含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮共混及填充改性

含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮共混及填充改性

论文摘要

含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮树脂(PPESK)是一类新型高性能工程塑料,既耐高温又可溶解,综合性能优于传统耐高温树脂,性价比高,是制备高性能树脂基复合材料的理想基体选材,具有很好的应用前景。但其熔体粘度高,热成型加工较难,限制了其更广泛的应用,急需适当改性。本论文采用熔融挤出的方式对PPESK进行共混改性,系统研究了改性后材料的结构与性能的内在联系。并在此基础上,又用固体润滑剂对改性后PPESK进行填充改性,制备了PPESK树脂基自润滑复合材料,重点考察了复合材料的机械性能和摩擦磨损性能。采用双酚A型聚砜(PSF)对PPESK进行熔融共混改性,对不同含量共混物的结构和主要性能进行了系统研究。采用溶解度参数、差示扫描量热法(DSC)、界面张力、傅立叶红外(FT-IR)、扫描电镜(SEM)等方法和手段对该共混体系的相行为进行了研究。PSF与PPESK的溶解度参数差值较小,仅为0.25(J/ml)1/2,预示二者有较好的相容能力。所研究组分在其组成范围内,相对于两个均聚物,共混物有2个向中间靠拢的玻璃化转变温度,表明为部分相容体系。由接触角测试结果计算得到PSF、PPESK表面张力进而求得二者的界面张力γ12为0.86mN·m-1,粘附强度为69.33mN·m-1,表明相界面间有较高粘合力。从SEM微观断面形貌图中观察到共混物相界面较模糊,两相间结合较好。在此基础上,对共混物的流变、力学和耐热性能进行了系统研究。结果表明,PSF的引入显著改善了PPESK的熔融加工性能,共混物在PSF含量较低时呈现典型的假塑性流体特征;随着PSF含量的增加,熔体流动粘度降低,熔体更倾向于牛顿流体;在PSF含量超过20wt%以后便可以顺利挤出注塑成型。共混物耐热性有所下降,PSF含量为40wt%时,热变形温度为195℃,与PPESK相比下降近60℃;5%热失重温度为481℃,与PPESK相比下降近10℃。共混物的力学强度在PSF含量低于40wt%时变化不大,拉伸强度达80MPa,弯曲强度在117MPa以上,PSF含量超过40wt%,力学强度下降明显。采用熔融挤出的方法制备了不同配比的PPESK和聚芳醚腈(PEN)共混物,系统研究了不同含量共混物的结构与性能。对该共混体系的相容性进行预测和表征,结果表明PPESK与PEN的溶解度参数相差较小(0.34(J/ml)1/2),预示二者有一定的相容性;相对于PPESK、PEN均聚物,共混物有两个向中间靠拢的玻璃化转变温度,表明PPESK/PEN为部分相容体系。计算得到PPESK、PEN的粘附功为67.93mN·m-1,界面张力为0.12mN·m-1,表明二者之间的界面粘结性能较好;在SEM微观断面形貌图中发现共混物相界面较模糊,两相之间结合较好。共混物的加工性及力学性能结果表明,加入少量PEN(20wt%),共混物的熔体粘度仍然较大,挤出样条内部有明显缺陷,导致力学性能较低,拉伸强度仅为72MPa;在PEN含量达40wt%后,共混物的挤出工艺得到改善,共混物力学强度保持较高值,拉伸和弯曲强度分别为81MPa和126MPa;再增加PEN含量,共混物的力学强度略有增大。热失重分析表明,PEN的引入并没有明显降低PPESK的热稳定性,共混物的5%热失重温度均高于484℃。在改善PPESK树脂熔融加工性的基础上,添加聚四氟乙烯(PTFE)细粉,通过熔融共混改性的方法制备了可注塑加工的改性聚醚砜酮(m-PPESK)/PTFE耐磨自润滑共混材料,考察了m-PPESK/PTFE的力学性能、耐热性及摩擦磨损性能。结果表明,在PTFE含量低于15wt%时,m-PPESK/PTFE复合材料拉伸强度高于72MPa,弯曲强度在105MPa以上,其热变形温度与m-PPESK基体相当。利用M-200型磨损实验机对其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行了系统研究,结合SEM磨损表面形貌照片分析了复合材料的摩擦磨损机理。