許珂 張佰城 李秉輝 黃兆閣

(青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島,266042)

聚苯硫醚(PPS)具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、加工性能,為世界第六大工程塑料[1]。但PPS的脆性較大,無法自潤滑,且在高溫下容易被氧化[2],限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。

下面綜述了PPS增強(qiáng)增韌改性、摩擦性能改性、導(dǎo)電性能改性、流變性能改性和抗氧化性能改性的研究進(jìn)展,并對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 PPS增強(qiáng)增韌改性研究

PPS增強(qiáng)增韌改性方式主要有納米材料改性、纖維改性、合金共混改性、化學(xué)改性等。

納米材料改性一般分為2種:1) 采用納米材料對纖維表面進(jìn)行處理;2) 以納米材料為填料直接增強(qiáng)增韌[3]。Wu Y等[4]以氧化石墨烯(GO)為表面施膠劑處理短切碳纖維(SCF),獲得了具有GO涂層的SCF/PPS復(fù)合材料。經(jīng)過GO處理后,SCF與PPS之間的相容性明顯改善。Yang Y Q等[5]將甲苯二異氰酸酯(TDI)接枝到納米二氧化硅(nano-SiO2)上,制得了PPS/改性nano-SiO2復(fù)合材料。結(jié)果表明:當(dāng)改性nano-SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),PPS/改性nano-SiO2復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高達(dá)59.0 MPa,拉伸斷裂應(yīng)變高達(dá)112.1%。

纖維的加入可以在保持PPS優(yōu)異性能的前提下減少PPS的用量,降低成本,并克服了PPS易脆性斷裂和低斷裂應(yīng)變等缺點(diǎn)[6]。Khan S M等[7]通過增加碳纖維(CF)層數(shù)增強(qiáng)PPS。結(jié)果表明:當(dāng)CF層數(shù)由4層增至20層時(shí),材料的沖擊強(qiáng)度由2.60 kJ/m2升至7.20 kJ/m2,硬度也明顯增大。

合金共混改性可以克服單一聚合物性能上的局限性。聚苯醚(PES)具有優(yōu)異的抗沖擊性能,可以有效克服PPS韌性差的缺點(diǎn)。Li D D等[8]制備了PES/PPS共混物。結(jié)果表明:PES/PPS共混物具有優(yōu)異的力學(xué)性能。當(dāng)PES的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí),PES/PPS共混物的沖擊強(qiáng)度高達(dá)3.33 kJ/m2。熱塑性聚氨酯(TPU)具有優(yōu)異的韌性,可用于增韌聚丙烯、PPS、聚酰胺(PA)、聚縮醛等多種熱塑性塑料。Qiao L等[9]以TPU為增韌劑,對PPS/鍶(Sr)復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)增韌改性。結(jié)果表明:當(dāng)TPU的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%時(shí),PPS/Sr復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度高達(dá)5.77 kJ/m2。

化學(xué)改性主要是通過在PPS中引入活性官能團(tuán)(氨基、羧基等),達(dá)到增強(qiáng)增韌目的。Ren H H等[10]采用高壓親核取代反應(yīng)合成了含有羧基的PPS,制得了PPS/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料。結(jié)果表明:羧基的引入改善了PPS/GF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量。Ren H H等[11]以通過親核取代得到的PPS—NH2為增容劑,對PPS/GF復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)增韌改性。結(jié)果表明:隨著PPS—NH2含量的增加,PPS/GF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均得到明顯改善。這是因?yàn)镻PS—NH2和GF之間形成了氫鍵,提高了GF與PPS的界面相容性。

2 PPS摩擦性能改性研究

一般通過合金共混、加入填料構(gòu)建骨架材料等方式改善PPS復(fù)合材料的耐磨性能,擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍[12]。

PA具有優(yōu)異的耐磨性能,其自潤滑特性可以提高PPS在滑動或滾動下的耐久性[13]。Chen Z B等[14]研究了聚酰胺66(PA66)/PPS共混物的摩擦性能。結(jié)果表明:隨著PA66含量的增加,PA66/PPS共混物的摩擦系數(shù)越來越接近純PA66,耐磨性能得到改善。

納米材料可以防止PPS分子鏈結(jié)構(gòu)的蠕變和滑動或者提高轉(zhuǎn)移膜與摩擦副的結(jié)合強(qiáng)度,提高PPS的摩擦性能[15-16]。Cao W H等[17]通過加入納米Al2O3改善了聚四氟乙烯(PTFE)/PPS復(fù)合材料的摩擦性能。結(jié)果表明:當(dāng)納米Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),PTFE/PPS復(fù)合材料的耐磨性達(dá)到了未添加Al2O3的64倍。

纖維可以形成骨架保護(hù)基體材料,有效地降低材料的接觸面積,進(jìn)而降低了其摩擦系數(shù)[18]。Zhou S F等[19]研究了CF對聚酰胺6(PA6)/PPS復(fù)合材料摩擦性能的影響。結(jié)果表明:隨著CF含量的增加,PA6/PPS復(fù)合材料的摩擦系數(shù)先下降后上升,當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí),摩擦系數(shù)開始增大。這是由于過量CF在基體中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,CF在外力作用下更容易剝落,基體的磨損率變大。

