PPE-g-MAH相容剂对增强PPE/PA66合金体系性能影响的研究

刘 峰, 曹金波, 郑伯林

(1.宁波华腾首研新材料有限公司，浙江宁波 315400；2.北京市化学工业研究院有限责任公司，北京 100084)

0 前言

聚苯醚(PPE)具有优良的力学性能、耐热性、电气绝缘性、耐水性和尺寸稳定性，具备力学强度高及在高温下蠕变性较好等优点，但也存在黏度大、加工困难等缺点[1-2]。目前,通常采用高抗冲聚苯乙烯(HIPS)对PPE进行改性，可以提高PPE的加工性，实现改性PPE的工业化[3]。虽然PPE/HIPS具有许多优异的性能，但是PPE/HIPS的热变形温度(HDT)低、耐油性和耐有机溶剂性差，使其应用受到了一定的限制。

尼龙(PA)是结晶性聚合物，具有较好的耐油性和耐有机溶剂性。将结晶性和亲水性高的PA与PPE共混，可以改善PPE的耐热性、耐油性、耐有机溶剂性，从而克服PPE/HIPS合金的不足，使改性后的PPE更好地满足汽车工业对高性能材料的需求[4]。

PPE是非结晶性聚合物，PA是结晶性聚合物，二者完全不相容。两种不相容聚合物简单共混后得到的共混物，分散颗粒粗大，且分布不均匀，连续相和分散相之间的界面黏结强度弱导致力学性能差;为此，PPE与PA合金化的关键是解决二者之间的相容性[5]，而加入马来酸酐接枝聚苯醚(PPE-g-MAH)可以有效解决这一问题[6]。

笔者研究了不同含量的相容剂对增强PPE/尼龙66(PA66)合金材料性能的影响。根据PPE特性黏度的不同分为PPE-35/PA66和PPE-45/PA66两种体系，比较了PPE-g-MAH相容剂对PPE/PA66合金材料拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、热变形温度(HDT)、熔体质量流动速率(MFR)的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PPE，LXR035(简称PPE-35)，特性黏度为33～35 dL/g，蓝星山西芮城新材料有限公司；

PPE，LXR045(简称PPE-45)，特性黏度为43～47 dL/g，蓝星山西芮城新材料有限公司；

PA66，EPR27,神马化工有限公司；

PPE-g-MAH相容剂，牌号为450C，宁波市能之光新材料有限公司；

PPE-g-MAH相容剂，牌号为CX-1，创之源新材料科技有限公司；

润滑剂，中蓝晨光化工设计研究院有限公司；

主抗氧剂，牌号为1098,市售;

辅助抗氧剂，牌号为168，市售。

1.2 主要仪器与设备

同向平行双螺杆挤出机，ZSK-30型，螺杆长径比为44∶1，南京瑞亚挤出机械制造有限公司；

注塑机，MA600/150型，南京橡塑机械厂有限公司；

电子万能试验机，CMT6104型，美特斯工业系统(中国)有限公司；

摆锤冲击试验机，ZBC7151-B型，美特斯工业系统(中国)有限公司；

MFR测试仪，XNR400A型，承德市金建检测仪器有限公司；

热变形维卡试验仪，RV-300A型，承德精密试验机有限公司。

1.3 样品制备

在不同配比的PPE树脂与PA66树脂的混合料中分别添加质量分数为0%、5%、10%、15%、20%的PPE-g-MAH相容剂，然后加入一定比例的主抗氧剂1098和辅助抗氧剂168进行混合，得到含有不同配比PPE-g-MAH相容剂的混合料。将混合料经计量称计量并与侧喂料的玻璃纤维增强材料一起，在直径为30 mm的双螺杆挤出机上进行塑化、混炼、挤出、冷却及造粒，得到含有不同配比的PPE-g-MAH相容剂增强PPE/PA66合金材料。

将上述加工后的PPE/PA66合金材料在120 ℃下干燥3 h后，在注塑机上分别注塑成各种所需测试样条，注塑温度为275～300 ℃。将测试的样条在室温干燥环境下放置24 h以上，使样条状态完全达到平衡，再进行各项测试分析。

