李雅泊,曹寧寧,鄭玉嬰,鄭文慶
(福州大學 材料科學與工程學院,福州 350108)
隨著資源不斷減少、環(huán)境污染問題日益嚴重,再生資源的回收利用逐漸成為科學研究的熱點,廢品回收再利用也是建立資源節(jié)約型社會的重要選擇。聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)因其具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐磨性、絕緣性、高透明性以及高性價比等優(yōu)點,被廣泛應用于包裝瓶、薄膜、合成纖維、電器等領域[1-3]。近年來,一次性的PET瓶廢棄后造成的環(huán)境問題已愈演愈烈,各國都將PET回收再利用產業(yè)化提上了日程。然而回收的PET材料(R-PET)因在其使用和再加工過程中容易發(fā)生降解,分子鏈斷裂導致分子量大幅度減小而導致R-PET材料存在流動穩(wěn)定性差、黏度低和產品耐沖擊性能差等問題,限制了其使用范圍[4]。因此,通過增黏增韌改性R-PET來加快其結晶速率、縮短成型周期并提高其沖擊強度,從而提高其加工性能和使用性能,是實現(xiàn)其高價值回收利用的關鍵技術,進而有利于實現(xiàn)其從回收料到工程塑料的再循環(huán)轉化[5]。
PET增韌改性方法有彈性體增韌改性、合金增韌改性、工程塑料增韌改性、纖維增韌改性以及擴鏈劑增韌改性[6-10]等。使用擴鏈增韌改性來提高R-PET分子量的方法有多種,如酸酐、雙噁唑啉、雙環(huán)氧化合物、多元醇類、多基團大分子等[11-14]。其中酸酐被證明是性能優(yōu)異的擴鏈劑,較少的添加量便可較大程度地提高R-PET的黏度,常用作擴鏈的酸酐有鄰苯二甲酸酐、均苯四酸二酐[15]等。芳綸纖維(AFs)分子主鏈由芳香環(huán)和酰胺鍵構成,因其具有高模量和高比強度以及合成工藝成熟等優(yōu)點,被公認為性能優(yōu)異的增強體材料[16]。然而AFs單絲存在表面惰性且光滑,與樹脂基體界面結合能力不強等缺陷,通過表面刻蝕技術可以增加AFs表面極性基團種類和數(shù)量及表面粗糙程度,進而提高AFs與樹脂基體間的復合強度,常用刻蝕劑有強酸、酸酐和強堿[17-21]等。
本工作將酸酐擴鏈增韌與纖維增韌相結合,用鄰苯二甲酸酐刻蝕后的AFs來增黏增韌R-PET,起刻蝕作用的鄰苯二甲酸酐同時也是R-PET的擴鏈劑,在提高AFs與樹脂結合能力的同時擴鏈增黏R-PET。通過控制酸酐對AFs的刻蝕時間,最終獲得性能優(yōu)異的刻蝕AFs/R-PET復合材料,可應用于對力學性能有較高要求的領域,具有廣泛的社會經(jīng)濟效益。
AFs,Twaron 1080,短切6mm,上海勝順特種纖維科技公司;鄰苯二甲酸酐,山東豪耀新材料有限公司,工業(yè)級;R-PET,PET破碎回收料,福建海峽環(huán)保集團股份有限公司;無水乙醇,國藥集團化學試劑有限公司,分析純;去離子水,自制。
CMT 4104型電子萬能試驗機,ZBC 1400-1型擺錘沖擊試驗機,JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡,METFER821e/400型差示掃描量熱儀,ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀,SR2-400D型熔體流動速率測定儀,烏氏黏度計(φ0.80mm),取樣瓶(100mL,帶螺蓋)以及自動滴定管(50mL)。
將5g AFs加入到含有500mL乙醇的燒杯中,在60℃下密封超聲清洗12h,加熱功率設置為100W,抽提后用去離子水清洗多次,冷凍干燥備用。
在500mL三口瓶中加入200mL乙醇、5g鄰苯二甲酸酐、5g AFs,放入集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中,設置溫度80℃下攪拌回流2,4,6,8h,加熱蒸出并回收部分溶劑后冷凍干燥備用(隨機取出部分纖維在1000mL大燒杯中80℃下超聲清洗多次,干燥備測)。
將經(jīng)刻蝕處理后的酸酐與AFs的混合物置于破碎機中打散,然后與PET混合均勻,配制成AFs、鄰苯二甲酸酐質量分數(shù)皆為1.0%的共混物,之后注塑成型,測試。
DSC:每次取樣大約為10mg。先按20℃/min的速率從室溫升到280℃,保溫5min;然后再按20℃/min降溫到100℃,保溫5min;最后按20℃/min的速率從100℃升到280℃。整個實驗過程中采用N2保護,速率控制在20mL/min。
TG:每次取樣大約10mg,升溫速率控制為20℃/min,從室溫升到700℃。
特性黏度:采用1,1,2,2-四氯乙烷/苯酚(質量比2∶3)作溶劑,在(25.0±0.1)℃恒溫水浴中分別測試空白溶劑和質量濃度為0.005g/mL溶液流過烏氏刻度計的上下刻度所需的時間,重復3次,3次測量值中最大值與最小值之差不超過0.2s為準,取其平均值作為試樣溶液的流出時間。用下式計算特性黏度:
ηr=t1/t0
(1)
(2)
式中:C為溶液黏度,0.005g/mL;ηr為相對黏度;[η]為特性黏度,dL/g;t1為溶液流出時間,s;t0為溶劑流出時間,s。
拉伸和彎曲實驗分別按GB/T1040—2006和GB/T9341—2000 執(zhí)行,沖擊實驗按GB/ T1043.1—2008執(zhí)行。溶體流動速率測試按GB/T3682—2000執(zhí)行,測試溫度240℃,負荷21.17N。
圖1是經(jīng)過不同方式處理的AFs的SEM圖。由圖1可得,未經(jīng)處理的AFs表面較為光滑;經(jīng)過一段時間刻蝕后,AFs表面出現(xiàn)周期交替的凹槽,隨著刻蝕時間的延長,刻蝕程度逐漸加深,AFs表面出現(xiàn)了類似于螺紋鋼表面的螺旋狀紋路,表面由光滑轉為粗糙。這種變化有利于增大AFs與R-PET樹脂基體之間的接觸面積,增加纖維與樹脂間的“鉤錨”效應,進而改善樹脂與纖維的界面黏結性能[22]。

