PPO改性PVC泡沫材料的制備與性能*

何　棟，唐　婷

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089)

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PPO改性PVC泡沫材料的制備與性能*

何棟，唐婷

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089)

摘要：將聚苯醚(PPO)與聚氯乙烯(PVC)共混，通過模壓發(fā)泡方法制備了PVC/PPO泡沫材料。通過SEM觀察了泡沫塑料的微觀結(jié)構(gòu)，利用DSC對復(fù)合材料的熱性能進(jìn)行了分析，并研究了材料的尺寸穩(wěn)定性和吸水性。結(jié)果表明：泡沫塑料的泡孔細(xì)小、均勻、致密，泡孔的孔徑為150μm～200μm；PPO的加入，明顯改善了復(fù)合材料的耐熱性能，減小了吸水率。

關(guān)鍵詞：聚氯乙烯，聚苯醚，泡沫材料，耐熱性能

泡沫塑料是以樹脂為基礎(chǔ)制成的內(nèi)部含有無數(shù)微小泡孔的塑料制品，又稱為微孔塑料或多孔塑料，也可以看成是一種以氣體為填料的復(fù)合材料，由氣體相、固體相和氣固兩相間的織態(tài)結(jié)構(gòu)組成。泡沫塑料具有輕質(zhì)、隔熱、隔音、絕緣等特點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，國外已經(jīng)把高性能泡沫塑料作為承載的結(jié)構(gòu)材料在航空、航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域使用，如衛(wèi)星太陽能電池的骨架、火箭前端的整流罩等。隨著塑料原料工業(yè)的迅速發(fā)展及泡沫塑料制造工藝和設(shè)備的不斷改進(jìn)，泡沫塑料制品的性能要求不斷提高，除要求泡沫塑料輕質(zhì)外，還要求其具有較高的強(qiáng)度、剛度和耐熱性。傳統(tǒng)的泡沫塑料已不能滿足這些特殊要求。因此，高性能化已成為泡沫塑料研究的新方向和熱點[2-3]。

聚氯乙烯(PVC)泡沫材料是世界上三大泡沫材料之一，具有良好的物理性能、阻燃性能、耐化學(xué)性能和絕緣性能，且能隔音、防震，原料來源豐富、價格低廉等[4]。雖然早在上世紀(jì)中葉人們就已經(jīng)能夠制備各種 PVC 泡沫塑料，但是由于 PVC 泡沫塑料的強(qiáng)度、剛度以及耐熱性總體上并不是很高，因此，研究者們采用了各種改性的途徑，如用改性高聚物、添加各種增強(qiáng)和功能填料、改變泡體的結(jié)構(gòu)等，以便不斷擴(kuò)大 PVC 泡沫塑料的用途[5-9]。目前，制備高性能的PVC泡沫塑料成為當(dāng)今泡沫塑料研究領(lǐng)域的一大熱點。聚苯醚(PPO)是一類耐高溫的熱塑性樹脂，具有良好的力學(xué)性能、電性能、耐熱性、阻燃性以及化學(xué)穩(wěn)定性等，該實驗通過共混的方式將有機(jī)填料PPO引入到PVC泡沫塑料之中，使泡沫的力學(xué)性能和熱性能都有一定的提高。

1　實驗部分

1.1實驗材料

粉末聚氯乙烯：SG-5，平均聚合度1000，西安化工廠生產(chǎn)；偶氮二異丁腈(AIBN)：化學(xué)純，上海山浦化工有限公司；發(fā)泡劑：分析純，天津市津北精細(xì)化工有限公司；硬脂酸鋅、硬脂酸鈣：化學(xué)純，天津市百世化工公司化學(xué)試劑廠；活性碳酸鈣：工業(yè)級，浙江金豐納米材料有限公司；碳酸氫鈉：化學(xué)純，西安化工廠；聚苯醚(PPO)：工業(yè)級，西安化工廠。

1.2實驗主要儀器和設(shè)備

攪拌設(shè)備：QM-3SP4J行星式球磨機(jī)，南京大學(xué)儀器廠；FA25型高剪切分散乳化機(jī)，上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司；試件壓制：SL-45型45噸壓力成型機(jī)，上海第一橡膠機(jī)械廠；DSC分析：2910型調(diào)制式熱分析儀，美國TA儀器公司；SEM分析：JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡，日本JEOL公司；尺寸穩(wěn)定性測試：101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；耐水性測試：自制。

