聚苯硫醚熔體的壓致凝固行為*

王志飛 王路 王菊 劉秀茹

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031)

采用施加壓力的方法將聚苯硫醚熔體凝固, 凝固后獲得的聚苯硫醚樣品經(jīng)過降溫和卸壓后在常溫常壓下回收.X射線衍射和差示掃描量熱分析表明: 約20 ms時(shí)間的快速壓縮過程可以抑制熔體結(jié)晶, 制備出非晶態(tài)聚苯硫醚塊材, 樣品的表面及中心都是非晶態(tài).非晶態(tài)聚苯硫醚的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和晶化溫度分別為318和362 K.常壓下的退火實(shí)驗(yàn)表明, 非晶態(tài)聚苯硫醚在425 K等溫結(jié)晶的產(chǎn)物為正交相晶型.壓致凝固法中熔體的凝固不是靠溫度變化, 而是靠壓力變化, 樣品表面和內(nèi)部處在一致的溫度下同時(shí)受壓凝固, 避免了熱傳導(dǎo)對(duì)非晶尺寸的影響, 因此非常有利于獲得結(jié)構(gòu)均勻的大尺寸非晶態(tài)材料.

1 引 言

聚苯硫醚是一種新型熱塑性樹脂聚合物, 它具有優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕、耐輻射、阻燃等特點(diǎn), 被廣泛用作結(jié)構(gòu)性高分子材料[1?3].聚苯硫醚作為一種導(dǎo)電高分子還具有優(yōu)良的電學(xué)性能, 可以制成多種功能性的薄膜、涂層和復(fù)合材料, 在電子電器、航空航天等領(lǐng)域獲得應(yīng)用.壓力與溫度、組分一樣是確定材料的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和性質(zhì)的一個(gè)獨(dú)立的熱力學(xué)基本參數(shù), 高壓下材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)被廣泛研究[4,5].高壓對(duì)聚合物材料的結(jié)構(gòu)有較大的影響, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚苯硫醚的高壓結(jié)晶和高壓退火行為進(jìn)行了研究[6?9].Lü等[8]以高壓熔體結(jié)晶的方式合成了c軸厚度超過4.5 μm的聚苯硫醚伸直鏈晶體.Schultze等[9]研究發(fā)現(xiàn)CO2和N2O等高壓氣氛對(duì)非晶聚苯硫醚再結(jié)晶具有增強(qiáng)的作用.

作為一種結(jié)晶性的聚合物, 晶體相和非晶相的含量及其組織結(jié)構(gòu)對(duì)聚苯硫醚性能有重要影響.人們通過熱處理、拉伸、溶劑誘導(dǎo)、g輻射、高壓結(jié)晶等方法調(diào)節(jié)聚苯硫醚結(jié)晶度, 結(jié)晶度可高達(dá)80%.相反, 如果將結(jié)晶度降為零, 即獲得完全非晶態(tài)的聚苯硫醚, 目前報(bào)道的方法只有熔體快速冷卻法,簡(jiǎn)稱急冷法.該方法將聚苯硫醚加熱至熔點(diǎn)以上,迅速置入冰水中[10,11].熔融態(tài)時(shí)聚苯硫醚黏度大,在冷卻速度較快的情況下, 冷卻過程中分子遷移比較困難, 結(jié)晶很難進(jìn)行, 最終形成完全非晶態(tài)的聚苯硫醚.聚苯硫醚的導(dǎo)熱系數(shù)是 0.286 W/mK, 屬于熱的不良導(dǎo)體[12].目前急冷法制備的非晶態(tài)聚苯硫醚只是薄膜形狀, 因?yàn)檩^厚的聚苯硫醚熔體快速冷卻時(shí), 受熱傳導(dǎo)率的限制, 中心的冷卻速率會(huì)大大低于表面, 因此不能得到完全非晶態(tài)的聚苯硫醚塊材.受尺寸的限制, 目前對(duì)非晶態(tài)聚苯硫醚的研究, 主要是開展非晶薄膜退火以提高聚苯硫醚結(jié)晶度等[11,13].為了進(jìn)一步開展非晶態(tài)聚苯硫醚的性能研究及開發(fā)應(yīng)用, 有必要探索非晶態(tài)聚苯硫醚塊體材料的制備方法.

