胶粉改性聚苯乙烯材料的制备与性能

王 浩,张 桥,邹头君,鄢国平,李 亮,喻湘华,郭庆中,杜飞鹏,黄林芸

(绿色化工过程省部共建教育部重点实验室, 武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引 言

聚苯乙烯(PS)作为五大通用塑料之一,具有透明性好、刚性大、吸湿性低、成型性好、电绝缘性优良、易染色、价格低廉等优点,主要应用于包装、电子、建筑、汽车、家电、日用品等行业[1].但PS较脆,耐环境应力开裂及耐溶剂性能较差,热变形温度相对较低(70～98 ℃),冲击强度也不高[2].对PS进行增韧改性一直是人们所关注的课题.

常用的增韧材料有丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)及乙烯-乙酸乙烯酯共聚物等,这方面的研究已见报道[3].然而,这些增韧材料都会使改性成本大大增加.采用胶粉对PS进行共混增韧改性,不仅提高了共混物的抗冲击性能,而且可以降低改性材料的成本.若胶粉改性聚苯乙烯能在适合的塑料制品中大量应用,可为我国废旧汽车轮胎和废旧橡胶制品的回收利用及环保作出贡献.本文以聚苯乙烯(PS)为基体材料,制备废旧胶粉(WRP)改性聚苯乙烯材料.并探讨了胶粉增韧剂SBS和偶联剂用量对胶粉改性聚苯乙烯材料的综合物理性能的影响.

1 实验部分

1.1 主要原料

PS:666D,北京燕山石化生产.废旧胶粉(WRP),粒径为0.2 mm,天门市天德环保材料科技有限公司生产.钛酸酯偶联剂:NDZ-201,南京曙光化工总厂生产生产.SBS,1401,巴陵石化生产.

1.2 主要设备仪器

双螺杆挤出机,SHJ-36,南京诚盟化工机械有限公司生产.注射机,JPH50,广东泓利器材有限公司生产.熔体流动速率仪,TD-6049,江都市腾达试验仪器厂生产.缺口制样机,XOS-v,承德市精密试验机有限公司生产.冲击实验机,XJU-22,承德试验机有限公司生产.万能制样机,HY-W,河北省承德试验机厂生产.电子式万能试验机,6P-TS2000s,中国深圳高品检查设备有限公司生产.

1.3 制备工艺

将聚苯乙烯、胶粉、SBS、助剂等按配方称量后经高速混合机混合10～15 min,出料,送入双螺杆挤出机,在180～200 ℃温度下进行熔融共混并挤出造粒.所得粒料在80 ℃烘箱中干燥2 h后,在210～220 ℃温度下注塑成型,再用万能制样机做成标准试样,最后进行各种性能的测试.

1.4 性能测试

将标准样条在常温下放置48 h后测试.其拉伸强度按GB1040-1992测试;冲击性能测试按GB1043-1996测定;弯曲性能测试按GB9341-2000测试;熔体流动速率按GB/T3682-2000测试.

2 结果与讨论

2.1 胶粉含量对改性聚苯乙烯物理性能的影响

胶粉用量对胶粉改性聚苯乙烯冲击强度和拉伸强度的影响分别见图1和2.

塑料增韧机理[4-5]主要有相分离的两相结构增韧机理或称空穴机理、桥联-裂纹钉锚增韧机理、裂纹钉锚机理和无相分离的原位增强增韧机理.其中热塑性塑料的增韧主要是相分离的两相结构增韧机理或称空穴机理(也称海岛结构增韧)[6].

从图1可知,随着胶粉含量的增加, 改性聚苯乙烯的冲击强度呈先降低后增加的趋势.其原因可能是改性聚苯乙烯中胶粉与聚苯乙烯的相容性不好.但是随着胶粉含量的增加,材料逐渐表现出韧性.这说明加入胶粉能在一定程度上改善聚苯乙烯的冲击性能.

图1 胶粉用量对改性聚苯乙烯冲击性能的影响

从图2可知,随着胶粉用量的增大,改性聚苯乙烯的拉伸强度逐渐减小.这是由于胶粉本身的拉伸强度较低,受胶粉改性聚苯乙烯界面性能的影响,改性聚苯乙烯的拉伸强度随胶粉用量的增大而呈下降趋势.

2.2 偶联剂用量对胶粉改性聚苯乙烯性能的影响

偶联剂用量对WRP改性PS机械性能的影响分别见图3、4.

由图3、4可知,随着偶联剂含量的增加,改性聚苯乙烯的拉伸性能是先上升后下降的趋势,而其冲击性能是先下降后增加再降低的.这可能是由于通过偶联剂对胶粉进行表面处理,有利于提高胶粉与PS的界面性能，从而增强了改性聚苯乙烯的机械性能.但是过量增加偶联剂含量,改性聚苯乙烯的冲击性能与拉伸性能降低.当偶联剂含量为2份时,改性聚苯乙烯的机械性能最佳.

