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高性能聚苯硫醚(PPS)纤维研究进展与展望

张须臻  张坤  李刚  赵晓燕  武永涛  陈文萍  陈龙  孙宾  张瑜  陈彦模  朱美芳  
【摘要】:聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide,简称PPS),是一种新型高性能热塑性树脂,具有机械强度高、耐高温、耐化学药品性、难燃、热稳定性好、电性能优良等优点。随着环保问题的日益突出,PPS纤维作为一种在过滤领域有突出作用的高性能纤维,在世界市场上的需求量与日俱增,而作为高性能的基础材料,PPS也是国家开发尖端技术、军事器械和各行业急需的新材料。PPS研发水平的进步,对推进我国整体科技水平,带动国民经济的发展,实现我国经济腾飞具有极其重要的科学意义和现实意义。以印度Natl Chem Lab为代表的世界诸多科研机构一直致力于PPS的改性和功能化研究,研究主要集中在提高PPS的力学性能、热稳定性、光学稳定性、电性能、耐磨性等。同时PPS的改性向精细化、多元化方向发展,即将高聚物、金属、无机材料系统集成应用,极大拓展PPS未来的发展空间。但是PPS现存的光老化性能差,耐冲击性能不足,加工性有待提高的问题仍未得到有效解决。课题组针对PPS现存的不足,以提高PPS综合性能为主要目的,系统研究了PPS新的合成和加工方法。工业合成PPS往往存在提纯效果不佳、分子量过低进而影响PPS性能的问题。本课题组经过探索,改进合成工艺,经过中试放大研究后,得到PPS树脂灰份由小试的1.3%下降到0.3%左右,杂质离子去除率明显提高。后处理增加酒精、丙酮的煮洗后,PPS在200℃失重在0.2%以下,有效地去除了挥发性物质,熔融指数在110左右,明显优于小试合成的树脂。PPS的熔点较高,而在纺丝加工过程中高温却极容易引起PPS熔体的碳化,对此,我们采用"一步法"制备超支化聚苯硫醚,并以此与线性PPS进行复合,再加以牵伸处理。在TGA曲线上可以看出,HPPS的Td是453.8℃,比PPS高约50℃。在加工时,纯PPS纤维可牵伸到3.2倍,纤维颜色均匀,无毛丝生成;当继续牵伸到3.5倍时,冷盘和筒管上出现大量毛丝,且时常断丝,无法牵伸。而HPPS改性PPS纤维的牵伸倍数可提高到3.5倍,且牵伸过程中无毛丝生成,牵伸连续,牵伸后的纤维的光泽度大大提高。可见HPPS的加入对PPS纤维的可牵伸性能改善非常明显。由于分子链中苯环结构较多,PPS的分子链张力很大,当受到能量较高的光线尤其是紫外光照射时容易发生链断裂,宏观表现为光老化性不足。我们通过熔融共混的方法制备PPS/苯并三唑/纳米TiO2体系,研究了光稳定剂的加入对PPS的影响。通过TGA、DSC表征PPS共混体系的热性能,结果表明该类光稳定剂的加入不会影响PPS本身的耐高温性,对PPS的结晶具有促进作用。对紫外光照50小时前后PPS共混纤维色度变化(△E)及力学性能变化进行了表征,结果表明苯并三唑对PPS纤维受紫外光照后色度变深程度的降低有明显作用,而苯并三唑/纳米TiO2的复配添加,在降低色度变化程度的同时还能显著提高光照前后纤维具有(或保持)的力学性能。PPS的另外一个缺陷是脆性大,断裂伸长率较小。我们在PPS中加入纳米SiO2颗粒,并对复合体系的进行了一系列的表征。SEM图像中可以看到,在相当大的范围内,SiO2非常均匀的分散在PPS基体中。DSC测试过冷度(△Tc)随着SiO2添加量的增加呈逐渐增大的趋势,说明SiO2的加入使体系的结晶能力下降。无机纳米颗粒的加入使得复合体系的断裂伸长率和断裂功都有大幅度增加,在含量为5%时达到最大值,体系的断裂伸长率为34.8%,而断裂功达到7.6J,比纯PPS提高了3倍,这说明体系的拉伸韧性得到了很好的提高。而流变测试表明少量纳米SiO2的添加并没有影响PPS体系的流动性。另外,课题组还探索出了一套适合于工业化生产的聚苯硫醚纺丝成型加工工艺,并以此为依据,对纺丝成形设备进行改制设计,自制了符合PPS及PPS复合树脂纺丝特性的专用纺丝机。

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