1.4 配方体系

玻璃纤维增强PPE/PA66合金材料配方见表1。

表1 玻璃纤维增强PPE/PA66合金材料配方

1.5 测试与表征

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006 《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》进行测试，拉伸速率为10 mm/min；

弯曲性能按GB/T 9341—2008 《塑料 弯曲性能的测定》进行测试，加载速率为5 mm/min；

简支梁非缺口冲击强度和简支梁缺口冲击强度按GB/T 1043.1—2008 《塑料 简支梁冲击性能的测定 第1部分：非仪器化冲击试验》进行测试，测试温度为23 ℃，摆锤能量为4 J；

MFR按GB/T 3682—2000 《热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》进行测试，测试条件为300 ℃/5.0 kg；

HDT按GB/T 1634.2—2019 《塑料 负荷变形温度的测定 第2部分:塑料和硬橡胶》进行测试，负荷为1.80 MPa；

每组样品测试5次，结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 PPE-g-MAH相容剂质量分数对拉伸强度和弯曲强度的影响

添加质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%PPE-g-MAH相容剂后的PPE/PA66合金材料，其拉伸强度、弯曲强度见图1。由图1可以看出：未添加相容剂的PPE/PA66合金材料的拉伸强度与弯曲强度分别为163 MPa和229 MPa；未添加PPE-g-MAH相容剂时，PPE与PA66的界面存在较大的应力，相容性较差，因此拉伸强度和弯曲强度较低,添加PPE-g-MAH相容剂后，MAH基团与PA66的端氨基发生反应，形成了稳定的界面相结构，使分散相和连续相均匀，从而提高了两相间的界面相容性，降低了界面间张力，使拉伸强度和弯曲强度得到了提高[7]。当PPE-g-MAH相容剂质量分数为10%时，PPE/PA66合金材料的拉伸强度和弯曲强度均达到了最佳。随着PPE-g-MAH相容剂含量的增加，依靠MAH与PA66端氨基发生反应来提高两相合金相容性已经达到饱和，拉伸强度不再增加，继续增加PPE-g-MAH相容剂反而使力学性能降低[8];所以PPE/PA66合金材料的拉伸强度和弯曲强度随PPE-g-MAH相容剂质量分数增加呈现先增后降趋势。

(a) 拉伸强度

(b) 弯曲强度

2.2 PPE-g-MAH相容剂质量分数对缺口冲击强度和非缺口冲击强度的影响

添加质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%PPE-g-MAH相容剂后的PPE/PA66合金材料，其缺口冲击强度、非缺口冲击强度见图2。

(a) 缺口冲击强度

(b) 非缺口冲击强度

由图2(a)可以看出：未添加相容剂的PPE/PA66合金材料的缺口冲击强度为11 kJ/m2；当PPE-g-MAH相容剂的质量分数由5%增加至10%时，PPE/PA66合金材料的缺口冲击强度由11.5 kJ/m2增加到12.5 kJ/m2;当PPE-g-MAH相容剂质量分数由10%增加至20%时，PPE/PA66合金材料的缺口冲击强度由12.5 kJ/m2降至12.4 kJ/m2;当PPE-g-MAH相容剂质量分数为10%时，PPE/PA66合金材料的缺口冲击强度为最佳。

由图2(b)可以看出:未添加PPE-g-MAH相容剂的PPE/PA66合金材料的非缺口冲击强度为59.6 kJ/m2；当添加PPE-g-MAH相容剂的质量分数由5%增加至10%时，PPE/PA66合金材料的非缺口冲击强度由82.6 kJ/m2增加至 89.7 kJ/m2；当添加PPE-g-MAH相容剂的质量分数由10%增加至20%时，PPE/PA66合金材料的非缺口冲击强度由89.7 kJ/m2降至82.2 kJ/m2;当添加相容剂的质量分数为10%时，PPE/PA66合金材料的非缺口冲击强度为最佳。随着PPE-g-MAH相容剂含量的增加，PPE-g-MAH相容剂对PPE/PA66合金材料的浸润性好，界面层厚度增加;当界面层受到外力作用时，基体更容易在应力集中处发生变形，生成大量微裂纹，从而吸收外力冲击能，获得更理想的增韧效果[9]，耐冲击性能提高。

2.3 PPE-g-MAH相容剂质量分数对PPE/PA66合金材料的HDT及MFR的影响

添加质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%PPE-g-MAH相容剂后PPE/PA66合金材料的HDT见图3。