聚合物的熔點(diǎn)通常隨壓力增加而升高, 對(duì)聚合物的熔體加壓可以使其進(jìn)入固相區(qū), 這種由于獲得高壓下過冷度而發(fā)生的凝固, 被稱為熔體壓致凝固[14?16].原理上, 只要加壓速度足夠快, 獲得的過冷度足夠深, 就能抑制結(jié)晶, 制備完全非晶態(tài)的聚合物材料.我們采用壓致凝固的方法制備了完全非晶態(tài)的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚醚醚酮[17,18].重要的是: 快速加壓過程中熔體的凝固不是靠溫度變化, 而是靠壓力變化, 樣品表面和內(nèi)部處在一致的溫度下同時(shí)受壓凝固, 因此熱傳導(dǎo)對(duì)凝固過程沒有影響, 這就從根本上避免了非晶尺寸受熱傳導(dǎo)率限制的問題[16].本文研究了聚苯硫醚熔體的壓致凝固行為, 獲得了完全非晶態(tài)的聚苯硫醚塊材, 并對(duì)其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析.

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文使用的聚苯硫醚原始粉末純度為99.9%(美國(guó)雪佛龍飛菲利普公司, 牌號(hào)PR26), 密度為1.3 g/cm3.高壓實(shí)驗(yàn)在快速增壓壓機(jī)上進(jìn)行, 樣品組裝如圖1 所示.將粉壓成直徑 18 mm、厚 3 mm的聚苯硫醚塊體, 裝入外徑 20 mm、內(nèi)徑 18 mm的鋁盒中.將裝有樣品的鋁盒放入硬質(zhì)合金材質(zhì)的活塞-圓筒式高壓模具, 活塞直徑為 20 mm.再將活塞-圓筒式高壓模具放置到快速增壓壓機(jī)的工作臺(tái)面上, 預(yù)壓至約 0.1 GPa, 以消除墊塊間的空隙.采用纏繞式電阻線圈對(duì)高壓模具加熱, 利用NiCr-NiSi熱電偶測(cè)量溫度, 圖1中所示熱電偶測(cè)試點(diǎn)溫度與樣品溫度的關(guān)系在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了標(biāo)定.

圖1 活塞-圓筒式高壓模具及樣品組裝方式示意圖Fig.1.Sample assembly in the piston-cylinder mode.

本文制備了五個(gè)壓致凝固的聚苯硫醚樣品, 將五個(gè)樣品分別加熱到 563, 573, 583, 603 和 613 K,保溫時(shí)間為 30 min.在約 20 ms內(nèi)對(duì)活塞快速施加約 7.4 × 105N 的力, 通過活塞所受的力和活塞直徑推算得到聚苯硫醚樣品的壓強(qiáng)約為2.4 GPa,該壓強(qiáng)值忽略了活塞圓筒間相互作用和鋁盒形變所耗散的壓力.本文中快速增壓過程是通過開啟電磁閥將儲(chǔ)能器的高壓油和壓機(jī)主油缸快速連通實(shí)現(xiàn)的, 主油缸油壓隨時(shí)間上升曲線測(cè)試結(jié)果表明該過程約為 20 ms[14].需要說明的是, 鋁盒的形變會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力的傳遞弛豫時(shí)間, 因此樣品實(shí)際經(jīng)歷的快速壓縮過程估計(jì)大于20 ms.快速增壓結(jié)束后, 保持壓力不變, 停止對(duì)樣品的加熱, 樣品以約8 K/min 的速率冷卻到室溫.卸壓, 在常溫常壓下回收聚苯硫醚樣品.

