配方因素對(duì)聚苯乙烯木塑發(fā)泡復(fù)合材料性能的影響

李志杰，王　淼，張英強(qiáng)

(1.上海英科實(shí)業(yè)有限公司，上海 201417；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201418)

0　前言

木塑復(fù)合材料具有密度低、質(zhì)量輕、力學(xué)強(qiáng)度高、加工成型性好、可重復(fù)利用、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，素有“合成木材”之美稱[1]。發(fā)泡木塑復(fù)合材料除具備木塑復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)外，也能因材料內(nèi)部存在良好的泡孔結(jié)構(gòu)可以鈍化裂紋尖端，阻止裂紋的擴(kuò)展，從而可有效地克服聚苯乙烯材料脆性大、抗沖擊應(yīng)力低的缺點(diǎn)，并且有效地降低了復(fù)合材料的密度，不僅節(jié)省原料，而且可以提高隔音、隔熱性能。利用廢舊聚苯乙烯(PS)樹脂作為基體，通過(guò)自由發(fā)泡工藝[2-3]，制備的發(fā)泡木塑復(fù)合材料具有較佳的發(fā)泡性能，成型加工容易，并可回收再利用，符合環(huán)保趨勢(shì)，且具價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在世界建材市場(chǎng)發(fā)展迅速，可廣泛應(yīng)用在建筑、室內(nèi)外裝飾及汽車領(lǐng)域[4-9]。

但是發(fā)泡木塑復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)控制和形成非常復(fù)雜，涉及諸多因素，如成型溫度、壓力、木/塑界面相容性以及聚合物的流變性等。國(guó)內(nèi)外對(duì)聚苯乙烯基發(fā)泡木塑復(fù)合材料的研究很少見，多數(shù)研究還處于初始階段。本文通過(guò)自由發(fā)泡復(fù)合工藝制備了聚苯乙烯復(fù)合材料，并著重考察了配方因素對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能、密度、耐老化性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)原料

聚苯乙烯樹脂、滑石粉(成核劑)、馬來(lái)酸酐接枝的聚苯乙烯(MAPS)、高抗沖聚苯乙烯(HIPS)、白油、偶氮二甲酰胺(AC)、木粉、抗氧劑AO-80(3,9-雙[1,1-二甲基-2-[(3-叔丁基-4-羥基-5-甲基苯基)丙酰氧基]乙基]-2,4,8,10-四氧雜螺[5.5]十一烷)等，由上海英科實(shí)業(yè)有限公司提供。

1.2　儀器和設(shè)備

Brabender單螺桿擠出機(jī)：PLE-3，螺桿直徑為25 mm，長(zhǎng)徑比為32，德國(guó)Brabender公司；

拉力試驗(yàn)機(jī)：WDW-20KN，上海華龍測(cè)試儀器有限公司；

電子式懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)：XC-22ZD，承德市精密試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.3　實(shí)驗(yàn)配方(見表1)

表1　實(shí)驗(yàn)配方

續(xù)表1

1.4　聚苯乙烯基發(fā)泡復(fù)合材料制備

將木粉放在電熱恒溫干燥箱中，在105 ℃下干燥至木粉含水率在1%以下,然后與聚苯乙烯、發(fā)泡劑以及其他助劑按比例進(jìn)行復(fù)配，經(jīng)過(guò)高速混合機(jī)混合10 min之后，經(jīng)由擠出機(jī)熔融混合擠出樣條。聚苯乙烯基發(fā)泡復(fù)合材料擠出工藝參數(shù)見表2。

表2　聚苯乙烯基發(fā)泡復(fù)合材料擠出工藝參數(shù)

1.5　性能測(cè)試

拉伸性能測(cè)試：擠出樣品裁成啞鈴形試樣, 按照GB/T 1040—2006進(jìn)行測(cè)試, 拉伸速率為5 mm/min；

無(wú)缺口簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度：按照GB/T 1043.1—2008進(jìn)行測(cè)試；

密度：按照HG/T 2728—1995進(jìn)行測(cè)定；

熱老化性能測(cè)試：利用401A型熱老化試驗(yàn)箱進(jìn)行樣條的熱老化性能測(cè)試，打開烘箱，調(diào)整溫度為70 ℃，打開旋轉(zhuǎn)開關(guān)，選取3組較為優(yōu)異實(shí)驗(yàn)樣條，每組選擇10～15根，分別放置24 h、48 h、72 h，待取出后分別測(cè)量拉伸性能和沖擊性能，與老化前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

