栗娟 程猛 朱濤 楊大立 陳杰

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京,210023)

聚甲基倍半硅氧烷(PMSQ)為新型的有機(jī)/無機(jī)雜化材料,無機(jī)的部分賦予其高耐熱性和阻燃性,有機(jī)部分使其與聚合物有良好的相容性。由于分子結(jié)構(gòu)中的Si—O鍵長、鍵角大,因此PMSQ黏流活化能很低,分子的流動性很好。作為分散劑,PMSQ在含蠟的原油里可以有效改善原油的流動性[1]。作為梯形聚合物,PMSQ耐熱性能優(yōu)良,700 ℃的熱失重率為4%。PMSQ主要用于防護(hù)涂料、電絕緣涂料、耐高溫涂料等[2-4]。

高抗沖聚苯乙烯(HIPS)具有優(yōu)良的力學(xué)性能和加工性能,但HIPS極易燃燒,為了達(dá)到阻燃要求,需要對HIPS阻燃改性。含鹵阻燃劑對HIPS阻燃效果最好,但燃燒時(shí)易產(chǎn)生有毒氣體,限制了含鹵阻燃劑的應(yīng)用。HIPS常用的無鹵阻燃劑有氫氧化鎂和氫氧化鋁,在燃燒的過程中不會釋放有毒氣體,但需要大量填充,會影響HIPS的加工性能及力學(xué)性能[5]。研究新的無鹵環(huán)保阻燃HIPS就顯得特別重要[6-8]。

下面采用雙螺桿擠出機(jī)熔融共混的方法制備HIPS/PMSQ復(fù)合材料,考察了PMSQ用量對復(fù)合材料的熔體流動性能、力學(xué)性能及阻燃性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

HIPS,PH-88,鎮(zhèn)江奇美塑膠廠;PMSQ,JJ-202,廣州市加聚高新材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高速混合機(jī),SHR-10,張家港市二輕機(jī)械有限公司;雙螺桿擠出機(jī),CTE35,科倍隆(南京)機(jī)械有限公司;注塑機(jī),FT-110,浙江申達(dá)塑料機(jī)械有限公司;熔體流動速率儀,XRL-400,承德市精密儀器試驗(yàn)機(jī)有限公司;萬用拉力機(jī),WDT-W,承德市精密儀器試驗(yàn)機(jī)有限公司;懸臂梁沖擊儀,XB-5,承德市精密試驗(yàn)機(jī)有限公司;氧指數(shù)測定儀,JF-3,南京江寧分析儀器有限公司;掃描電子顯微鏡,Zeiss evo18,德國卡爾蔡司公司。

1.3 復(fù)合材料的制備

將HIPS和PMSQ放入真空烘箱,80 ℃烘干12 h,去除原料中多余的水分和揮發(fā)物。以HIPS/PMSQ質(zhì)量份數(shù)比分別為100/5,100/10,100/15,100/20,100/25,100/30的比例稱取原材料,先在高速混合機(jī)中預(yù)混合,高速混合機(jī)的轉(zhuǎn)速2 000 r/min,時(shí)間5 min,再將混合后的原料放入雙螺桿擠出機(jī)中熔融擠出,擠出機(jī)的溫度155～195 ℃,轉(zhuǎn)速40 r/min。將擠出的粒料在注塑機(jī)中注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條。

1.4 測試與表征

熔體流動速率(MFR)按照GB/T 3682—2000標(biāo)準(zhǔn)測試,試驗(yàn)溫度230 ℃,試驗(yàn)選取負(fù)荷3.8 kg,切料時(shí)間10 s。

拉伸性能按照GB/T 1040.1—2006標(biāo)準(zhǔn)測試,萬用拉力機(jī)的拉伸速度為50 mm/min,啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣條最窄處的尺寸是10 mm×4 mm。

沖擊性能按照GB/T 1843—2008標(biāo)準(zhǔn)測試,測試溫度23 ℃,標(biāo)準(zhǔn)樣條的尺寸是10 mm×4 mm并帶有缺口。

氧指數(shù)按照GB/T 2406.2—2009標(biāo)準(zhǔn)測試。

掃描電子顯微鏡觀察沖擊樣條的斷面特征,需先對斷面進(jìn)行噴金再處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料流動性能

PMSQ用量對HIPS熔體流動性能的影響見圖1。在HIPS質(zhì)量份數(shù)不變的情況下,隨著PMSQ質(zhì)量份數(shù)的增加,HIPS的熔體流動速率先減小再增大,增大到一定量時(shí)會有一個(gè)突增,隨后降低。PMSQ填充量為25質(zhì)量份時(shí),能夠提高HIPS的流動性能。

圖1 PMSQ用量對復(fù)合材料流動性能的影響

2.2 復(fù)合材料力學(xué)性能

圖2為PMSQ用量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。圖2(a)表明PMSQ屬于剛性填料,在受到外力作用時(shí),幾乎沒有變形的可能。隨著PMSQ用量的增加,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸減小,斷裂伸長率出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象。PMSQ用量小于15質(zhì)量份時(shí),復(fù)合材料的斷裂伸長率比純HIPS高,可能是因?yàn)樵赑MSQ用量較少時(shí),PMSQ能夠與HIPS基體一起移動。

圖2(b)表明隨著PMSQ用量的增加,復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐漸降低,彎曲強(qiáng)度先增加后減小。PMSQ屬于剛性粒子,剛性粒子增韌不同于彈性體增韌,需要基體材料韌性較高。HIPS本身韌性不高,因此PMSQ的加入導(dǎo)致HIPS沖擊強(qiáng)度下降。

圖2PMSQ用量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.3 復(fù)合材料阻燃性能

圖3為PMSQ用量對復(fù)合材料阻燃性能的影響。

圖3 PMSQ用量對復(fù)合材料阻燃性能的影響

隨著PMSQ用量的增加,復(fù)合材料的阻燃性能逐漸增加。PMSQ在燃燒過程中,有機(jī)的部分分解時(shí)會消耗部分熱量,有效抑制了聚合物的分解;無機(jī)的部分燃燒后的產(chǎn)物是二氧化硅,硅化物會覆蓋在未燃燒的聚合物表面,形成一層保護(hù)膜,在一定程度上減緩了熱量的傳遞,阻止可燃?xì)怏w的揮發(fā),使得可燃?xì)怏w和氧氣得以分隔。

2.4 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖4是復(fù)合材料沖擊試樣斷面的掃描電鏡照片。在PMSQ用量超過15質(zhì)量份后,PMSQ在HIPS中出現(xiàn)了團(tuán)聚,使得HIPS的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率出現(xiàn)了明顯的下降。在PMSQ用量小于25質(zhì)量份時(shí),PMSQ在HIPS中的分散呈現(xiàn)出離散型,對HIPS的熔體流動速率影響不大。當(dāng)PMSQ用量超過25質(zhì)量份時(shí),HIPS的基體幾乎完全被PMSQ填充,熔體流動速率出現(xiàn)顯著增加。

圖4 PMSQ用量對復(fù)合材料形貌的影響(×5 000)

3 結(jié)論

1) 在PMSQ用量為25質(zhì)量份時(shí),HIPS熔體流動速率出現(xiàn)最大值。

2) 隨著PMSQ用量的增加,復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度逐漸減小, 阻燃性能逐漸增強(qiáng);彎曲強(qiáng)度和斷裂伸長率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

3) PMSQ的添加量為15～20質(zhì)量份時(shí),復(fù)合材料達(dá)到最佳的綜合性能。