圖1 不同刻蝕時間的AFs表面的SEM圖(a)芳綸原纖;(b)刻蝕4h;(c)刻蝕8h;(d)刻蝕4h不清洗Fig.1 SEM images of the surface aramid fiber in different corroding time(a)aramid fiber;(b)corroded for 4h;(c)corroded for 8h;(d)corroded for 4h and do not clean
這種刻蝕后出現(xiàn)的螺紋狀結構可能是由于AFs本身就有一定均勻性的折疊,隨著刻蝕時間的延長,這種折疊的表面不平處進一步加深,表現(xiàn)為表面紋路越來越明顯。刻蝕后的AFs在與軸向平行的方向生成了一些連續(xù)凹槽,這可能由于AFs具有特殊的“皮芯”結構,皮層較薄,長時間刻蝕之后,已經(jīng)深入芯層,而芯層當中那些沿軸向較松散排列的串晶在這種情況下刻蝕就容易產生沿軸向的凹槽[23]。圖1(d)是未洗掉酸酐的纖維SEM圖,可以看出纖維表面包裹著一層酸酐,酸酐將促進PET樹脂與纖維之間結合。
表1是經(jīng)過鄰苯二甲酸酐處理后的AFs的XPS數(shù)據(jù)。經(jīng)分析可知,當酸酐刻蝕時間較短時,AFs表面的含氧量隨著刻蝕時間的延長而逐漸增加,說明其表面含氧基團數(shù)目在提升,AFs的表面極性增大,從而有利于提高其與極性基體R-PET之間的界面結合力。在鄰苯二甲酸酐處理6h后AFs表面含氧量和氧碳比達到最大值,分別為15.42%和0.206。當刻蝕8h后,AFs表面含氧量和氧碳比略有下降,不利于更好地改善AFs與R-PET間的相互作用,可能是由于長時間的刻蝕導致了AFs本身結構發(fā)生破壞所致[24]。
圖2是鄰苯二甲酸酐處理不同時間后所得AFs的C1s分峰圖。由圖2可知,C—O單鍵的相對含量呈現(xiàn)出了先增大后減小的趨勢,與表1中纖維表面氧含量的變化趨勢一致。C—O基團濃度的改變可能是由于酰胺鍵的供電子效應導致苯環(huán)上的電子云密度發(fā)生變化,使其鄰位活化,在親電試劑(酸酐)的作用下發(fā)生了?;磻耓25]。

