PPO改性PVC泡沫材料的制备与性能*

何　栋，唐　婷

(西安航空职业技术学院，陕西西安 710089)



PPO改性PVC泡沫材料的制备与性能*

何栋，唐婷

(西安航空职业技术学院，陕西西安 710089)

摘要：将聚苯醚(PPO)与聚氯乙烯(PVC)共混，通过模压发泡方法制备了PVC/PPO泡沫材料。通过SEM观察了泡沫塑料的微观结构，利用DSC对复合材料的热性能进行了分析，并研究了材料的尺寸稳定性和吸水性。结果表明：泡沫塑料的泡孔细小、均匀、致密，泡孔的孔径为150μm～200μm；PPO的加入，明显改善了复合材料的耐热性能，减小了吸水率。

关键词：聚氯乙烯，聚苯醚，泡沫材料，耐热性能

泡沫塑料是以树脂为基础制成的内部含有无数微小泡孔的塑料制品，又称为微孔塑料或多孔塑料，也可以看成是一种以气体为填料的复合材料，由气体相、固体相和气固两相间的织态结构组成。泡沫塑料具有轻质、隔热、隔音、绝缘等特点，在工业、农业、建筑、交通运输等领域得到广泛应用[1-2]。目前，国外已经把高性能泡沫塑料作为承载的结构材料在航空、航天、交通运输等领域使用，如卫星太阳能电池的骨架、火箭前端的整流罩等。随着塑料原料工业的迅速发展及泡沫塑料制造工艺和设备的不断改进，泡沫塑料制品的性能要求不断提高，除要求泡沫塑料轻质外，还要求其具有较高的强度、刚度和耐热性。传统的泡沫塑料已不能满足这些特殊要求。因此，高性能化已成为泡沫塑料研究的新方向和热点[2-3]。

聚氯乙烯(PVC)泡沫材料是世界上三大泡沫材料之一，具有良好的物理性能、阻燃性能、耐化学性能和绝缘性能，且能隔音、防震，原料来源丰富、价格低廉等[4]。虽然早在上世纪中叶人们就已经能够制备各种 PVC 泡沫塑料，但是由于 PVC 泡沫塑料的强度、刚度以及耐热性总体上并不是很高，因此，研究者们采用了各种改性的途径，如用改性高聚物、添加各种增强和功能填料、改变泡体的结构等，以便不断扩大 PVC 泡沫塑料的用途[5-9]。目前，制备高性能的PVC泡沫塑料成为当今泡沫塑料研究领域的一大热点。聚苯醚(PPO)是一类耐高温的热塑性树脂，具有良好的力学性能、电性能、耐热性、阻燃性以及化学稳定性等，该实验通过共混的方式将有机填料PPO引入到PVC泡沫塑料之中，使泡沫的力学性能和热性能都有一定的提高。

1　实验部分

1.1实验材料

粉末聚氯乙烯：SG-5，平均聚合度1000，西安化工厂生产；偶氮二异丁腈(AIBN)：化学纯，上海山浦化工有限公司；发泡剂：分析纯，天津市津北精细化工有限公司；硬脂酸锌、硬脂酸钙：化学纯，天津市百世化工公司化学试剂厂；活性碳酸钙：工业级，浙江金丰纳米材料有限公司；碳酸氢钠：化学纯，西安化工厂；聚苯醚(PPO)：工业级，西安化工厂。

1.2实验主要仪器和设备

搅拌设备：QM-3SP4J行星式球磨机，南京大学仪器厂；FA25型高剪切分散乳化机，上海弗鲁克流体机械制造有限公司；试件压制：SL-45型45吨压力成型机，上海第一橡胶机械厂；DSC分析：2910型调制式热分析仪，美国TA仪器公司；SEM分析：JSM-6360LV型扫描电子显微镜，日本JEOL公司；尺寸稳定性测试：101-2型电热鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；耐水性测试：自制。

1.3实验步骤

1.3.1试样制备

硬制聚氯乙烯泡沫塑料的制备采用模压成型。先按一定比例称取PVC树脂、发泡剂、稳定剂等固体组分，将其置于球磨罐中，球磨一定时间使其充分混合均匀，再加入液体组分，配以一定量的溶剂，经高速剪切搅拌分散后，把得到的糊状混合物充入闭合模具中，将模具置于液压机上，加热加压使物料塑化成型，冷却后开模取出，得到泡沫塑料制品。进行后处理后，按照测试标准对泡沫塑料制品进行剪裁，对测试件进行性能测试(流程如图1)。

