交聯(lián)聚苯乙烯的動態(tài)力學(xué)性能研究

2020-08-17 09:41楊清，宋歡，丁娉

山東化工 2020年14期

楊清，宋歡，丁娉

(株洲時代華先材料科技有限公司，湖南株洲 412000)

交聯(lián)聚苯乙烯材料是苯乙烯單體與交聯(lián)劑共聚合得到的一種熱固性塑料，其主要性能特點(diǎn)如下[1]：(l)介電性能優(yōu)異，在工頻及高頻下具有低且穩(wěn)定的介電常數(shù)，且其介電損耗值非常?。?2)能承受高電壓，適合制造高電壓絕緣層；(3)尺寸穩(wěn)定性好，且剛性大，在潮濕條件下不會產(chǎn)生永久變形和塑性流動，機(jī)械加工性良好；(4)光學(xué)性能突出。交聯(lián)聚苯乙烯材料優(yōu)異的綜合性能，使其在電子工程、高頻微波通訊等方面有重要應(yīng)用價值，特別的，在真空、高功率脈沖電場等這類特殊應(yīng)用領(lǐng)域有重大潛在價值。

自從國外開發(fā)出交聯(lián)聚苯乙烯材料以來，研究者們主要從其合成方法[2-6]、交聯(lián)共聚機(jī)理[7]、反應(yīng)動力學(xué)[8]及性能上[9]做了大量研究工作，但對于其動態(tài)力學(xué)性能的研究卻鮮有報道。動態(tài)力學(xué)行為是指在交變應(yīng)力或交變應(yīng)變作用下，聚合物材料的應(yīng)力或應(yīng)變隨時間的變化。這是一種接近材料實際使用條件的粘彈性行為。通過動態(tài)力學(xué)分析，可以獲得聚合物材料的分子結(jié)構(gòu)及分子運(yùn)動的信息，如玻璃化轉(zhuǎn)變、晶態(tài)分子的運(yùn)動、次級松弛等信息。本文通過本體聚合方法制備得出了一種透明的交聯(lián)聚苯乙烯材料，并就交聯(lián)劑用量、熱壓工藝及紫外光輔助聚合作用對其動態(tài)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了討論，為交聯(lián)聚苯乙烯材料的實際應(yīng)用提供一點(diǎn)思路。

1 實驗

1.1 實驗原料

苯乙烯(St)，化學(xué)純，山東東大化學(xué)工業(yè)集團(tuán)公司；二乙烯基苯(DVB)，化學(xué)純，山東東大化學(xué)工業(yè)集團(tuán)公司；過氧化苯甲酰(BPO)，分析純，成都市科龍化工試劑廠；2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)，分析純，長沙新宇化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

超級恒溫油浴鍋，HH-SA，江蘇金壇實驗儀器有限公司；循環(huán)水式多用真空泵，SHB-Ⅲ，鄭州長城科工貿(mào)易有限公司；恒溫?zé)釅簷C(jī)，DHF05，東莞市東合機(jī)械設(shè)備有限公司；動態(tài)力學(xué)分析儀PyrisDiamon，美國Perkin-Elmer公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 線性聚苯乙烯預(yù)聚合體的制備

本實驗采用自由基聚合方法，首先以純化后的苯乙烯(St)為單體，過氧化苯甲酰(BPO)為引發(fā)劑，以一定配比將兩種原料置于2000mL的四口燒瓶中反應(yīng)4～5h，取出四口燒瓶置于冰水中冷卻，即得到線性聚苯乙烯預(yù)聚合體。

1.3.2 交聯(lián)聚苯乙烯的制備

通過兩種工藝制備交聯(lián)聚苯乙烯：(1)程序升溫法：預(yù)聚合體中加入一定量的交聯(lián)劑DVB，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾糜谧灾泼芊饽＞咧?，模具?dāng)中充入氬氣作為保護(hù)氣體，然后在超級恒溫水浴槽中逐步升溫，直至得到完全固化的交聯(lián)聚苯乙烯；(2)紫外光輔助聚合法：預(yù)聚合體中加入一定量的交聯(lián)劑DVB和光引發(fā)劑1173，對混合物料進(jìn)行紫外照射，照射時間為10～30min，將照射后的樣品放入烘箱就行熱處理得到完全固化的交聯(lián)聚苯乙烯。

1.3.3 熱壓處理

將樣品加工成幾何尺寸規(guī)則的塊體，并將其嵌入到具有同樣尺寸的模具當(dāng)中，樣品厚度高于模具1～2mm。將嵌入樣品的模具放在熱壓機(jī)的熱臺上，緩慢升溫至110℃，靜置1h，等模具及樣品溫度基本達(dá)到壓機(jī)設(shè)定溫度。設(shè)定熱壓機(jī)壓力為5MPa，開壓機(jī)，保溫1h。最后保持壓力，關(guān)掉電源緩慢冷卻至室溫。

1.4 動態(tài)力學(xué)性能測試

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)程度對動態(tài)力學(xué)性能的影響

圖1 交聯(lián)程度對交聯(lián)聚苯乙烯儲能模量的影響

從圖1和圖2中可以看出，在玻璃態(tài)區(qū)域(未達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度區(qū)域)交聯(lián)聚苯乙烯材料的儲能模量值大，且變化趨勢較小。這是因為在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，分子鏈段都處于“凍結(jié)”狀態(tài)，鏈段運(yùn)動被凍結(jié)，僅限于振動及短程的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，分子鏈之間沒有相對位移，所以幾乎沒有分子鏈之間的摩擦，內(nèi)耗小，故能保持較高的儲能模量，且變化趨勢較小，如圖2，損耗模量在這個區(qū)域增長趨勢也不明顯。溫度升高，材料處于玻璃-橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)域，材料的儲能模量急劇下降，這是因為分子鏈在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時開始“解凍結(jié)”，分子鏈的運(yùn)動是遠(yuǎn)程的相對運(yùn)動，且其構(gòu)象發(fā)生變化，需要克服的分子鏈之間的摩擦力也急劇增大，內(nèi)耗迅速增大，材料的儲能模量急劇下降，都以損耗熱的形式消耗，從圖2中可看出，此區(qū)域的損耗量有一個峰值。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，模量在橡膠-彈性平臺區(qū)域內(nèi)幾乎保持恒定，分子鏈的交聯(lián)作用阻止了滑移運(yùn)動，材料在達(dá)到其分解溫度前，會一直保持在這個狀態(tài)。