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)

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

)

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