图1　实验流程图

1.3.2试样的热处理

将成型的泡沫通过不同加热和冷却的过程来进行热处理。将泡沫材料去除表皮后，置于60℃的烘箱中，保温20min，逐步升温至120℃，并保温5min，冷却至60℃结束。

1.4实验的测试与表征

(1)线收缩率测定

实验用试样为(120±1)mm×(15±1)mm×(10±1)mm直角形条状试样，测量误差为0.1mm，每块板上切取试样的数量不少于3个。将试样放在已加热至100℃的烘箱的托架上，经24h后取出试样，冷却至室温后测量，不应因热处理而使试样上出现鼓泡和挠曲，线收缩率X(%)按公式(1)计算：

(1)

式中：l0—试样的原始长度(cm)；l1—实验后试样的长度(cm)。

(2)密度测定

根据GB/T 6343-1995来测量PVC泡沫的密度。

将试样裁剪成(50±0.5)mm×(50±0.5)mm×(50±0.5)mm 直角正方形试样，然后进行称重，由公式(2)计算表观(体积)密度ρ。

(2)

(3)耐水性测定

实验用试样为(50±0.5)mm×(50±0.5)mm×(50±0.5)mm直角正方形试样，将试样置于常温水中浸泡48h，计算公式为(尺寸变化为△)：

(3)

式中：l0—试样各边的原始长度(cm)；l1—浸水后试样的长度(cm)。

实验中尺寸变化为试样各边尺寸变化的平均值。

(4)SEM观察

将复合材料样条置于-55℃液氮环境下脆断，断面喷金后，采用JSM-6360LV 型扫描电子显微镜观察其表面形貌。

(5)TG测试

N2气氛，升温速率为10℃/min，测试温度为室温至700℃。

(6)DSC分析

通过差示扫描量热法(DSC)来测试共聚物玻璃化温度，分析配方中各组份对玻璃化温度的影响及其相容性。

2　结果与讨论

2.1PPO对复合材料的影响

2.1.1PVC泡沫的微观结构

图2为PVC泡沫的微观结构SEM照片。本实验制备出了表观形态良好的PVC泡沫塑料。从图2(a)可以观察到，所制得的PVC泡沫塑料的泡孔之间均有完整的泡壁相隔，使其闭孔结构明显，孔径均匀，大小在150μm至300μm之间，泡孔不存在破裂和相通的情况。从图2(b)观察发现，泡孔结构完好，泡孔壁厚均匀且壁内表面基本平整。

图2　PVC泡沫塑料SEM照片

2.1.2PPO对复合材料线收缩率的影响

图3为100℃时，PPO的含量与泡沫材料的线收缩率的关系图。由图可知，随着PPO含量的增加，PVC泡沫的在100℃的线收缩率不断降低。出现这种情况的原因是，PPO的熔点为268℃具有很好的耐热性，并且PPO是刚性结构，主链上含有大量的苯环，这就使其熔融粘度很大，使PVC泡沫的流动性变差，同时PPO的加入还起到了阻止PVC变形的效果，所以PPO含量的增加会使PVC泡沫的线收缩率减小。

图3　PPO的含量与PVC泡沫的线收缩率的关系曲线

2.1.3PPO对复合材料密度的影响

图4为不同含量PPO的复合材料密度图。由图可知，PPO的加入可以明显提高PVC泡沫塑料的密度，随着PPO含量的提高，复合材料的密度也不断提高。这主要是由于PPO分子主链中含有大量的酚基芳香环，并且两个甲基封闭了酚基上两个临位的活性点，造成分子链本身具有较高的刚性和分子间有高的凝聚力，从而使其熔点较高，加工时粘度大，会阻碍PVC树脂的流动与变形，降低发泡倍率，使得泡沫密度变大。但是，当PPO含量过大时，生成的泡沫的密度会很大甚至不能发泡。