图3 偶联剂用量对改性聚苯乙烯拉伸性能的影响

图4 偶联剂用量对改性聚苯乙烯冲击性能的影响

橡胶增韧塑料的主要影响因素为橡胶粒子的尺寸、橡胶粒子的间距、橡胶相和塑料相结构及两相的结合力等[7].其中,分散相粒子同基材之间良好的界面粘结是达到优异增韧效果的必要条件之一.因为在这类两相体系中会形成中间相,改变了分子运动的特征,有利于应力的传递及能量耗散.

实验所用的胶粉主要是废旧轮胎胶粉.其橡胶成分为非结晶聚合物SBR和NR.而PS具有结晶能力,在聚集态上的这种差异表明它们之间不会完全相容,但它们都是非极性聚合物,三者的溶解度参数相近(NR为8.15,SBR为8.10,PS为8.58[8]),根据相容性原理,胶粉与PS仍然具有一定的相容性.因此,偶联剂对胶粉进行表面处理,有利于提高胶粉与PS的界面性能.

2.3 增韧剂含量对改性聚苯乙烯性能的影响

增韧剂SBS用量对改性聚苯乙烯性能的影响如图5、6和7.

图5 SBS用量对改性聚苯乙烯的断裂伸长率影响

图6 SBS用量对改性聚苯乙烯的拉伸强度影响

图7 SBS用量对改性聚苯乙烯冲击强度的影响

由图5～7可知,随着SBS用量的增加,改性聚苯乙烯的断裂伸长率增加.因此增韧剂SBS有较好的增韧效果.而改性聚苯乙烯的拉伸强度逐渐下降,冲击强度是先下降后增加.这是SBS增韧的特点,韧性增加的同时伴随着强度和加工性能的下降.因此,要寻找一个平衡点使各项性能均达到所要求的水平.综合分析认为,添加15份的SBS是最为合理的,改性聚苯乙烯具有优异的综合性能.

SBS增韧机理[9]为SBS为嵌段共聚物,其中B为丁二烯橡胶链段,且在大分子的两端,它们同PS基材形成一相.丁二烯橡胶链段B部分同S段则以化学键连结,因此SBS中的B段与基材有较好的界面粘结,它又被牢固地锚在基材中.当样品受到外力拉伸时,B链段同PS链段有引发和终止银纹的作用,同时,B段本身能产生弹性形变,使得外界作用能在体系中获得很好的传递和分散,并且部分的弹性形变也会吸收一定的能量.

实验中,含SBS的试样拉伸断裂前呈现应力发白现象,这表明试样在拉伸过程中有大量的银纹生成.试样断面凸凹不平,表明在拉伸断裂过程中有显著的塑性流动;而纯PS试样则无应力发白现象,样条拉断后,断裂表面光滑平整,无凸凹不平现象,呈现脆性断裂.说明加入SBS使得PS韧性增加.

3 结 语

胶粉对聚苯乙烯有一定的增韧作用,由于它们之间的界面相容性不好,其增韧效果不佳.偶联剂和增韧剂SBS的添加对胶粉改性聚苯乙烯的增韧效果有较大的提升.当胶粉含量为20份,偶联剂含量为2份,SBS含量为15份时,胶粉改性聚苯乙烯共混物的综合物理性能最好.

参考文献：

[1] 张金龙,马斐,陈昌青,等.橡胶改性对PS力学性能的影响及其机理研究进展[J].广州化工,2010,38(6):16-19.

[2] 姚海军,杨永青,常新林,等.聚苯乙烯改性方法及其应用研究进展[J].化学工程与装备,2009(7):142-145.

[3] 张保卫,孙锡龙.胶粉/聚苯乙烯共混物的性能研究[J].橡胶工业,2003,50(9):529-531.

[4] 陈少华,熊必金,曹亚.苯乙烯类热塑性弹性体增韧尼龙6的研究[J].塑料工业,2009,37(4):22-24.

[5] Ratna D, Samui A B, Chakraborty B C. Flexibility improvement of epoxy resin by chemical modification[J]. Polymer Intemational,2004,53:1882-1887.

[6] Zhang Dao Hong, Jia De Min. Toughnessand strength improvement of diglycidylether of bispheuol-A by low viscosity liquid hyperbranched epoxy resin[J]. Journal of Applied Polymer Science,2006,101:2504-2511.

[7] 董智贤,周彦豪,贾德民.改性胶粉在废旧苯乙烯类混杂塑料中的应用研究[J].塑料,2005,34(1):52-55.

[8] 吴培熙,张留成.聚合物共混改性[M].北京:中国轻工业出版社,1996.

[9] 杨军,刘景江,刘万军.高抗冲聚苯乙烯的增韧机理[J].高分子材料科学与工程,1995,5(3):124.