對(duì)五個(gè)聚苯硫醚樣品進(jìn)行了常規(guī)X射線衍射分析 (XRD, X’pert.PRO.MPD.Philips, Cu 靶Ka).為了驗(yàn)證是否獲得了完全非晶態(tài)的聚苯硫醚塊材, 對(duì)613 K溫度下制備的聚苯硫醚樣品中心位置, 又進(jìn)行了微區(qū)XRD, X射線束斑直徑約為0.3 mm.采用差示掃描量熱儀 (DSC, TA Instruments DSC 2500)測(cè)量了五個(gè)聚苯硫醚樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和晶化溫度.升溫速率為10 K/min,氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體.對(duì)聚苯硫醚原料和613 K下制備的聚苯硫醚樣品進(jìn)行了調(diào)制式差示掃描量熱儀(MDSC, TA Instruments DSC 2500), 升溫速率為2 K/min, 振幅為 0.6 K, 周期為 60 s.為了分析熱分析曲線中晶化放熱峰后的產(chǎn)物結(jié)構(gòu), 對(duì)613 K溫度下制備的聚苯硫醚樣品進(jìn)行了退火.使用馬弗爐在425 K溫度下等溫結(jié)晶2 h, 采用常規(guī)XRD分析回收樣品的結(jié)構(gòu).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2(a)和圖2(b)分別是聚苯硫醚原始粉末的常規(guī)XRD譜和DSC曲線.衍射譜中晶體相的衍射峰和非晶相的衍射峰共存, 表明聚苯硫醚原始粉末為結(jié)晶性聚合物.通過與標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)比, 確定聚苯硫醚的晶體相為正交結(jié)構(gòu), 四個(gè)較強(qiáng)晶體峰的衍射角為 18.8°, 20.6°, 25.6°和 27.5°, 分別對(duì)應(yīng) (110) 晶面、(111)或 (200) 晶面、(112) 晶面和 (211) 晶面.假定X 射線被聚合物原子散射的強(qiáng)度與原子所處的狀態(tài)無關(guān), 原子的聚集態(tài)只決定衍射線的位置與形狀, 不影響總強(qiáng)度, 則結(jié)晶部分的衍射強(qiáng)度與它們的含量成正比[19].對(duì)圖2(a)中的衍射譜進(jìn)行分峰擬合, 晶體相包含六個(gè)較為尖銳的晶體峰, 非晶相是 2q在 15°—25°范圍的一個(gè)寬峰.截取 2q 在10°—30°之間的衍射譜計(jì)算結(jié)晶度, 晶體峰的積分強(qiáng)度(即峰面積)之和作為晶體相的衍射強(qiáng)度, 非晶峰的積分強(qiáng)度作為非晶相的衍射強(qiáng)度, 計(jì)算出晶體相與非晶相的衍射強(qiáng)度比值, 進(jìn)而推算出聚苯硫醚原始粉末的結(jié)晶度約為48.4%.圖2(b)中的DSC曲線給出常壓下聚苯硫醚原始粉末的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為344 K, 玻璃化轉(zhuǎn)變以后沒有明顯的放熱結(jié)晶峰, 說明非晶相較為穩(wěn)定, 不會(huì)發(fā)生結(jié)晶.聚苯硫醚原始粉末的熔化峰值是529 K, 熔化過程終止溫度約為554 K.

圖2 聚苯硫醚原始粉末的 (a)常規(guī) XRD 譜和 (b) DSC 曲線Fig.2.(a) XRD pattern and (b) DSC trace of polyphenylene sulfide (PPS) powder.