图4　PPO的含量与PVC泡沫塑料密度的关系曲线

2.2后处理对复合材料的影响

2.2.1后处理对泡沫塑料线收缩率的影响

图5为对PVC泡沫进行了后处理后，不同含量PPO的材料线收缩率的比较图。从图5可以看出，随着PPO含量的增加，PVC泡沫的线收缩率有一定的缩小，但相对后处理来看，PPO含量对PVC泡沫的性能的影响要比后处理的影响小得多。经过相应的后处理，含有不同比例PPO的PVC泡沫的热性能都提高了4至5倍。 这主要是由于经过热处理的泡沫体系内含有一定的交联网状结构，可以阻止PVC分子链的滑移和变形，使之收缩率减小，并且通过热处理的泡沫闭孔率上升，内部泡体结构的强度增大，从而有利于提高泡沫的尺寸稳定性。

图5　后处理对PVC泡沫塑料线收缩率的影响

2.2.2后处理对泡沫耐水性的影响

不同的后处理温度与PVC泡沫塑料吸水性能的关系如图6所示。随着后处理温度的上升，泡沫的吸水量在不断减小。出现这种现象的原因是，当泡沫进行热处理时，随着处理温度的不断上升，泡沫的闭孔率将不断增加而开孔率将不断减少，部分开孔的泡孔随温度升高而变软，消除了泡沫中的应力集中和残余应力，同时，孔壁变得更均匀，从而由开孔的泡孔转化为闭孔的泡孔，所以耐水性增强。当闭孔率上升到一定比例时，耐水性就不能再随温度增加而增加了。此外，经过热处理之后，泡沫中的小分子受热挥发，所以大大降低的体系中的小分子物质的含量，从而有利于提高PVC泡沫耐水性。

图6　后处理温度与PVC泡沫塑料吸水量的关系曲线

2.3PVC泡沫材料的热性能分析

图7是PVC泡沫的DSC曲线。由图7可知，曲线在93.0℃左右出现了一个小的吸收峰，表明 PVC泡沫玻璃化转变温度为93.0℃，相对于纯PVC(87℃)提高了6.89%。在181.7℃时，曲线出现了一个较为明显的吸收峰，对应温度为PVC泡沫的分解温度，相对于纯PVC(140℃)提高了40℃，说明经过后处理的泡沫具有良好的耐热性，使PVC泡沫的分解温度提高。在284.7℃又出现了一个小的吸收峰，表明PPO开始分解。PPO的主链中含有大量的苯环，且氧原子与苯环处于p-π共轭状态，分子链本身具有较高的刚性和分子间有高的凝聚力，因此聚苯醚有良好的热稳定性，它的加入，能够明显改善PVC泡沫的热稳定性。

图7　PVC泡沫的DSC曲线

3　结论

(1)将PPO引入到PVC树脂中，模压制备的泡沫塑料，泡孔细小、均匀、致密，泡孔的孔径为150μm～200μm。

(2)PPO的加入使PVC泡沫塑料的热性能得到明显改善，分解温度相对于纯PVC提高了40℃。

(3)经过后处理后，PVC泡沫塑料的吸水量明显下降，后处理温度为120℃时，相对于70℃提高了大约80%。

参考文献

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[4] 张京珍. 泡沫材料成型加工[M] . 第1版. 北京：化学工业出版社，2005：218- 219.

[5] 杨辉，齐暑华，赵小玲，等.改性纳米 CaCO3填充硬质PVC泡沫塑料的研究[J]. 塑料加工，2006(2)：28 -30.

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[9] 张广成，史爱华，潘恒太，等.低密度硬质交联PVC泡沫塑料的研究进展[J].工程塑料应用，2011，39(8)：88-91.

*基金项目：西安航空职业技术学院材料工程技术院级重点专业建设项目(2014JZ07)

中图分类号：TQ 325.3

Study on Preparing PVC Foam Modified by PPO

HE Dong，TANG Ting

(Xi’an Aeronautical Polytechnic University Institute，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Abstract：Poly(vinyl chloride)was blended by polyphenylene oxide(PPO)，then PPO/PVC foam plastics was prepared by moulding and foaming. The microstructure of foam was observed by SEM，the heat-resistant property was studied by DSC，and the thermal dimensional stability and water absorption of PVC foam were researched. The results showed that the bubble holes of foam were small，even，density，and the bubble holes have a diameter ranging 150μm～200μm. By adding PPO，the heat-resistant property of PVC foam plastics was improved and their water absorption rate was reduced.

Key words：poly(vinyl chloride)，polyphenylene oxide，foam，heat resistance