sPS PET SsPS 蒙脱土复合材料的力学性能研究

sPS/PET/SsPS/蒙脱土复合材料的力学性能研究
王进1,2*,祝方明2,林尚安2
(1. 株洲时代橡塑股份有限公司技术中心，湖南 株洲，412007)
(2. 广州中山大学高分子研究所, 广州，510275)
摘要：熔体插层法制备了新型的间规聚苯乙烯(sPS)/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/磺化间规聚苯乙烯（SsPS-H ）及其锌盐(SsPS-Zn)/11-氨基酸改性蒙脱土(MTA)复合材料，该材料的综合力学性能较未填充材料显著提高。

加入2份MTA 时，sPS/PET/SsPS-H/MTA （质量比为85/15/4/2）和sPS/PET/SsPS-Zn/MTA （质量比为85/15/2/2）复合材料的冲击强度达到最大值，分别为15.6 kJ/m 2和14.7 kJ/m 2，约是纯sPS 的3.5倍，是未填充材料的1.5 倍。

同时，拉伸强度和弯曲强度也相应提高，与未填充材料相比，都接近提高了30MPa 。

关键词：间规聚苯乙烯，磺化间规聚苯乙烯锌盐，蒙脱土，复合材料
纳米复合材料是80年代初由Roy 等提出来的，由于其能在纳米级尺寸范围内将聚合物和无机材料的结构、物理化学特性充分结合起来，所以具有优良的热性能、力学性能、电性能和加工性能等，成为近年来在新材料和功能材料领域中研究的热点之一。

蒙脱土由厚度约为1nm 、层间距一般在0.96-2.1nm 的硅酸盐片层组成，并且片层中间吸附有可交换的K +、Na +、Ca 2+、Mg 2+等离子。

但由于聚合物分子的空间结构较大，很难插入其片
层间，所以必须通过预先嵌入有机小分子，使片
层间距扩大，氨基酸和季铵盐。

能、下嵌入到蒙脱土的片层间。

由于蒙脱土的层间表面积较大，使得与聚合物间的接触面或相互作用点增加，因此反应热热较大，有利于聚合物的嵌入。

该法不需任何溶剂，工艺简单，易于工业化应用。

近年来开发的聚合物/蒙脱土纳米复合材料主要有PA6/蒙脱土、环氧树脂/蒙脱土、聚酯/蒙脱土、PS/蒙脱土、PP/蒙脱土和硅橡胶/蒙脱土[1-6]
等单一聚合物嵌入蒙脱土纳米复合材料，对
于多组分聚合物基体的蒙脱土纳米复合材料的
研究尚未见报道。

间规聚苯乙烯（sPS ）是一种新型的结晶型
工程塑料，具有强度高，耐热性好，耐化学腐蚀
性优良等特点，因而进一步提高其综合力学性
能，尤其是抗冲击性，对于拓展其应用领域具有
重要意义。

目前报道的sPS 复合材料多为玻纤填
充材料[8]，但由于玻纤的分散性差，导致加工困
难。

本文采用熔体插层方法制备了综合性能较好
的sPS/PET/SsPS/蒙脱土复合材料，并对其力学性能进行了研究。

1 实验部分 1.1 主要原料 sPS ：采用新型茂钛催化剂苯乙烯的本体聚
合法合成[7]，分子量为32×104，间规度超过95%，熔点约为270℃，使用前需在70℃下真空干燥；
SsPS ：由本实验室采用乙酰磺酸为磺化剂合成[8-10]，其磺化度（n 值）经酸碱滴定法和元素SsPS 的磺化1摩尔苯乙烯结构； ： 汕头海洋（集团）公司聚酯切片厂，牌号8065，水（%）：0.4，黄色指数：3，特性粘度：0.65 dL ・g -1。

蒙脱土(MT)：上海试剂四厂，cp ，pH(25℃)：8-10.5，粒径<200目，其100g 阳离子交换容量为96mmol ；11-氨基酸：ACROS ORGANICS USA ，Mw ：201.31。

1.2复合材料的制备 材料由上海轻机模具厂生产的XSS-300转矩流变仪熔融共混得到。

先加入11-氨基酸插层处理的蒙脱土（MTA ）和PET 及抗氧剂1010在230℃下共混5min ，控制转速32r/min ，然后迅速升温至250℃，并加入sPS 和SsPS ，共混5min 。

样条由吉林大学科学仪器厂生产的WZM-1型微型注模机压制。

SsPS-Zn-5.45用量固定为2份，SsPS-H-5.45用量固定为4份, sPS/PET 的质量比固定为85/15。

*联系人
1.3性能测试 1.3.1 力学性能
无缺口冲击强度：采用德国VEB Werkstoffprufmaschinen Leipzig 悬臂式冲击、弯曲实验机； 三点弯曲强度：日本岛津生产的LD-M 型电子拉力实验机进行测试，作用速度为50mm/min ，跨度为30mm ； 拉伸强度：采用广州材料试验机厂生产的LJ-500型拉力试验机，拉伸速度为50mm/min ； 1.3.2亚微观相态观察（SEM ）：采用日本HITACHI S-570型扫描电子显微镜，材料室温下冲击断口喷金处理后观察材料的脆韧转变。