表1 不同刻蝕時間AFs表面元素含量(質量分數(shù)/%)Table 1 Surface element content of AFs in different corroding time (mass fraction/%)

圖2 不同刻蝕時間AFs的C1s分峰結果Fig.2 XPS peak-separated results of AFs in different corroding time
圖3為不同刻蝕時間的AFs/R-PET復合材料的DSC曲線。一般用過冷溫度和半峰寬來反映聚合物結晶速率的快慢,R-PET為半結晶聚合物,結晶速率緩慢,其熔體淬火凝固的玻璃態(tài)是結晶度近于零的非晶結構。從圖3(a)中可以看出,隨著刻蝕時間的增加,AFs/R-PET復合材料的DSC降溫曲線Tc向高溫方向移動且結晶峰趨于窄化,半峰寬減小,AFs/R-PET復合材料在高溫下具有較高的成核速率,說明AFs作為成核劑起到了異相成核的作用,使得復合材料有更高的結晶速率[26]。從圖3(b)的升溫曲線可以看出,隨著刻蝕時間的延長,復合材料的Tm向低溫方向移動,這表明刻蝕AFs的加入起到了成核劑的作用,加快了R-PET的結晶速率,但形成的晶體較小,且不夠完善,因而使熔融溫度有所下降;另一方面,作為R-PET擴鏈劑的酸酐的加入會導致其分子量增加,分子鏈增長而導致結晶度降低,同時也有少數(shù)酸酐接枝于纖維上形成支鏈影響鏈規(guī)整度而導致結晶性能變差[27]。

圖3 AFs/R-PET復合材料的DSC曲線(a)降溫曲線;(b)升溫曲線Fig.3 DSC curves of AFs/R-PET composites(a)cooling curve;(b)heating curve
圖4是不同刻蝕時間的AFs/R-PET復合材料的TG數(shù)據(jù)圖,將復合材料的5%熱失重溫度Td、終止分解溫度Te、最大分解溫度Tmax及灰分殘留率列于表2。由圖4可以看出,在惰性氣體中,AFs刻蝕改性前后的復合材料熱降解過程相似,刻蝕改性后的AFs與R-PET形成的復合材料的起始分解溫度及最大失重率處溫度均高于未刻蝕的AFs與R-PET形成的復合材料,且隨著刻蝕時間的延長略有升高,說明芳綸纖維的加入可以提高R-PET的熱穩(wěn)定性,不易發(fā)生熱分解,但是刻蝕對熱穩(wěn)定性影響較小。這是因為一方面,芳綸纖維的加入起到了阻隔作用,阻礙了R-PET分子間熱量的傳播的同時也阻礙了加熱過程中復合物分解產生的小分子的揮發(fā),從而提高了R-PET的耐熱性;另一方面,酸酐作為擴鏈劑可以將斷裂的R-PET分子鏈或是端羥基連接起來,提高R-PET分子質量,從而提高了其耐熱性。從成炭效果上看,650℃時未刻蝕的AFs與R-PET形成的復合材料的質量保持率為14.55%,而刻蝕后AFs與R-PET形成的復合材料的質量保持率隨著刻蝕時間的增加而逐漸增加,意味著刻蝕后的纖維與R-PET有更好的相容性,促進了體系殘?zhí)康男纬?,提高了復合材料的熱穩(wěn)定性[28]。

圖4 AFs/R-PET復合材料的TG曲線Fig.4 TG curves of AFs/R-PET composites

Corroded time of AFs/hTd/℃Te/℃Tmax/℃Retention rate/%0393.0461.0441.314.552395.7461.2441.614.674396.1461.6442.815.756404.0462.3443.716.798400.9461.7442.115.09

