶时,要求控制一定的相对分子质量。相对分子质量过高,聚合物加工性能变差,胶液的黏度增大,使氢化工艺复杂,难以达到较好气液接触,氢化效果差;同时由于胶液黏度较大,在氢化过程中造成撤热困难,在反应过程中加氢釜内局部温度过高,严重影响催化剂的活性,加速了催化剂的失活;相对分子质量过低,则SBS的扯断强度低,氢化后聚合物力学性能差,不能满足实际应用过程中对SEBS力学性能的要求。表3是相对分子质量对SEBS力学性能的影响。
表3 相对分子质量对SEBS力学性能的影响1)
从表3可以看出:无论是线型还是星型SEBS,当相对分子质量增加时,300%定伸应力、扯断强度及邵尔A硬度都增加,扯断伸长率和扯断永久变形减小。这是因为当相对分子质量增大时,分子链长度增长,分子链之间的缠结增加,分子间相互位移较困难,外力作用时,分子链伸展困难,表现出较高的扯断强度和相对小的伸长率,降低相对分子质量可以有效改善加工性能,但过多地降低相对分子质量又会影响制品的机械强度[10],所以,在满足加工等要求的前提下应尽可能提高相对分子质量。
SEBS的加氢度与其力学性能密切相关,同时加氢度的高低直接决定着SEBS老化后的力学性能。实验中选取不同加氢度的样品经开炼、硫化、裁片后,将样片放入热氧老化箱中进行老化,每隔一段时间取样测试样片的力学性能,表4是加氢度对SEBS力学性能的影响。
表4 加氢度对SEBS力学性能的影响1)
从表4可以看出,SEBS的加氢度越高,老化前扯断强度越高,这是因为在基础胶氢化过程中,PB嵌段不同结构的加氢速率各不相同,1,2-结构加氢速率快,反1,4-结构难于加氢;加氢度较低的试样,聚丁烯-1结构相对会出现较多,因此扯断强度较低。随着老化时间的延长,加氢度较高的试样扯断强度下降缓慢,也就是加氢度越高,耐热氧老化性能越好。这主要是因为加氢度越高,SEBS中残留的不饱和双键就越少,不饱和双键在光、热的作用下容易被氧化,因此在实际生产中,应保证产品的加氢度不小于97%。
高分子材料普遍容易被氧化降解,一般塑料、橡胶、热塑性弹性体等均需要加入抗氧剂,以此来满足产品在高温加工和使用过程中耐热氧老化方面的要求。抗氧剂有主抗氧剂和辅助抗氧剂两大类,热塑性弹性体中常用的主抗氧剂有酚类、胺类等,辅助抗氧剂常用的是亚磷酸酯类[11]。表5是抗氧剂对SEBS力学性能的影响。
表5 抗氧剂对SEBS力学性能的影响1)
从表5可以看出,抗氧剂对SEBS力学性能有很大的影响,老化前,添加酚类抗氧剂1076,亚磷酸酯类抗氧剂168的试样,扯断强度较高,随着老化时间的延长,扯断强度下降较为缓慢,在老化350 h后仍未出现表面脆化,扯断强度的保持率依然高达66.3%,因此1076、168是SEBS较好的抗氧剂。
(1)嵌段比m(S)/m(B)在一定范围内提高时,SEBS的强度提高,硬度、扯断永久变形上升,扯断伸长率下降,应根据不同用途,确定适宜的嵌段比。
(2)当基础胶SBS中PB嵌段1,2-结构单元含量在35%~45%(质量分数)范围时,氢化后SEBS的综合力学性能较好。
(3)相对分子质量对SEBS力学性能影响很大,要综合考虑确定适宜的相对分子质量。
(4)SEBS的加氢度与其力学性能密切相关,同时加氢度的高低直接决定着SEBS老化后的力学性能,在工业生产中,应保证产品的加氢度不小于97%。
(5)抗氧剂对SEBS的力学性能有很大影响,添加酚类抗氧剂1076和亚磷酸酯类辅助抗氧剂168的试样,老化前后综合力学性能较好。