茂金属聚苯弹性体增韧改性聚苯乙烯的研究

茂金属聚苯弹性体增韧改性聚苯乙烯的研究唐卫华!唐键金日光（北京化工大学材料科学与工程学院，北京!#$）本文主要研究了聚苯弹性体（PSE）通过与聚苯乙烯（PS）共混对PS力学性能的影响。结果表明，PSE树脂与PS可以相容，且这种相容性随树脂中苯乙烯质量分数的提高而增大。PSE与PS共混可以获得力学性能优异的韧性材料。当PSE在共混合金中的质量分数较低时，PSE树脂以小于微米的尺寸呈微区分散于PS中。PSE添加量达到40%时，PSE与PS形成了两相连续分布的共混合金，这种合金既具有强度又具有韧性。PSE的增韧效果随其苯乙烯质量分数的提高而增大，在苯乙烯质量分数为72%达到最大值。关键词：聚苯弹性体（PSE）增韧改性拉伸韧性共混聚苯弹性体（PSE）树脂通过改变其中的苯乙烯质量分数可以成为柔软的橡胶类材料，是PS有效的相容剂［!］。PSE是一类新型的茂金属聚合物，由于其内在的烯烃和苯乙烯的官能团，PSE具有与聚烯烃（如PP，PE）、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚苯醚及聚碳酸酯等多种聚合物的良好相容性［#］。本文从PSE的添加量、苯乙烯质量分数对PS增韧的影响，深入研究了PSE结构与共混合金性能的关系，并对传统PS增韧剂SBS与PSE的改性效果进行了比较，旨在为PS塑料提供更有效的增韧改性方法。1实验部分1.1主要实验原料聚苯乙烯PS：666D型，北京燕山石油化工公司产品，分子量为200000，熔体指数（MI为10g/10min，MI在190oC及2160g载荷下测定），以下同；SBS：Vector6241—D，DexcoPolymers公司产品，苯乙烯质量分数为43%，熔体指数为52.0g/10min；聚苯弹性体PSE：进口分装，Mw200000，Mw/Mn3.5,苯乙烯质量分数23%-77%1.2试样制备共混物采用熔融共混工艺通过双螺杆挤出机（SLF-35B）进行加工而制得，加工温度自加料口到机头为140oC,170oC,190oC,200oC,200oC,200oC,175oC，螺杆转速80r/min，挤出物首先通过水浴冷却，然后用切粒机造粒，之后于70oC干燥2h。干燥后的物料用自制的多功能小型混合器按ASTM-D256标准注射冲击样条，ASTM-D638标准制备拉伸样条。成型的样条保存于恒温23±1oC的干燥箱中。1.3性能测试冲击性能：共混物的简支梁缺口（Izod）冲击强度及悬臂梁缺口（Charpy）冲击强度按ASTM-D638,标准在XJ-40A冲击试验机上测量。拉伸性能：按ASTM-D638标准测试共混物的拉伸性能，拉伸速度为50mm/min，拉伸韧性由拉伸应力-应变曲线的面积决定，取五次拉伸测试平均值进行分析。微观相态分析：共混物的相态由HitachiH800透射电镜（TEM）观察，超薄切片在低温（-50oC）条件下由切片机从冲击样条上切取。2结果与讨论2.1弹性体用量对增韧PS的影响研究了苯乙烯质量分数72%的PSE-6对PS的增韧作用。静态拉伸试验下PS/PSE共混物的力学性能与弹性体质量分数的关系如图1所示，PSE-6的添加量由10份增加到30份，合金的韧性几乎与基体PS相同，弹性体的增韧作用并不明显；PSE只有添加40份时才能可观地改善PS的韧性。同时合金的模量先随弹性体的加入而减小，此后随弹性体质量分数的提高而增大，达到一定峰值后再随弹性体的加入而降低。弹性体质量分数为40%的共混合金具有较好综合力学性能。观察拉伸过的样条断面我们发现，添加量小于40%的试样呈脆性断裂，断裂面较平滑，而添加量为40%PSE的共混物呈韧性断裂，其断裂表面非常粗糙，并带有明显的拔出物痕迹，同时在应力作用的全部区域里形成了大量银纹，其他试样的断面仅能形成少量的银纹。通过透射电镜观察PS/PSE-6=80/20和PS/PSE-6=60/40样品的拉伸断裂表面（见图2），我们可以看出配比为80/20Y样品的断面呈现为分散相的空洞化，在宏观力学性能上表现为拉伸性能不高。共混合金内部，PSE以不规则的微小颗料分散在PS基体中，分散相的粒径从0.1-1.0um，相界面清晰，表现为脆性断裂。其原因是分散相粒径过小，在受到拉伸时不能引发足够的银纹去吸收外部能量，因而表现为宏观力学性能较差。而60/40配比的共混合金内部为两相连续的微观结构，不规则的弹性体（浅色）颗粒与PS基体（深色）形成了一种互穿网络结构，且这种结构中还包含许多微细的拉伸区域。这种结构对于提高增韧材料的韧性非常有益。原因是在受到拉伸时分散相颗粒可以引发足够的银纹去吸收外部能量，本身因剪切屈服而被拉伸，大大减小了外部作用对基体树脂的影响，共混合金因而表现出较高的宏观力学性能。图3表示了PSE-6用量对共混物冲击性能的影响。从图3中可以看出，弹性体对塑料的增韧存在着一个临界含量，只有超过这个临界含量，弹性体才能表现出明显的增韧作用对于PSE来说，其临界质量分数为30%左右，在此质量分数之前，随弹性体用量的增加，共混合合金的缺口Izod及Charpy冲击强度缓慢增加，但当添加量达到40%以上时，共混合金的冲击强度急剧增大，其中缺口Lozd冲击强度增大为纯PS的4倍多，而缺口Charpy冲击强度更是增大为纯PS的17倍多。图3与图1的结论表明，40%添加量的PSE-6即可获得对PS很好的增韧效果，同时合金的刚性及强度也损失较小，表现出非常优异的综合力学性能。2.2不同PSE对增韧PS的影响固定PSE的配比为40/60，研究了不同苯乙烯质量分数的聚苯弹性体PSE增韧PS的效果（见图4）。从图4可以看出，随苯乙烯质量分数的增加，聚苯弹性体与PS共混合金的韧性逐渐增大，在苯乙烯质量分数为72%时达到最大值。共混合金的模量变化趋势呈“U”型，苯乙烯质量分数为50%左右时，共混体系的模量最小。苯乙烯质量分数大于72%后，共混合金（如PSE_7/PS）的韧性随PSE苯乙烯质量分数的增加而迅速减小，模量却急剧增加。2.3两类弹性体对PS的增韧效果比较表1PSE与SBS增韧聚苯乙烯的结果比较从表1数据可看到，对于苯乙烯质量分数与SBS相近的PSE-3，其增韧PS的效果明显比SBS差，这主要是由于PSE-3与PS的相容性较差所导致的。