图3 不同质量分数PPE-g-MAH相容剂的PPE/PA66合金材料的HDT

由图3可以看出：未添加PPE-g-MAH相容剂的PPE/PA66合金材料的HDT为231 ℃；当添加PPE-g-MAH相容剂的质量分数为5%、10%、15%时，HDT均为230 ℃；当添加PPE-g-MAH相容剂的质量分数为20%时，HDT为228 ℃。由于PPE-g-MAH相容剂质量分数增加，PPE/PA66合金材料的软化点降低，导致HDT呈下降趋势。当添加PPE-g-MAH相容剂的质量分数在5%～10%时，HDT最佳。

PPE/PA66合金材料的流动性可用MFR来表征。一般来说，MFR越高，表明材料的流动性越好。含有质量分数为0%、5%、10%、15%、20%PPE-g-MAH相容剂的PPE/PA66合金材料,其MFR见图4。

图4 不同质量分数PPE-g-MAH相容剂的PPE/PA66合金材料的MFR

由图4可以看出:PPE/PA66合金材料的MFR随PPE-g-MAH相容剂质量分数的增加呈线性增加趋势。与纯PPE树脂相比，PPE-g-MAH黏度较低，加工流动性较好；随着PPE-g-MAH相容剂质量分数的增加，PPE/PA66合金材料的黏度降低，提高了加工流动性。

2.4 不同牌号的PPE-g-MAH相容剂对PPE/PA66合金材料性能的影响

分别选择牌号为450C和CX-1的PPE-g-MAH相容剂，在质量分数为10%时，研究不同牌号PPE-g-MAH相容剂对PPE/PA66合金材料性能的影响。添加不同牌号PPE-g-MAH相容剂的PPE/PA66合金材料配方见表2。

表2 添加不同牌号PPE-g-MAH相容剂的PPE/PA66合金材料配方

添加不同牌号PPE-g-MAH相容剂的PPE/PA66合金材料的性能对比见表3。由表3可以看出:添加质量分数为10%的不同牌号的PPE-g-MAH相容剂，得到的PPE/PA66合金材料性能不同;添加CX-1的PPE/PA66合金材料性能优于添加450C的PPE/PA66合金材料。

表3 不同牌号PPE-g-MAH相容剂增强PPE/PA66合金材料性能对比

2.5 不同特性黏度PPE树脂对PPE/PA66合金材料性能的影响

考察不同特性黏度PPE树脂对PPE/PA66合金材料性能的影响,合金材料配方见表4。

表4 不同特性黏度PPE树脂的合金材料配方

不同特性黏度PPE树脂的PPE/PA66合金材料性能对比见表5。

表5 不同特性黏度PPE树脂的PPE/PA66合金材料性能对比

由表5可以看出:当PPE-g-MAH相容剂的质量分数相同时，由PPE-45树脂制备的PPE-45/PA66合金材料，拉伸强度和弯曲强度分别为193 MPa和282 MPa；由PPE-35树脂制备的PPE-35/PA66合金材料，拉伸强度和弯曲强度分别为186 MPa和276 MPa。添加PPE-45树脂的合金材料性能优于PPE-35树脂，这是由于合金材料的强度由主体树脂PPE决定。PPE-35/PA66和PPE-45/PA66的缺口冲击强度相差不大，PPE-35/PA66合金材料的熔体流动性优于PPE-45/PA66合金材料。

3 结语

(1) 增强PPE/PA66合金材料中，拉伸强度、弯曲强度都随PPE-g-MAH质量分数的增加呈现先增加后稳定的趋势。PPE-45/PA66体系的拉伸强度和弯曲强度普遍优于PPE-35/PA66体系；PPE-45/PA66体系冲击强度优于PPE-35/PA66体系。PPE-g-MAH相容剂质量分数为10%时，性能最佳。

(2) 增强PPE/PA66合金材料中，HDT随PPE-g-MAH含量的增加而呈降低趋势，而MFR随PPE-g-MAH含量增加呈线性递增趋势。PPE-35/PA66体系的HDT略低于PPE-45/PA66体系，但差别不大。PPE-35/PA66体系的MFR高于PPE-45/PA66体系。