1.3實驗步驟

1.3.1試樣制備

硬制聚氯乙烯泡沫塑料的制備采用模壓成型。先按一定比例稱取PVC樹脂、發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑等固體組分，將其置于球磨罐中，球磨一定時間使其充分混合均勻，再加入液體組分，配以一定量的溶劑，經(jīng)高速剪切攪拌分散后，把得到的糊狀混合物充入閉合模具中，將模具置于液壓機(jī)上，加熱加壓使物料塑化成型，冷卻后開模取出，得到泡沫塑料制品。進(jìn)行后處理后，按照測試標(biāo)準(zhǔn)對泡沫塑料制品進(jìn)行剪裁，對測試件進(jìn)行性能測試(流程如圖1)。

圖1　實驗流程圖

1.3.2試樣的熱處理

將成型的泡沫通過不同加熱和冷卻的過程來進(jìn)行熱處理。將泡沫材料去除表皮后，置于60℃的烘箱中，保溫20min，逐步升溫至120℃，并保溫5min，冷卻至60℃結(jié)束。

1.4實驗的測試與表征

(1)線收縮率測定

實驗用試樣為(120±1)mm×(15±1)mm×(10±1)mm直角形條狀試樣，測量誤差為0.1mm，每塊板上切取試樣的數(shù)量不少于3個。將試樣放在已加熱至100℃的烘箱的托架上，經(jīng)24h后取出試樣，冷卻至室溫后測量，不應(yīng)因熱處理而使試樣上出現(xiàn)鼓泡和撓曲，線收縮率X(%)按公式(1)計算：

(1)

式中：l0—試樣的原始長度(cm)；l1—實驗后試樣的長度(cm)。

(2)密度測定

根據(jù)GB/T 6343-1995來測量PVC泡沫的密度。

將試樣裁剪成(50±0.5)mm×(50±0.5)mm×(50±0.5)mm 直角正方形試樣，然后進(jìn)行稱重，由公式(2)計算表觀(體積)密度ρ。

(2)

(3)耐水性測定

實驗用試樣為(50±0.5)mm×(50±0.5)mm×(50±0.5)mm直角正方形試樣，將試樣置于常溫水中浸泡48h，計算公式為(尺寸變化為△)：

(3)

式中：l0—試樣各邊的原始長度(cm)；l1—浸水后試樣的長度(cm)。

實驗中尺寸變化為試樣各邊尺寸變化的平均值。

(4)SEM觀察

將復(fù)合材料樣條置于-55℃液氮環(huán)境下脆斷，斷面噴金后，采用JSM-6360LV 型掃描電子顯微鏡觀察其表面形貌。

(5)TG測試

N2氣氛，升溫速率為10℃/min，測試溫度為室溫至700℃。

(6)DSC分析

通過差示掃描量熱法(DSC)來測試共聚物玻璃化溫度，分析配方中各組份對玻璃化溫度的影響及其相容性。

2　結(jié)果與討論

2.1PPO對復(fù)合材料的影響

2.1.1PVC泡沫的微觀結(jié)構(gòu)

圖2為PVC泡沫的微觀結(jié)構(gòu)SEM照片。本實驗制備出了表觀形態(tài)良好的PVC泡沫塑料。從圖2(a)可以觀察到，所制得的PVC泡沫塑料的泡孔之間均有完整的泡壁相隔，使其閉孔結(jié)構(gòu)明顯，孔徑均勻，大小在150μm至300μm之間，泡孔不存在破裂和相通的情況。從圖2(b)觀察發(fā)現(xiàn)，泡孔結(jié)構(gòu)完好，泡孔壁厚均勻且壁內(nèi)表面基本平整。

圖2　PVC泡沫塑料SEM照片

2.1.2PPO對復(fù)合材料線收縮率的影響

圖3為100℃時，PPO的含量與泡沫材料的線收縮率的關(guān)系圖。由圖可知，隨著PPO含量的增加，PVC泡沫的在100℃的線收縮率不斷降低。出現(xiàn)這種情況的原因是，PPO的熔點為268℃具有很好的耐熱性，并且PPO是剛性結(jié)構(gòu)，主鏈上含有大量的苯環(huán)，這就使其熔融粘度很大，使PVC泡沫的流動性變差，同時PPO的加入還起到了阻止PVC變形的效果，所以PPO含量的增加會使PVC泡沫的線收縮率減小。

圖3　PPO的含量與PVC泡沫的線收縮率的關(guān)系曲線

2.1.3PPO對復(fù)合材料密度的影響

圖4為不同含量PPO的復(fù)合材料密度圖。由圖可知，PPO的加入可以明顯提高PVC泡沫塑料的密度，隨著PPO含量的提高，復(fù)合材料的密度也不斷提高。這主要是由于PPO分子主鏈中含有大量的酚基芳香環(huán)，并且兩個甲基封閉了酚基上兩個臨位的活性點，造成分子鏈本身具有較高的剛性和分子間有高的凝聚力，從而使其熔點較高，加工時粘度大，會阻礙PVC樹脂的流動與變形，降低發(fā)泡倍率，使得泡沫密度變大。但是，當(dāng)PPO含量過大時，生成的泡沫的密度會很大甚至不能發(fā)泡。

