玻纤增强PPESK复合材料及其性能研究

玻纤增强PPESK复合材料及其性能研究
王桂梅,蹇锡高,廖功雄,何　伟,靳奇峰
(大连理工大学高分子材料系,辽宁大连116012)
摘　要:以溶液共混-共沉淀的方式制备了玻纤增强含二氮杂萘联苯结构的聚醚砜酮(PPESK)复合材料;考察了两种长度的玻纤对GF/PPESK复合材料力学性能的影响,并以较长的玻纤为例,通过SEM对复合材料的形态进行观察,用DSC和TG A对其热性能进行分析,同时分析偶联剂在复合材料中的作用。

结果表明:较长的玻纤更有利于提高复合材料的力学性能;当GF含量为20%时,两种GF/PPESK复合材料的力学性能都达到最大。

偶联剂的加入对于改善玻纤与PPESK的界面粘结、提高玻纤对PPESK的增强效果具有重要作用。

随着玻纤含量的增加,复合材料的玻璃化转变温度和热降解温度都不同程度地提高。

关　键　词:玻璃纤维;聚醚砜酮;增强;复合材料
中图分类号:TQ326.9 文献标识码:B 文章编号:1001Ο9278(2004)02Ο0040Ο04
Study on G lass Fiber R einforced Poly(phthalazinone ether
sulphone ketone)Composites
WAN G Gui2mei,J IAN Xi2gao,L IAO G ong2xiong,HE Wei,J IN Qi2feng (Dept of Polym Mater,Dalian University of Technology,Dalian116012,China)
Abstract:G lass fiber(GF)reinforced poly(phthalazinone ether suphone ketone)composites were pre2 pared by solvent2coprecipation.Morphology and thermal properties of the composites were investigated by means of scanning electron microscopy,differential scanning calorimetry and thermogravimetric anal2 ysis.The effect of silane coupling agent,the content and species of GF on mechanical properties were al2 so studied.The results show that the addition of silane coupling agent is beneficial in improving the inter2 facial adhesion and mechanical properties of GF/PPESK composites.When the content of GF is20%, the composite exhibits the best mechanical properties.Thermal performance is also improved by adding GF to PPESK,resulting in the rise of T g and heat degradation temperature.
K ey w ords:glass fiber;poly(phthalazinone ether sulphone ketone);reinforcement;composite
玻纤增强复合材料被广泛应用于电子、电器、航空等高新技术领域,特别是玻纤增强高性能热塑性复合材料克服了热固性复合材料损伤容限低、耐热性不高的缺点,近年来得到了快速发展[1,2]。

含二氮杂萘联苯结构的聚醚砜酮作为一种新型耐热性极好的无定形聚合物,耐高温、可溶解、综合性能优异,在复合材料、绝缘漆、分离膜等领域表现出很好的应用前景[3]。

为了进一步提高材料的性能、降低生产成本以满足高性能复合材料市场的需要,制备PPESK复合材料显得尤为
收稿日期:2003Ο11Ο26
国家“863”项目(2001AA33402023)重要。

玻璃纤维(GF)以其成本低、强度高等特点被广泛用于聚合物增强材料,而有关GF增强PPESK的性能研究尚未见报道。

本文选用GF作为PPESK的增强材料制备GF/PPESK复合材料,并对其界面形态、力学性能和热力学性能进行研究。

1　实验部分
1.1　原材料
PPESK,砜酮比S/K为80/20,η=0.58dl/g (25℃),粉料,大连宝力摩新材料有限公司;
玻纤,GF21,长径比为10/1,直径为10μm～12μm;GF22,长度为2mm,直径为10μm～12μm,南
第18卷　第2期中　国　塑　料Vol.18,No.2 2004年2月CHINA PLASTICS Feb.,2004
京智宁塑料填料研究所;
硅烷偶联剂,K B E 2903,深圳市海川化工有限公司。

1.2　复合材料的制备
(1)先按GF 质量的1%称取硅烷偶联剂,加入到相同比例的水中搅拌均匀,按配比倒入装有GF 的高速混合机中充分搅拌,出料,干燥。

(2)将PPESK 溶于氯仿,待溶解完全后,按不同配比加入处理好的GF ,混合均匀后,沉降,干燥。

将干燥好的复合材料放入模具中热压成型。

1.3　测试
拉伸强度和弯曲强度在日本岛津A G 22000A 型万成能电子实验机上进行;
冲击强度在CHARP Y XC J 24冲击实验机上测定;形态观察在J EOL 2J SM 25600型扫描电镜上进行,断面表面喷金;
DSC 测试采用Mettler Toledo DSC822差示扫描量热仪测试,升温速率为10℃/min ,氮气保护;
TG 分析在Mettler 2Toledo TG A/SD TA 851型热
失重分析仪上进行,升温速率为10℃/min ,氮气保护。