2　結(jié)果與討論

2.1　發(fā)泡劑(偶氮二甲酰胺)對(duì)復(fù)合材料性能的影響

表3考察了發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響。由表3可知，隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均降低。這主要是由于隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料內(nèi)部孔徑逐漸增大，泡孔逐漸增多，容易出現(xiàn)泡孔合并、泡孔分布不均勻等現(xiàn)象，這些導(dǎo)致了材料拉伸強(qiáng)度的下降和斷裂伸長(zhǎng)率的降低。同時(shí)注意到，隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料的沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)上升。這可能是隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料的孔隙率逐漸增大，材料之間的泡孔逐漸增多，使得試樣在受到?jīng)_擊時(shí)，體內(nèi)較多的泡孔可以使得受力分散，起到緩沖的作用，從而增加材料的沖擊強(qiáng)度，微孔和微孔周圍的基體樹脂發(fā)生變形吸收能量也會(huì)導(dǎo)致耐沖擊性能改善[7]。隨著發(fā)泡劑的逐漸增多，樣條密度逐漸降低。由于隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料的內(nèi)部泡孔直徑增大，孔隙率增大，所以密度減小。較佳的發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.54%。

表3　發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響

2.2　木粉對(duì)復(fù)合材料性能的影響

通過(guò)改變木粉的加入量，考察對(duì)所制復(fù)合材料的性能的影響，結(jié)果列于表4。由表4可知，隨著木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，更多的聚苯乙烯和木粉進(jìn)行了有效結(jié)合，試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有所提高。同時(shí)注意到試樣的沖擊強(qiáng)度先有所增加、而后下降。隨著木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，樣品的密度逐漸降低，原因可能是木粉的密度通常為0.4～0.6 g/cm3，隨著木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增多，聚苯乙烯基復(fù)合材料的密度顯然會(huì)逐漸下降。較佳的木粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。

表4　木粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響

2.3　MAPS對(duì)復(fù)合材料性能的影響

表5考察了界面改性劑(MAPS)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響。通過(guò)表5可以看出，隨著MAPS的增加，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度隨之增大。可能是由于MAPS作為偶聯(lián)劑能很好改善木粉和聚苯乙烯塑料的界面相容性，一方面提高了木粉/聚苯乙烯界面強(qiáng)度，從而有效改善材料的力學(xué)性能；一方面使復(fù)合材料中生成的泡孔尺寸較小且更加均勻，也提供了更好的力學(xué)性能，因此材料的總體力學(xué)性能均隨之提高。較佳的MAPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。

表5　MAPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響

2.4　成核劑對(duì)復(fù)合材料性能的影響

成核劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響結(jié)果列于表6。通過(guò)表6可見，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度均隨著成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。這可能是由于成核劑增加了成核點(diǎn)，使得木粉-聚苯乙烯體系中產(chǎn)生了更多的泡孔, 隨著泡孔的逐漸增多，容易出現(xiàn)泡孔合并、泡孔分布不均勻等現(xiàn)象，從而降低了其力學(xué)性能，因而拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度也隨之降低。較佳的成核劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%。

2.5　HIPS對(duì)復(fù)合材料性能的影響

加入HIPS后復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)列于表7。從表7中可明顯看出，隨著HIPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，該材料拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。由于HIPS的拉伸強(qiáng)度比聚苯乙烯的拉伸強(qiáng)度低，所以隨著HIPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，相應(yīng)的材料的拉伸強(qiáng)度也會(huì)不斷的減小。而斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度明顯上升，特別是當(dāng)HIPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，沖擊強(qiáng)度上升也最為明顯。通過(guò)表7可以得出，隨著HIPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試樣的密度逐漸降低。較佳的HIPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

表6　成核劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響

表7　HIPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響

2.6　AO-80對(duì)復(fù)合材料性能的影響

表8考察了抗氧劑AO-80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料老化性能的影響。通過(guò)表8可以看出，隨著抗氧劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增多，試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率減少量都不斷降低。

當(dāng)老化溫度為70℃、老化時(shí)間為24 h時(shí)，材料的拉伸性能都未受到影響；當(dāng)老化時(shí)間為48 h時(shí)，未加入抗氧劑的試樣的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的下降，而加入抗氧劑的試樣基本沒(méi)有變化；當(dāng)老化時(shí)間為72 h時(shí)，未加入抗氧劑的試樣的拉伸強(qiáng)度已出現(xiàn)了明顯程度的下降，但是加入抗氧劑的試樣下降程度依舊不明顯?？梢?，具有半受阻酚結(jié)構(gòu)的AO-80抗氧劑的加入可有效改善材料的抗熱老化能力，另外，由于AO-80的相對(duì)分子質(zhì)量較高，可有效防止遷移損失，提高了復(fù)合材料的抗氧化持久效果。較佳的AO-80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38%。

表8　AO-80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

3　結(jié)論

(1) 采用混煉擠出和注射成型的方法制備了一系列聚苯乙烯復(fù)合材料。木粉、界面改性劑會(huì)提升復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，而發(fā)泡劑、成核劑、增韌樹脂等的添加會(huì)降低復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。

(2) 通過(guò)配方優(yōu)化，得到較佳的實(shí)驗(yàn)工藝條件：發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.54%，木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，MAPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，成核劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，HIPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，AO-80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38%。通過(guò)優(yōu)化制備的聚苯乙烯發(fā)泡復(fù)合材料力學(xué)性能好, 密度較低, 耐老化性能好。