2 结果与讨论
2.1 sPS/PET/SsPS-Zn/MTA 复合材料的力学性能
Content of MTA(wt)
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U n n o t c h e d I z o d i m p a c t s t r e n g t h (k J /m 2
)
Figure1 Mechanical properties of sPS/PET/SsPS-Zn/MTA composites sPS/PET/SsPS-Zn/MT A:85/15/2/MT A
T sPS/PET/SsPS-Zn/MTA composites
sPS/PET/SsPS -Zn/MTA (wt) Unnotched Izod impact strength (kJ/m 2
) Tensile strength (MPa) Flexural
strength (MPa)
100/0/0/0 4.1 33.6 42.8
85/15/2/0 10.6 39.1 41.7
85/15/2/2 14.7 66.7 77.9 85/15/2/4 12.6 72.0 63.6 85/15/2/6 10.8 62.7 64.7
85/15/2/8 9.6 63.3 62.9
85/15/2/10 9.2 56.2 64.1
图1和表
1分别为不同MTA 用量的sPS/PET/SsPS-Zn/MTA 复合材料的力学性能，由此可见，加入MTA 后，复合材料的综合力学性能均提高，加入2份MTA 时，复合材料的冲击强度最大为14.7 kJ/m 2，是不加MTA 的合金的1.5倍，约是纯sPS 的3.5倍，而拉伸强度和弯曲强度也相应提高，分别为66.7 MPa 和77.9 MPa 。

表明MTA 用量较低时，即可显著地改善材料的力学性能。

图2为加入0份，
2份和10份MTA 时，sPS/PET/SsPS-Zn/MTA 复合材料室温下冲击断面的SEM 照片。

由图可见，黑色的连续相sPS 中分散有少量尺寸低于100nm 的颗粒，可以认为是分散的MTA ，另外还有部分尺寸较大的球形颗粒为PET 分散相。

比较断面的形貌发现，加入2份MTA 后，断面形貌的不平整层状结构进一步细化复杂，表明材料的韧性提高。

a b
b) 85/15/2/2 c) 85/15/2/10 复合材料中无机粒子的尺寸大小及分布、两相的界面粘结强度和粒子自身的形态结构都会
影响材料的力学性能。

在一定的粒子尺寸范围内，小粒子易于引发银纹，而较大粒子由于体积大而更易于终止银纹，但粒子尺寸进一步增大时，不易引发银纹而成为应力集中点。

通常的无机填料由于与聚合物之间的相容性差，并且尺寸较大，所以抗冲击性能较差。

而当蒙脱土以片层
形式分散时，其比表面积较大，因此单靠表面的物理化学吸附作用就可使其与聚合物间产生较大的结合力，从而显著地改善材料的力学性能。

另外由于PET 与MTA 之间存在很强的相互作用，以及MTA 晶片在基体中的纳米尺寸的分散，都能提高复合材料的界面性能，形成良好的界面粘结，从而有利于材料力学性能的提高。

但随MTA 用量的增加，可能由于分散较差而部分聚集成为应力集中点，导致冲击强度的下降。

2.2 sPS/PET/SsPS-H/MTA 复合材料的力学性能
图3为不同蒙脱土用量的sPS/PET/SsPS-H/MTA 复合材料的力学性能，其结果列于表2中。

可见，sPS/PET/SsPS-H/MTA 复合材料与sPS/PET/SsPS-Zn/MTA 复合材料的力学性能呈现相同的变化趋势。

同sPS/PET/SsPS-H 共混物相比，材料的韧性和强度都有显著的提高。

加入MTA 后，材料的力学性能先增大而后下降，当MTA 用量为2份时，sPS/PET/SsPS-H/MTA 的冲击强度达到15.6kJ/m 2，是纯sPS 的3.5倍，同时，拉伸强度和弯曲强度较高，分别为65.4MPa 和66.0MPa ，为纯sPS 的1.4倍。

Figure3 Mechanical properties of sPS/PET/SsPS-H/MTA composites
sPS/PET/SsPS-H/MTA composites sPS/PET/SsPS-H/MTA （wt ） Unnotched Izod impact strength (kJ/m 2
) Tensile strength (MPa) Flexural strength (MPa) 85/15/4/0 12.5 26.4 31.8 85/15/4/2 15.6 65.4 66.0 85/15/4/4 14.7 76.6 67.2
85/15/4/6 15.2 78.4 64.9
85/15/4/8 13.1 65.0 58.0
85/15/4/10 9.8 56.7 60.3
Content of MTA(85/15/4/MTA,wt)T e n s i l e (F l e x u r a l ) s t r e n g t h (M P a )
U n n o t c h e d I z o d i m p a c t s t r e n g t h (k J /m 2
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12 Li H M, Liu J C, Zhu F M, Lin S. Polymer
International, 2001,50:1-8 MECHANICAL PROPERTIES OF SPS/PET/SsPS/MTA COMPOSITES
WangJin 1，
2, Zhu Fangming 2, Lin Shang’an 2
(1. Center of Technology, Zhuzhou Times Rubber and Plastics Co.LMD., Hunan Zhuzhou, 412007)
(2. Institute of Polymer Science, Zhongshan University, Guangzhou,510275)
ABSTRACT: The mechanical properties of polystyrene(sPS)/ polyester(PET)/ of sulfonated
syndiotactic polystyrene(SsPS-H) and zinc salt of sulfonated syndiotactic polystyrene
ionomer(SsPS-Zn) /modified montmorillonite(MTA) composites were studied. Results showed that the mechanical properties of composites were better than alloy without montmorillonite. When sPS/PET/SsPS-H/MTA= 85/15/4/2 or sPS/PET/SsPS-Zn/MTA = 85/15/2/2, the unnotched Izod impact strength reached maximum of 15.6 kJ/m2 and 14.7 kJ/m2, which is about 3.5 times of pure sPS and 1.5 times of alloy without MTA. At the same, the tensile strength and flexural strength increased about 30MPa, which is about 1.4 times of pure sPS.
KEYWORDS: Syndiotactic polystyrene, Zinc salt of sulfonated syndiotactic polystyrene ionomer, Montmorillonite, Composite。