2　结果与讨论
2.1　偶联剂对复合材料力学性能的影响
根据纤维增强聚合物的一般理论,纤维增强复合材料的性能不仅与所用纤维与聚合物基体本身的特性有关,而且还与纤维在基体中的含量和分布方式以及纤维-基体的界面状态密切相关。

图1为表面用偶联剂处理和未经任何处理的GF 增强PPESK 复合材料的SEM 形态。

从图1(a )可以看出,未经表面处理的GF
(a )GF 22表面未处理　(b )GF 22表面用偶联剂处理
图1　GF 22/PPESK 复合材料断口形态的SEM 典型照片
Fig.1　SEM photograph of broken surface of
GF 22/PPESK composites
与PPESK 界面粘结性较差,断口可清晰地看到已与树
脂脱离的光滑GF 杆状物,基体牵伸和对GF 的粘附现象很少,因此这种形态结构的材料,纤维对树脂的增强作用是十分有限的。

而由图1(b )可以看出,用偶联剂处理的GF 与PPESK 树脂有良好的界面粘结,GF 被包裹在树脂基体中,暴露出来的GF 表面仍粘有大量被延伸的树脂基体,因而呈这种断裂形态的复合材料将具有较高的力学性能。

图2为经偶联剂处理和未经任何处理的GF 22增强PPESK 复合材料的力学性能随GF 22含量变化的关系图。

从图中可以看出,经偶联剂处理的GF 22/PPESK 复合材料的力学强度均高于未经任何处理的复合材料,而弯曲强度增加的幅度更大。

这与上面的形态分析一致,表明纤维与树脂基体的界面粘结是影响复合材料性能的关键因素。

1—GF 22表面未处理　2—GF 22表面用偶联剂处理
(a )冲击强度　(b )拉伸强度　(c )弯曲强度
图2　复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度随玻纤含量的变化关系
Fig.2　Impact strength ,tensile strength and flexural strength of GF/PPESK composites versus GF contents
2.2　玻纤含量与长度对复合材料力学性能的影响
图3为不同含量和不同长度的GF 对复合材料力
学性能的影响。

从图3(b )、
(c )中可以看出,当GF 的含量大于10%时,GF 22/PPESK 复合材料的拉伸强度
和弯曲强度都明显高于GF 21/PPESK 复合材料。

由图3(a )可以看出,当GF 的含量大于20%时,GF 22/PPESK 复合材料的冲击强度高于GF 21/PPESK 复合材料。

由此知:对于玻纤增强PPESK 复合材料,玻纤
　2004年2月中　国　塑　料・41　・　
越长越有利于提高复合材料的力学性能。

但也可以看出,当玻纤含量较少时,GF 21/PPESK 的力学性能略高于GF 22/PPESK 的。

对于GF/PPESK 复合材料,实现性能提高的关键除了与GF/PPESK 间界面粘结有关外,还与GF 在PPESK 基体中的分散有关。

玻纤在聚
合物基体中很容易聚集成团,影响材料的性能。

当含量较低时,较短的玻纤更易于分散均匀,力学性能较高。

而玻纤含量越高,玻纤长度对材料性能的影响占主导地位,较长的玻纤更有利于提高材料的力学强度。

■—GF 21　▲—GF 22
(a )冲击强度　(b )拉伸强度　(c )弯曲强度
图3　复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度随玻纤含量的变化关系
Fig.3　Impact srength ,tensile strength and flexural strength of GF/PPESK versus GF contents
另外,从图3还可以看出,当GF 含量为20%时,复合材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲强度都达到最
大,而GF 含量进一步提高,力学性能逐渐下降。

这是由于当GF 含量为20%时,影响GF/PPESK 复合材料性能的主要因素如GF 2PPESK 间的界面粘结和GF 在PPESK 基体中的分散情况出现协同作用,使材料的性能表现为最好。

2.3　复合材料的热性能
以GF 22为例,通过DSC 和TG A 对GF/PPESK 复合材料的热性能进行研究。

PPESK 及其复合材料的玻璃化转变温度和部分特性降解温度列于表1。

图4为不同配比的GF 22/PPESK 复合材料的DSC 曲线。

从图4可以看出,随着GF 含量的增加,复合材料的玻璃化转变温度略有提高。

当GF 含量为5%时,复合材料的玻璃化转变温度为285℃,与纯PPESK 的玻璃化转变温度相同。

当GF 含量为50%时,复合材料的玻璃 表1　PPESK 及GF 22/PPESK 复合材料的玻璃化
转变温度和5%失重温度
Tab.1　G lass transition temperature and 5
%weight loss temperatures of PPESK and PPESK/GF com posites
GF/PPESK 复合材料的组成
T g /℃
T 5/℃
0/1002854835/9528548310/9028748220/8028748730/7028949350/50
290
498
注:表中T 5表示样品失重5%时对应的温度。