本文進(jìn)行了五組聚苯硫醚熔體的壓致凝固實(shí)驗(yàn), 分別將聚苯硫醚粉末加熱到 563, 573, 583, 603,613 K, 并保溫 30 min, 然后快速加壓至 2.4 GPa,將熔體瞬間固化.為了避免常壓下回收樣品發(fā)生再結(jié)晶等結(jié)構(gòu)變化, 在保壓的情況下首先對(duì)樣品進(jìn)行降溫, 降溫速率約為 8 K/min.當(dāng)樣品溫度降至室溫后, 再卸壓取出樣品.對(duì)回收的聚苯硫醚樣品進(jìn)行常規(guī) XRD 分析, 如圖3 所示.563, 573 和 583 K溫度下快壓凝固的聚苯硫醚樣品, 衍射譜均出現(xiàn)晶體衍射峰.與圖2(a)中原始粉末的衍射譜相比,563 K 溫度下快壓凝固的樣品, 2q 在 18.8°, 20.6°,25.6°和27.5°的四個(gè)晶體峰均可見, 但晶體峰變寬,相對(duì)強(qiáng)度(相比于非晶背底峰)降低, 說明結(jié)晶度降低.573和583 K溫度下快壓凝固的聚苯硫醚樣品, 僅 2q 在 18.8°和 20.6°的兩個(gè)晶體峰可見, 且晶體峰強(qiáng)度進(jìn)一步減弱, 表明樣品中的晶體相含量進(jìn)一步降低.截取2q在10°—30°之間的衍射譜計(jì)算得到563, 573和583 K溫度下快壓凝固的聚苯硫醚樣品結(jié)晶度分別約為42.9%, 19.7%和18.7%.603和613 K溫度下快壓的樣品, 無明顯的晶體衍射峰, 只有一個(gè)寬的彌散的衍射峰, 說明樣品為非晶態(tài).回收樣品的結(jié)構(gòu)是快壓前樣品結(jié)構(gòu)的凝固態(tài), 563, 573 和 583 K 溫度下快壓凝固的聚苯硫醚樣品含有部分晶體, 我們推測(cè)這些晶體相源于快壓前樣品中未熔化的晶體部分.隨著制備溫度的升高, 未熔化的晶體相含量逐漸減小.圖2(b)中聚苯硫醚原始粉末的熔化終止溫度約為550 K, 本工作中直至603 K聚苯硫醚樣品才完全熔化, 這可能與預(yù)壓有關(guān), 因?yàn)榫酆衔锏娜埸c(diǎn)通常隨著壓力的升高而升高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過快速加壓可以抑制熔體結(jié)晶, 在試樣完全熔融的條件下制備出完全非晶態(tài)的聚苯硫醚塊材.另外, 利用聚合物較寬溫度范圍的晶體相熔化過程, 在不同溫度下快速加壓, 還可以獲得不同低結(jié)晶度的聚苯硫醚塊材.

圖3 不同溫度下快壓凝固的聚苯硫醚樣品的常規(guī)XRD譜Fig.3.XRD patterns of PPS samples which is solidified by rapid compression at different temperatures.

如引言中所述, 快速加壓過程中熔體的凝固不是靠溫度變化, 而是靠壓力變化, 樣品表面和內(nèi)部處在一致的溫度下同時(shí)受壓凝固, 所以樣品中心和表面的結(jié)構(gòu)應(yīng)該相同.為了判斷表面為非晶態(tài)的聚苯硫醚樣品中心是否也是非晶態(tài), 本文對(duì)613 K溫度下快壓凝固樣品的中心位置進(jìn)行了微區(qū)XRD.如圖4所示, 樣品中心位置的衍射譜中沒有尖銳的晶體衍射峰, 只有寬的彌散的非晶衍射峰, 說明樣品的內(nèi)部也是完全非晶態(tài).實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了聚苯硫醚熔體在快速加壓作用下凝固為表面和中心均為非晶態(tài)的塊體, 相比于文獻(xiàn)中急冷法獲得的聚苯硫醚非晶態(tài)薄膜, 本工作首次制備了非晶態(tài)聚苯硫醚塊材.由于熱傳導(dǎo)對(duì)凝固過程沒有影響, 因此本方法制備的非晶態(tài)聚苯硫醚的尺寸不受熱傳導(dǎo)率限制, 適合制備大尺寸非晶塊材.

圖4 613 K 溫度下快壓凝固樣品中心位置的微區(qū) XRD 譜Fig.4.Micro XRD pattern taken at the center of PPS sample, which is solidified by rapid compression at 613 K.