Zhang D等[20]采用柴油對幾種填料進(jìn)行潤滑,研究了處理后幾種填料對PPS摩擦性能的影響。結(jié)果表明:加入SCF后,PPS的摩擦系數(shù)和磨損率顯著降低。這是由于SCF具有高承載能力和高耐磨性,降低了PPS基體與摩擦副之間的黏附磨損。再加入石墨烯(Gr)后,PPS/SCF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低,這是因?yàn)镚r具有易剪切的特性。在PPS/SCF/Gr復(fù)合材料中加入二硫化鎢(WS2)或氮化鋁(AlN)納米顆粒,可以進(jìn)一步改善其摩擦性能,這是因?yàn)榧{米顆粒產(chǎn)生承重摩擦膜,增強(qiáng)了滑動副的邊界潤滑能力,緩解摩擦表面的黏附磨損傾向。

3 PPS導(dǎo)電性能改性研究

PPS導(dǎo)電性能改性的主要方法是將PPS和導(dǎo)電性能優(yōu)異的材料進(jìn)行共混,提高PPS的導(dǎo)電性能[21]。Zhang M L等[22]以碳60(C60)為填料提高PPS的導(dǎo)電性能。結(jié)果表明:當(dāng)C60的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),所得材料的電導(dǎo)率達(dá)到最大值。這主要是因?yàn)?C60與PPS形成共價(jià)鍵,形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

纖維素纖維、金屬纖維、長碳纖維(LCF)均可以改善PPS的導(dǎo)電性能。Zhu C Q等[23]采用PPS纖維和纖維素纖維制備了新型的復(fù)合薄膜。結(jié)果表明:當(dāng)PPS纖維和纖維素纖維質(zhì)量比為1∶1時(shí),該復(fù)合薄膜的孔隙率、電解質(zhì)吸收能力和電導(dǎo)率均得到大幅提升。這是由于復(fù)合薄膜具有高孔隙率,且對液體電解質(zhì)有更好的親和力,降低了其與電極之間的界面電阻。Lin P L等[24]采用簡易的造紙方法制備了均勻的PPS/LCF超細(xì)纖維雜化紙,通過熱壓方法制備了具有準(zhǔn)2D有序LCF叢的PPS/LCF復(fù)合材料。結(jié)果表明:準(zhǔn)2D有序LCF叢的緊密結(jié)構(gòu)阻礙了層間斷裂,抑制微裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)LCF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、長度為25 mm、厚度為1 mm時(shí),PPS/LCF復(fù)合材料平行和厚度方向的電導(dǎo)率均達(dá)到最大值。

4 PPS流變性能改性研究

Jiang T等[25]分別采用具有圓形和矩形橫截面的GF(RdGF,RcGF)對PPS進(jìn)行改性。結(jié)果表明:PPS/RcGF復(fù)合材料的黏度遠(yuǎn)低于PPS/RdGF復(fù)合材料,這是因?yàn)榕cRdGF相比,RcGF具有更高的流動敏感性,且對稱程度較低,其“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)在低剪切速率下更容易被破壞。

碳納米管、Gr、籠型聚倍半硅氧烷(POSS)等納米材料可以有效降低PPS的熔體黏度,提高其熔體加工性能。Knauer K M等[26]采用POSS改性PPS/聚醚醚酮(PEEK)復(fù)合材料。結(jié)果表明:當(dāng)POSS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),所得材料黏度的降低幅度最大;當(dāng)POSS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于3%時(shí),所得材料的黏度呈現(xiàn)增大趨勢。這主要是因?yàn)镻OSS 降低了PPS無定形域的纏結(jié)密度。當(dāng)POSS含量過高時(shí),會出現(xiàn)聚集現(xiàn)象,導(dǎo)致所得材料的黏度再次升高。

5 PPS抗氧化性能改性研究

目前,PPS抗氧化性能改性通常有表面涂覆法、添加納米材料、添加抗氧化劑3種方法[27]。

表面涂覆法是在PPS纖維或纖維產(chǎn)品的表面覆蓋由抗氧化劑組成的保護(hù)涂層的處理方法。Bai M Q等[28]在PPS纖維表面涂覆聚苯并惡嗪(PBA),提高了其抗氧化性能。這是因?yàn)镻BA的交聯(lián)大分子結(jié)構(gòu)具有屏蔽作用,有效改善PPS纖維的抗氧化性能。但該方法存在表面涂層不均勻和難去除等問題,限制了其應(yīng)用范圍。

添加納米材料是目前PPS抗氧化性能改性使用最多的方法。Xing J等[29]研究發(fā)現(xiàn):加入甲基環(huán)戊二烯三羰基錳可以將PPS纖維的氧化誘導(dǎo)溫度提高10 ℃以上。Xing J等[30]研究發(fā)現(xiàn):Gr納米片可以顯著提高PPS纖維的抗氧化性能。

在加工過程中添加抗氧化劑也可以提高PPS的抗氧化性能。有機(jī)抗氧化劑的耐熱性差,將無機(jī)納米材料和有機(jī)抗氧化劑結(jié)合,可以提高抗氧化劑的耐熱性。Han W X等[31]通過抗氧化劑AO和氨基硅烷偶聯(lián)反應(yīng)制備了新型抗氧化劑(SiO2-g-AO),并通過熔融共混將其摻入PPS中,獲得了PPS/SiO2-g-AO復(fù)合材料。結(jié)果表明:SiO2-g-AO的加入有效提高了PPS的耐熱氧老化性能。這是因?yàn)橛袡C(jī)抗氧化劑AO在nano-SiO2表面形成了有機(jī)基團(tuán),改善了其與PPS的相容性,使其更均勻地分散在PPS基質(zhì)中,促進(jìn)PPS結(jié)晶,形成了致密的晶體層,阻隔了氧化氣體的侵襲。

6 結(jié)語

在PPS改性過程中,仍存在界面結(jié)合強(qiáng)度弱和填料分散不均勻等問題。如何改善填料與PPS之間的相容性和黏結(jié)力是未來研究的重點(diǎn)。