结果表明,PTFE的加入显著降低了m-PPESK树脂的摩擦系数和磨耗,PTFE含量为25wt%时,摩擦系数降至0.14,磨损率下降为1.8×10-5mm3(N·m)-1,但此时拉伸强度下降幅度较大,仅为49MPa。m-PPESK/PTFE共混材料的磨损机理主要表现为:较低PTFE含量时和摩擦初期以磨粒磨损为主,较高PTFE含量时和摩擦后期以粘着磨损为主。采用熔融挤出填充改性的方法制备了可注塑加工的m-PPESK/石墨(Graphite)自润滑复合材料。力学测试结果表明,随着石墨含量的增加,复合材料的拉伸强度呈现降低的趋势,但在石墨含量低于20wt%时,拉伸强度仍在65MPa以上。复合材料的热变形温度随着石墨含量的增加而略有升高,比PPESK基体提高近10℃。干摩擦条件下的摩擦磨损性能结果表明,石墨的加入显著降低了PPESK树脂的摩擦系数和磨耗,在石墨含量为30wt%时,摩擦系数降为0.11,磨损率也降至1.3×10-5mm3(N·m)-1,此时拉伸强度为51MPa。磨损表面的SEM形貌分析表明,较低石墨含量时,磨粒磨损起主要作用;增加石墨含量,磨粒磨损减轻,粘着磨损占主导地位。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 引言
  • 1 文献综述
  • 1.1 耐高温高性能聚芳醚概述
  • 1.1.1 高性能聚芳醚主要品种
  • 1.1.2 高性能聚芳醚的共混改性
  • 1.2 高性能树脂基耐磨复合材料
  • 1.2.1 耐磨填料的种类及特点
  • 1.2.2 主要高性能树脂基耐磨复合材料
  • 1.3 含二氮杂萘酮结构的高性能聚合物及其改性研究进展
  • 1.3.1 含二氮杂萘酮结构的高性能聚合物的开发
  • 1.3.2 含二氮杂萘酮结构的高性能聚合物共混改性
  • 1.3.3 含二氮杂萘酮结构的高性能聚合物填充改性
  • 1.4 本论文的工作目的
  • 2 含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮与聚砜共混物的结构与性能
  • 2.1 实验部分
  • 2.1.1 主要原材料
  • 2.1.2 共混物的制备
  • 2.1.3 性能测试
  • 2.2 结果与讨论
  • 2.2.1 共混物相行为
  • 2.2.2 耐热性
  • 2.2.3 加工及流变性能
  • 2.2.4 力学性能
  • 2.3 本章小结
  • 3 含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮与聚芳醚腈共混物的结构与性能
  • 3.1 实验部分
  • 3.1.1 原料
  • 3.1.2 共混物的制备
  • 3.1.3 性能测试
  • 3.2 结果与讨论
  • 3.2.1 共混物相行为
  • 3.2.2 热稳定性
  • 3.2.3 加工性能
  • 3.2.4 力学性能
  • 3.3 本章小结
  • 4 聚四氟乙烯共混改性含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮
  • 4.1 实验部分
  • 4.1.1 原材料
  • 4.1.2 共混材料的制备
  • 4.1.3 性能测试
  • 4.2 结果与讨论
  • 4.2.1 力学性能
  • 4.2.2 热性能
  • 4.2.3 摩擦磨损性能
  • 4.3 本章小结
  • 5 石墨填充改性含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮
  • 5.1 实验部分
  • 5.1.1 原材料
  • 5.1.2 复合材料的制备
  • 5.1.3 性能测试
  • 5.2 结果与讨论
  • 5.2.1 力学性能
  • 5.2.2 热性能
  • 5.2.3 摩擦磨损性能
  • 5.3 本章小结
  • 结论
  • 创新点摘要
  • 参考文献
  • 附录A 论文中主要符号和缩写的意义
  • 攻读博士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢
  • 相关论文文献

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