采用差示掃描量熱法研究了快壓凝固法制備的非晶態(tài)聚苯硫醚的穩(wěn)定性, 在300—450 K范圍內(nèi)測(cè)量了五個(gè)聚苯硫醚樣品的DSC曲線, 如圖5所示.五個(gè)樣品的DSC曲線在325 K左右都出現(xiàn)一個(gè)吸熱臺(tái)階, 這個(gè)吸熱過程對(duì)應(yīng)于玻璃化轉(zhuǎn)變,在360 K左右出現(xiàn)一個(gè)放熱峰, 這個(gè)放熱過程對(duì)應(yīng)于非晶相再結(jié)晶, 玻璃化轉(zhuǎn)變和晶化過程的熱力學(xué)參數(shù)如表1所列.隨著制備溫度的升高, 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低, 說明母液體的溫度對(duì)凝固的非晶相玻璃化轉(zhuǎn)變過程有影響.圖2(b)中原始粉末沒有明顯的放熱結(jié)晶峰, 說明聚苯硫醚固有的非晶相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定, 熔化前不會(huì)發(fā)生晶化.那么, 圖5中的放熱結(jié)晶峰則對(duì)應(yīng)于快壓凝固過程中形成的非晶相,即晶體熔化后的無序液相被快速凝固形成的非晶相.隨著制備溫度的升高, 結(jié)晶過程的熱焓越來越高, 說明非晶相的含量隨制備溫度的升高而提高,與XRD的結(jié)論一致.DSC測(cè)試結(jié)果也支持了我們關(guān)于563, 573和583 K溫度下聚苯硫醚晶體相發(fā)生部分熔化, 熔融部分被快壓凝固為非晶相的推測(cè).快壓凝固樣品過冷液相區(qū)的寬度約為30 K, 溫度范圍較寬, 適合在過冷液相區(qū)對(duì)非晶態(tài)聚苯硫醚進(jìn)行加工成型等.

圖5 不同溫度下快壓凝固的聚苯硫醚樣品的DSC曲線,內(nèi)插圖給出了不同熱力學(xué)參數(shù)的取值方法Fig.5.DSC traces of PPS samples which is solidified by rapid compression at different temperatures.

表1 快壓凝固的聚苯硫醚樣品的熱力學(xué)參數(shù)Table 1.Thermal dynamics parameters of PPS samples which is solidified by rapid compression.

常壓下聚苯硫醚晶體相為正交相結(jié)構(gòu), 我們推測(cè)DSC曲線上放熱峰后, 非晶相聚苯硫醚再結(jié)晶為正交晶體相.我們選用613 K溫度下快壓凝固的非晶態(tài)聚苯硫醚樣品進(jìn)行再結(jié)晶實(shí)驗(yàn), 在馬弗爐中將該樣品在425 K溫度下等溫結(jié)晶2 h.對(duì)回收樣品進(jìn)行常規(guī)XRD分析, 并與聚苯硫醚原始粉末和再結(jié)晶前的非晶態(tài)樣品進(jìn)行對(duì)比, 如圖6所示.從圖6可知, 再結(jié)晶樣品 2q在 18.6°和 20.8°出現(xiàn)兩個(gè)結(jié)晶峰, 與原始粉末最強(qiáng)的兩個(gè)晶體峰對(duì)應(yīng),說明非晶態(tài)聚苯硫醚晶化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)是正交相結(jié)構(gòu).

圖6 快壓凝固樣品在 425 K 退火再結(jié)晶后的 XRD 圖譜Fig.6.XRD pattern of PPS sample after recrystallized at 425 K.