化转变温度为290℃。

GF 的含量从5%增加到50%,GF/PPESK 复合材料的玻璃化转变温度提高5℃,其
变化很小。

因此,GF 加入到PPESK 中有利于提高材
料的耐热性能,但效果不显著。

GF 22/PPESK:1—5/95　2—10/90　3—20/80
4—30/70　5—50/50
图4　GF 22/PPESK 复合材料的DSC 曲线
Fig.4　DSC curves for GF 22/PPESK composites
图5为不同GF 22含量的复合材料在氮气中的热
失重和微分失重曲线。

从图中可以看出,不同含量的复合材料具有相似的热分解过程。

随着GF 含量的增加,复合材料对应于相同失重百分率的失重温度提高。

当GF 含量为5%时,5%失重温度为483℃,与纯PPESK 的一致,但当GF 含量为50%时,5%失重温度为498℃,提高了15℃。

当GF 含量从5%提高到20%,复合材料的30%失重温度提高了82℃。

由此
可见,GF 加入到PPESK 中有利于提高复合材料的热
稳定性。

　・42　・玻纤增强PPESK 复合材料及其性能研究　
GF 22含量分别为:1—10%　2—20%　3—30%　4—50%
(a )热失重　(b )微分失重曲线
图5　GF 22/PPESK 复合材料的热失重和微分失重曲线
Fig.5　Weight loss and derivative weight loss curves of GF 22/PPESK composites
3　结论
(1)在GF/PPESK 复合材料中,GF 的加入有利于
改善材料的力学性能,当GF 含量为20%时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度均达到最大,且较长的GF (GF 22)增强效果显著;
(2)以GF 22为例研究偶联剂对GF/PPESK 复合材料性能的影响,结果表明用硅烷偶联剂对GF 进行表面处理有利于改善纤维与树脂间的界面粘结,进而提高复合材料的力学强度;
(3)GF 22/PPESK 复合材料热性能的研究表明GF
的加入提高了材料的耐热性能和热稳定性。

参考文献:
[1]　杨士勇,高生强,胡爱军,李家泽.耐高温聚酰亚胺树脂及
其复合材料的研究进展[J ].宇航材料工艺,2000,(1):1.
[2]　J yongsik Jang &Cholho Lee.Performance Im provement of
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[3]　Y Z Meng ,A S Hay ,X GJian ,S C Tjong.Synthesis of Novel
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2003亚太塑胶工业论坛暨塑料中空制品新技术研讨会论文集
为了推动入世后中国塑料工业的健康发展,中国轻工业联合会、中国轻工业机械总公司塑料机械中心、中国轻工机械协会与《中
国塑料》杂志社于2003年11月30日～12月3日在第六届亚太国际橡塑工业展览会(AP Plas 2003,12月2日～5日)期间在上海联合召开“2003亚太塑胶工业论坛暨塑料中空制品新技术研讨会”,并出版了论文集,有需要者请与本刊刘琳玲女士联系,电话:010-********,论文集内容如下:
第一部分:专家报告
1.我国塑料包装工业发展现状与展望中国包协塑料包装委员会秘书长　蔡明池
2.我国塑料机械发展状况
中国轻工业机械总公司　许政仓
3.PEN 的开发及应用北京工商大学材料科学与工程系　许国志
4.塑料工业技术进展
《中国塑料》杂志社主编　杨惠娣
5.中空制品用树脂
中国石化齐鲁股份有限公司塑料厂总工程师　石志俭
6.中型散装容器(IBC )新一代工业包装容器
德国舒驰容器(上海)有限公司　陆文正
7.Dynamar TM 泰乐玛聚合物加工助剂在中空吹塑中的应用3M 中国有限公司　王国辉
8.吹塑新技术及其发展趋势华南理工大学工业制备与控制工程学院　黄汉雄
9.阻透性包装聚酯国内外研究进展华东理工大学石油化工学院　吴　唯10.共混型中空阻透容器的研究进展江苏化工学院材料科学与工程系　丁永红11.注拉吹成型工艺的计算机模拟上海交通大学高分子科学与工程系　郑　泓
12.复杂中空制品成型技术进展同济大学　钟世云
13.包装用聚酯容器及其进展上海市包协塑料专业委员会秘书长　陈昌杰
14.国内中空成型技术的应用与发展
秦川塑机厂副厂长　史永红
(下转第51页)
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