圖5 AFs/R-PET復合材料的熔融指數(shù)及特性黏度Fig.5 MFR and intrinsic viscosity of AFs/R-PET composites
圖5是不同刻蝕時間的AFs/R-PET復合材料的熔融指數(shù)(MFR)及特性黏度(η)變化曲線。由圖5可以看出,復合材料的MFR隨刻蝕時間的增大而減小,AFs的加入雖然會影響復合材料流動性而使得復合材料的MFR值降低,但是酸酐作為刻蝕劑同時也是R-PET的擴鏈劑,使復合材料分子量增大,分子間作用力增大,體系黏度變大,在相同的剪切應力作用下,所受到的內摩擦阻力加大,因而MFR值減小。復合材料的特性黏度隨刻蝕時間的增加而先增大后減小,纖維以及酸酐的加入導致復合材料的分子量增加,分子鏈難以移動而導致復合材料的特性黏度增大;酸酐會與AFs上的端氨基發(fā)生酰基化反應以及擴鏈導致的支化使得復合材料黏度增大,這與MFR測試結果相一致[29]。
圖6是添加鄰苯二甲酸酐刻蝕時間為0h和6h的AFs/R-PET復合材料的沖擊斷面SEM圖,由圖6可以看出R-PET表面略帶波紋狀花樣,呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征,加入的AFs則成為其中的剛韌部分進而改善其力學性能。對比發(fā)現(xiàn),酸酐刻蝕后的AFs在斷裂面處與R-PET接觸更好,此時酸酐起到類似膠黏劑的作用,將纖維與基體樹脂鏈接起來,因而二者界面的黏結性能提高;另一方面,刻蝕后的AFs表面的螺紋狀紋路增大了其有效比表面積,有助于增大其與R-PET的接觸面積,使得二者結合更為緊密,進而有助于提高AFs/R-PET復合材料的力學性能[30]。

圖6 AFs/R-PET復合材料斷面的SEM圖(a)未刻蝕;(b)刻蝕6hFig.6 SEM images of the section of AFs/R-PET composites(a)not corroded;(b)corroded for 6h
表3為刻蝕AFs/R-PET復合材料的力學性能數(shù)據(jù)。由表3可知,隨著酸酐處理時間的延長,刻蝕AFs/R-PET復合材料彎曲強度和沖擊強度均呈現(xiàn)出了先增加后減小的規(guī)律,表明刻蝕纖維的加入有效地改善了AFs/R-PET復合材料的韌性。其中,添加刻蝕處理6h纖維所得到的復合材料力學性能達到最佳值,彎曲強度和沖擊功分別達到69.1427MPa和9.749kJ·m-2,比只添加未刻蝕纖維的芳綸纖維/R-PET復合材料提高了9.45%和86.87%,比純R-PET提高了19.89%和119.82%。而經(jīng)8h刻蝕的AFs,由于刻蝕過度,在其軸向形成凹槽,這樣的凹槽可充當微裂紋,在負載作用下,這種微裂紋將沿著纖維軸向擴展,最終使整個纖維撕裂,成為AFs/R-PET復合材料的薄弱環(huán)節(jié)。當這樣的纖維分布于R-PET中極易成為復合材料斷裂時的應力集中點,故而其力學性能相比純R-PET反而下降[31]。

表3 AFs/R-PET復合材料的力學性能Table 3 Mechanical properties of AFs/R-PET composites
(1)用鄰苯二甲酸酐刻蝕后的AFs來增韌R-PET,刻蝕所用酸酐同時也是R-PET的擴鏈劑,有效提高了R-PET的特性黏度,得到了增韌增黏的R-PET材料。
(2)固定AFs質量分數(shù)為1%,在鄰苯二甲酸酐處理6h后AFs表面含氧量和氧碳元素比達到最大值,分別為15.42%和0.206,其與R-PET制成的復合材料的彎曲和沖擊強度最大,相比純R-PET分別提高了19.89%和119.82%,力學性能得到顯著改善。
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