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聚苯硫醚复合材料中分散相性质和形貌特点对体系性能的影响

作　者: 时圣勇
导　师: 张明
学　校: 扬州大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 聚苯硫醚复合材料熔融共混形貌和结构增强与增韧
分类号: TQ326.56
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

聚苯硫醚(PPS)是一种新型的热塑性半结晶型的工程塑料,性质优异。它具有优良的耐化学腐蚀性、耐高温性、良好的物理机械性能、以及尺寸稳定等特点,因此被广泛应用于航空航天和电子电器等领域。但是由于其分子链中有苯环刚性结构,导致了聚苯硫醚树脂较脆以及断裂伸长率低等缺陷,从而限制了聚苯硫醚更广泛的应用。因此对聚苯硫醚及其增强增韧复合材料的研究具有重要的意义。本课题选用碳纤维、弹性体(包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物和苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物接枝马来酸酐)、无机纳米粒子(纳米二氧化硅和纳米四氧化三铁)以及尼龙6等为增强增韧填料,采用简单熔融共混的方法制备了聚苯硫醚基复合材料,并通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、HAAKE转矩流变仪、差示扫描量热仪(DSC)、宽频介电常数测试仪、同步热分析仪(STA)、动态机械分析仪(DMA)、热变形维卡温度测定仪以及电子万能试验机等研究了基体、填料以及复合材料的表面断面形貌、结晶性能和行为、熔体流动性能、介电性能、耐热性能及力学性能等。分析了分散相的性质、含量、表面处理以及形貌特点等对复合材料性能的影响。(1)聚苯硫醚/碳纤维复合材料的制备、结构与性能采用熔融共混的方法制备了PPS/CF增强复合材料。冲击断面形貌研究结果表明CF均匀分布在PPS基体中,复合材料的断面形貌随着CF的加入变得粗糙,由此可以说明增强相CF和基体相PPS间有良好的界面作用。力学性能测试结果表明,与纯PPS基体相比,PPS/CF复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及冲击强度等均得到了明显的提高,当体系中CF含量为18wt~20wt%时,复合材料的拉伸和弯曲强度最大为117.8 MPa和178.1 MPa,且体系的冲击强度则达到38.7 kJ/m2。通过对复合材料结晶性能和结晶行为的研究表明CF在体系中起到了异相成核的作用,加速了复合材料中PPS组分的结晶速率,同时也降低了其结晶度,但对基体相的结晶晶型没有产生影响。介电性能和导电性能测试结果表明,CF的加入明显地提高了基体的体积电导率和介电常数,复合材料的最大体积电导率为3.0×10-3 S/m。维卡软化温度、STA和DMA测试结果表明复合材料的耐热性能随着CF含量的增加而改善,储能模量和玻璃化转变温度也随CF含量的增加有所提高。(2)聚苯硫醚/弹性体复合材料的制备、结构与性能选用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物(SBS)和苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物接枝马来酸酐(SEBS-g-MAH)两种弹性体对PPS进行增韧改性。冲击断面形貌结果说明SEBS-g-MAH与基体PPS间相容性较好,而SBS与基体相PPS间存在较为明显的两相界面。力学性能测试结果表明采用弹性体SBS和SEBS-g-MAH可以明显的提高PPS的冲击强度,相对于纯PPS基体,SBS和SEBS-g-MAH增韧PPS复合材料的冲击强度分别提高了33%和50%,最大值分别为30.5 kJ/m2和34.4 kJ/m2,但是复合材料的拉伸强度和弯曲强度均有不同程度的下降。由于弹性体的耐热性相对于基体来讲较差,因此STA和维卡软换温度测试结果表明复合材料的耐热性能有所下降。弹性体的加入增大了体系中PPS组分分子链段运动的空间位阻,因而使得其玻璃化转变温度升高且同时降低了其结晶度。弹性体增韧PPS复合材料体系具有高介电常数和低介电损耗的特性。综合分析SBS和SEBS-g-MAH对PPS的改性效果可知,相对于PPS/SBS复合材料体系,PPS/SEBS-g-MAH复合材料的抗冲击性能较好且对其他性能的影响较小。(3)聚苯硫醚/无机纳米粒子复合材料的制备、结构与性能采用熔融共混的方法分别制备了纳米二氧化硅(nano-SiO2)和纳米四氧化三铁(nano-Fe3O4)增韧增强PPS复合材料。经过表面化学处理后nano-SiO2和nano-Fe3O4的团聚现象得到了明显改善,扫面电镜结果显示无机纳米粒子在复合材料中实现了良好的分散,且可以看出表面处理后无机纳米粒子与基体粘结作用增强。力学性能测试结果表明nano-SiO2和nano-Fe3O4在改善材料韧性的同时也起到了增强作用,材料的拉伸强度和弯曲强度得到明显的提高,在PPS/ nano-Fe3O4复合体系中,材料的最大拉伸强度和弯曲强度分别为56.53 MPa和120.14 MPa,经表面处理的nano-SiO2改性PPS复合材料的最大拉伸强度和弯曲强度为53.24 MPa和97.27 MPa,且其冲击强度分别达到22.98 kJ/m2和15.91 kJ/m2。DSC测试结果表明纳米粒子可以加快PPS的结晶速率并提高结晶温度,但结晶度减小。纳米粒子增韧增强PPS复合材料具有更加优异的耐热性能和介电性能。对比发现,在含量相同的情况下经表面处理的nano-Fe3O4对PPS的增韧增强作用要优于经表面处理的nano-SiO2。(4)聚苯硫醚/尼龙6/环氧树脂三组分复合材料的制备、结构与性能以环氧树脂(ER)作为增容剂,采用熔融共混的方法制备了PPS/PA6/ER复合材料。通过对复合材料体系性能的测试结果表明,当三者组成比为PPS:PA6:ER=100:10:10(质量份)时,复合材料的力学性能得到了明显的改善,复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别达到83.10 MPa和131.09 MPa,且冲击强度为38.79 kJ/m2。同时,PA6和ER的加入对复合材料的结晶性能、耐热性能和介电性能等产生了影响。

