解析共混工藝對(duì)SEBS/PP熱塑性彈性體的力學(xué)性能的影響
2024-02-01
SEBS是熱塑性體SBS的加氫產(chǎn)物，SEBS分子中因碳—碳雙鍵被氫化飽和，因而具有耐老化、耐熱、耐壓縮變形性能，且安全無(wú)毒、綠色環(huán)保，在業(yè)界有“橡膠黃金”之稱(chēng)。
SEBS與聚丙烯(PP)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)硫化共混，融合成為一種卓越的熱塑性彈性體(TPV)。TPV獨(dú)擁有雙重的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，是由化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成。在化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，交聯(lián)的SEBS分散相在PP連續(xù)相中形成緊密的結(jié)構(gòu)。而在物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，交聯(lián)的SEBS微粒中的聚苯乙烯硬鏈與聚乙烯-聚丁二烯軟鏈相互交織，構(gòu)建出堅(jiān)固的鏈接。正是這種獨(dú)特的相態(tài)結(jié)構(gòu)，使得TPV在保持長(zhǎng)期彈性和耐油性上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的三元乙丙橡膠。
動(dòng)態(tài)硫化共混過(guò)程中，溫度、時(shí)間和轉(zhuǎn)速對(duì)最終的TPV的力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響。這些因素決定了共混的效果，進(jìn)而影響了TPV的力學(xué)性能。今天，我們將一同深入探討這些因素的具體影響原因，為大家揭示其中的奧秘。
隨著共混溫度的升高，TPV的拉伸強(qiáng)度與100%定伸應(yīng)力均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，斷裂伸長(zhǎng)率先降低后增加，撕裂強(qiáng)度先降低后增加再降低，硬度無(wú)明顯變化。
共混溫度對(duì)SEBS與PP的熔體黏度有著顯著影響，當(dāng)兩者的黏度相匹配時(shí)，共混物的相容性最佳，從而展現(xiàn)出卓越的綜合性能。為了確保PP與SEBS的完全熔融，共混溫度必須高于兩相的熔點(diǎn)，以保障材料在混合過(guò)程中保持良好的流動(dòng)性。
隨著溫度的升高，TPV的拉伸強(qiáng)度與100%定伸應(yīng)力初時(shí)微增，但當(dāng)溫度大于180℃后，卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其原因在于低溫時(shí)，體系黏度較高，物料在流變儀密煉腔內(nèi)流動(dòng)翻轉(zhuǎn)困難，導(dǎo)致混煉不均勻。當(dāng)硫化體系加入后，形狀不規(guī)則的SEBS交聯(lián)顆粒在PP基體中的分散不均，這影響了TPV的性能。然而，隨著溫度的升高，物料黏度降低，SEBS交聯(lián)顆粒能更好地分散在PP連續(xù)相中，從而使拉伸強(qiáng)度上升。但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，PP分子長(zhǎng)鏈發(fā)生斷裂，導(dǎo)致基體性能下降。此外，DCP的分解速度加快，導(dǎo)致SEBS的交聯(lián)密度降低，這進(jìn)一步影響了TPV的性能。
當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低時(shí)，TPV的拉升強(qiáng)度較差，原因在于無(wú)充油狀態(tài)下，SEBS的黏度較高，導(dǎo)致加工性能受限。此時(shí)，轉(zhuǎn)子對(duì)物料的剪切作用有限，對(duì)PP與SEBS的混合效果以及SEBS的撕裂和分散作用都相對(duì)較小。從而導(dǎo)致形成的SEBS粒子尺寸較大，且分布不均，使得SEBS粒子與轉(zhuǎn)子和內(nèi)壁的接觸概率降低。相對(duì)地，PP熔體在SEBS粒子間起到了更多的“潤(rùn)滑”作用，從而使得TPV的拉伸強(qiáng)度提升不明顯。
然而，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升后時(shí)，轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致了更強(qiáng)的剪切作用，使SEBS粒子被進(jìn)一步撕裂成更小的顆粒，并促使分散變得更均勻。在混煉過(guò)程中，SEBS粒子與轉(zhuǎn)子和內(nèi)壁的接觸概率增大，摩擦力也隨之增強(qiáng)。此外，填充在SEBS粒子之間的PP熔體相對(duì)減少。更重要的是，隨著SEBS粒子數(shù)量的增加，粒子間的摩擦也顯著增大。得到的結(jié)果自然也是TPV的拉伸強(qiáng)度、100%定伸應(yīng)力都有不小的提升，相反的斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度與硬度則隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。
共混時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響
在給定的溫度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速條件下，影響動(dòng)態(tài)硫化橡塑共混物流動(dòng)黏度的主要因素是橡膠相的形態(tài)以及塑料相的平均分子量。
隨著共混時(shí)間的延長(zhǎng)，體系的平衡轉(zhuǎn)矩逐漸降低。TPV的拉伸強(qiáng)度和100%定伸應(yīng)力在共混時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)，先增強(qiáng)后減弱。撕裂強(qiáng)度則隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。拉斷伸長(zhǎng)率的變化則是先增后減再增。硬度基本保持穩(wěn)定。
之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)樵诠不鞎r(shí)間較短時(shí)，SEBS的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)剛開(kāi)始形成，交聯(lián)粒子尺寸較大且在PP連續(xù)相中分布不均，導(dǎo)致拉伸時(shí)受力不均。隨著共混時(shí)間的延長(zhǎng)，在強(qiáng)剪切力的作用下，SEBS相被剪切成小顆粒并均勻分散在PP基質(zhì)中，從而提高了體系的力學(xué)性能。然而，當(dāng)共混時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，SEBS相的交聯(lián)密度已無(wú)顯著變化，而PP連續(xù)相由于長(zhǎng)時(shí)間的高溫剪切作用導(dǎo)致降解，從而造成力學(xué)性能的下降。
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