圖4　PPO的含量與PVC泡沫塑料密度的關(guān)系曲線

2.2后處理對復(fù)合材料的影響

2.2.1后處理對泡沫塑料線收縮率的影響

圖5為對PVC泡沫進(jìn)行了后處理后，不同含量PPO的材料線收縮率的比較圖。從圖5可以看出，隨著PPO含量的增加，PVC泡沫的線收縮率有一定的縮小，但相對后處理來看，PPO含量對PVC泡沫的性能的影響要比后處理的影響小得多。經(jīng)過相應(yīng)的后處理，含有不同比例PPO的PVC泡沫的熱性能都提高了4至5倍。 這主要是由于經(jīng)過熱處理的泡沫體系內(nèi)含有一定的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以阻止PVC分子鏈的滑移和變形，使之收縮率減小，并且通過熱處理的泡沫閉孔率上升，內(nèi)部泡體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增大，從而有利于提高泡沫的尺寸穩(wěn)定性。

圖5　后處理對PVC泡沫塑料線收縮率的影響

2.2.2后處理對泡沫耐水性的影響

不同的后處理溫度與PVC泡沫塑料吸水性能的關(guān)系如圖6所示。隨著后處理溫度的上升，泡沫的吸水量在不斷減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)泡沫進(jìn)行熱處理時，隨著處理溫度的不斷上升，泡沫的閉孔率將不斷增加而開孔率將不斷減少，部分開孔的泡孔隨溫度升高而變軟，消除了泡沫中的應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力，同時，孔壁變得更均勻，從而由開孔的泡孔轉(zhuǎn)化為閉孔的泡孔，所以耐水性增強(qiáng)。當(dāng)閉孔率上升到一定比例時，耐水性就不能再隨溫度增加而增加了。此外，經(jīng)過熱處理之后，泡沫中的小分子受熱揮發(fā)，所以大大降低的體系中的小分子物質(zhì)的含量，從而有利于提高PVC泡沫耐水性。

圖6　后處理溫度與PVC泡沫塑料吸水量的關(guān)系曲線

2.3PVC泡沫材料的熱性能分析

圖7是PVC泡沫的DSC曲線。由圖7可知，曲線在93.0℃左右出現(xiàn)了一個小的吸收峰，表明 PVC泡沫玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為93.0℃，相對于純PVC(87℃)提高了6.89%。在181.7℃時，曲線出現(xiàn)了一個較為明顯的吸收峰，對應(yīng)溫度為PVC泡沫的分解溫度，相對于純PVC(140℃)提高了40℃，說明經(jīng)過后處理的泡沫具有良好的耐熱性，使PVC泡沫的分解溫度提高。在284.7℃又出現(xiàn)了一個小的吸收峰，表明PPO開始分解。PPO的主鏈中含有大量的苯環(huán)，且氧原子與苯環(huán)處于p-π共軛狀態(tài)，分子鏈本身具有較高的剛性和分子間有高的凝聚力，因此聚苯醚有良好的熱穩(wěn)定性，它的加入，能夠明顯改善PVC泡沫的熱穩(wěn)定性。

圖7　PVC泡沫的DSC曲線

3　結(jié)論

(1)將PPO引入到PVC樹脂中，模壓制備的泡沫塑料，泡孔細(xì)小、均勻、致密，泡孔的孔徑為150μm～200μm。

(2)PPO的加入使PVC泡沫塑料的熱性能得到明顯改善，分解溫度相對于純PVC提高了40℃。

(3)經(jīng)過后處理后，PVC泡沫塑料的吸水量明顯下降，后處理溫度為120℃時，相對于70℃提高了大約80%。

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*基金項目：西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程技術(shù)院級重點專業(yè)建設(shè)項目(2014JZ07)

中圖分類號：TQ 325.3

Study on Preparing PVC Foam Modified by PPO

HE Dong，TANG Ting

(Xi’an Aeronautical Polytechnic University Institute，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Abstract：Poly(vinyl chloride)was blended by polyphenylene oxide(PPO)，then PPO/PVC foam plastics was prepared by moulding and foaming. The microstructure of foam was observed by SEM，the heat-resistant property was studied by DSC，and the thermal dimensional stability and water absorption of PVC foam were researched. The results showed that the bubble holes of foam were small，even，density，and the bubble holes have a diameter ranging 150μm～200μm. By adding PPO，the heat-resistant property of PVC foam plastics was improved and their water absorption rate was reduced.

Key words：poly(vinyl chloride)，polyphenylene oxide，foam，heat resistance