全文目录

摘要  7-10
Abstract  10-13
第一章导论  13-33
  1.1 聚苯硫醚简介及其发展概况  13-16
    1.1.1 聚苯硫醚简介  13-14
    1.1.2 聚苯硫醚的主要性能特点  14-16
  1.2 聚苯硫醚的改性  16-28
    1.2.1 聚合物的改性  16
    1.2.2 聚苯硫醚的共混改性  16-28
  1.3 本课题的研究内容  28
  1.4 参考文献  28-33
第二章聚苯硫醚/碳纤维复合材料体系性能研究  33-53
  2.1 引言  33
  2.2 实验部分  33-36
    2.2.1 实验试剂及药品  33
    2.2.2 实验仪器  33-34
    2.2.3 实验步骤  34
    2.2.4 性能测试与表征  34-36
  2.3 结果与讨论  36-50
    2.3.1 碳纤维的加入对复合材料熔体流动性的影响  36-37
    2.3.2 聚苯硫醚/纤维复合材料的断面结构与形态  37-38
    2.3.3 聚苯硫醚/纤维复合材料的结晶性能  38-42
    2.3.4 聚苯硫醚/碳纤维复合材料的耐热性能  42-45
    2.3.5 聚苯硫醚/碳纤维复合材料的导电性能及介电性能  45-47
    2.3.6 聚苯硫醚/碳纤维复合材料的力学性能  47-50
  2.4 本章小结  50-51
  2.5 参考文献  51-53
第三章聚苯硫醚/弹性体复合材料体系性能研究  53-78
  3.1 引言  53
  3.2 实验部分  53-56
    3.2.1 实验试剂及药品  53-54
    3.2.2 实验仪器  54
    3.2.3 实验步骤  54-55
    3.2.4 性能测试与表征  55-56
  3.3 结果与讨论  56-75
    3.3.1 聚苯硫醚/弹性体复合体系的形态与结构  56-58
    3.3.2 聚苯硫醚/弹性体复合体系的力学性能  58-63
    3.3.3 聚苯硫醚/弹性体复合体系的结晶性能  63-67
    3.3.4 聚苯硫醚/弹性体复合体系的耐热性能  67-70
    3.3.5 聚苯硫醚/弹性体复合体系的介电性能  70-73
    3.3.6 聚苯硫醚/弹性体复合体系的动态力学性能  73-75
  3.4 本章小结  75-76
  3.5 参考文献  76-78
第四章聚苯硫醚/无机粒子复合材料体系性能研究  78-111
  4.1 引言  78
  4.2 实验部分  78-81
    4.2.1 实验试剂及药品  78-79
    4.2.2 实验仪器  79
    4.2.3 实验步骤  79-80
    4.2.4 性能测试与表征  80-81
  4.3 结果与讨论  81-107
    4.3.1 无机纳米粒子表面改性前后TEM 表征  81-83
    4.3.2 聚苯硫醚/无机纳米粒子复合材料的形态与结构  83-85
    4.3.3 聚苯硫醚/无机纳米粒子复合材料的力学性能  85-90
    4.3.4 聚苯硫醚/无机纳米粒子复合材料的结晶性能  90-95
    4.3.5 聚苯硫醚/无机纳米粒子复合材料的耐热性能  95-99
    4.3.6 聚苯硫醚/无机纳米粒子复合材料的介电性能  99-102
    4.3.7 聚苯硫醚/无机纳米粒子复合材料的动态力学性能  102-107
  4.4 本章小结  107-108
  4.5 参考文献  108-111
第五章聚苯硫醚三组分复合材料体系性能研究  111-135
  5.1 引言  111
  5.2 实验部分  111-114
    5.2.1 实验试剂及药品  111-112
    5.2.2 实验仪器  112
    5.2.3 实验步骤  112-113
    5.2.4 性能测试与表征  113-114
  5.3 结果与讨论  114-131
    5.3.1 聚苯硫醚三组分复合材料熔体流动性的研究  114-115
    5.3.2 聚苯硫醚三组分复合材料的形态与结构研究  115-116
    5.3.3 聚苯硫醚三组分复合材料的力学性能研究  116-119
    5.3.4 聚苯硫醚三组分复合材料的结晶性能研究  119-124
    5.3.5 聚苯硫醚三组分复合材料的耐热性能研究  124-126
    5.3.6 聚苯硫醚三组分复合材料的介电性能研究  126-128
    5.3.7 聚苯硫醚三组分复合材料的动态力学性能  128-131
  5.4 本章小结  131
  5.5 参考文献  131-135
第六章结论与展望  135-138
  6.1 结论  135-137
  6.2 展望  137-138
攻读学位期间参加学术会议及发表学术论文目录  138-139
致谢  139

聚苯硫醚复合材料中分散相性质和形貌特点对体系性能的影响

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