本文制備的非晶態(tài)聚苯硫醚樣品中含有兩種非晶相: 一種是聚苯硫醚固有的非晶相, 與原始粉末中的非晶相一致, 這種非晶相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定, 熔化前不會(huì)發(fā)生晶化; 另一種是晶體相熔化后的熔體快壓凝固獲得的非晶相, 它可以看成晶體相熔化后的無序結(jié)構(gòu)的“冷凍態(tài)”, 在一定溫度下這種非晶相會(huì)發(fā)生再結(jié)晶.急冷法獲得的非晶態(tài)聚苯硫醚薄膜也包含兩種非晶相, 即固有非晶相和急冷非晶相.為了分析不同的非晶相, 本文對(duì)聚苯硫醚原始粉末和613 K溫度下快壓凝固的非晶態(tài)聚苯硫醚樣品進(jìn)行了調(diào)制式差示掃描量熱分析, MDSC曲線如圖7所示, 并且與急冷法制備的聚苯硫醚非晶薄膜的DSC曲線進(jìn)行對(duì)比.圖7(a)是MDSC曲線中的可逆信號(hào), 反映的是玻璃化轉(zhuǎn)變過程.原始粉末中固有非晶相的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為344 K, 快壓非晶相的 Tg為 318 K, 急冷非晶相的 Tg為 358 K,急冷非晶相的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于快壓非晶相.圖7(b)是MDSC曲線中的不可逆信號(hào), 反映的是晶化過程.快壓非晶相的晶化溫度為362 K, 急冷非晶相的晶化溫度為388 K.急冷非晶相的再結(jié)晶溫度高于快壓非晶相, 說明作為亞穩(wěn)相, 快壓非晶相的能量更高, 轉(zhuǎn)變?yōu)榫w相的能量勢(shì)壘更低.我們采用快壓凝固法制備的非晶相PET (聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)的晶化溫度也低于急冷法制備的樣品[17], 推測(cè)當(dāng)分子結(jié)構(gòu)不變時(shí), 快壓凝固的分子間相互作用力比急冷凝固的分子間作用力弱, 前者由于壓力做功以及制備溫度較高使得其能量高.但是如果快壓凝固過程中分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 則快壓法制備的樣品的穩(wěn)定性可能高于急冷法制備的樣品,例如急冷非晶硫在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上極易晶化,而快壓制備的非晶硫的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高, 室溫下放置 75 min 才結(jié)晶, 在 10 K/min 升溫速率下可以避免結(jié)晶直接觀察到熔化現(xiàn)象[20].本工作的研究結(jié)果表明非晶態(tài)聚合物制備過程中的壓力、溫度路徑對(duì)非晶相結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有重要影響, 不同的固化方式獲得的非晶相中分子鏈間的相互作用力不同.

圖7 原始粉末和 613 K 溫度下快壓凝固的聚苯硫醚樣品的MDSC曲線 (a)反映玻璃化轉(zhuǎn)變的可逆信號(hào)(內(nèi)插圖為急冷法制備的聚苯硫醚非晶薄膜的DSC曲線[19]); (b)反映晶化過程的不可逆信號(hào)Fig.7.MDSC traces of PPS powder and amorphous PPS sample which is rapidly solidified at 613 K: (a) Reversible curve of glass transition; (b) irreversible curve of crystallization.The inset in panel (a) is the DSC trace of amorphous PPS which is solidified by rapidly quenching[19].

4 結(jié) 論

本文研究了聚苯硫醚熔體的壓致凝固行為, 發(fā)現(xiàn)快速壓縮熔體可以抑制結(jié)晶, 制備出低結(jié)晶度的聚苯硫醚樣品, 該方法還可以將完全熔融的聚苯硫醚樣品制備成完全非晶態(tài)的聚苯硫醚塊材, 并且這種樣品的表面及中心都是非晶態(tài).由于快速加壓過程中熔體的凝固不是靠溫度變化, 而是靠壓力變化, 樣品表面和內(nèi)部處在一致的溫度下同時(shí)受壓凝固, 因此熱傳導(dǎo)對(duì)凝固過程沒有影響, 從根本上解決了非晶尺寸受熱傳導(dǎo)率限制的問題, 因此該方法特別適合于制備大塊非晶態(tài)樣品.本文制備的非晶態(tài)聚苯硫醚的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和晶化溫度高于室溫, 為后續(xù)的性能研究提供了有利條件, 并且過冷液相區(qū)較寬, 適合對(duì)非晶態(tài)聚苯硫醚進(jìn)行加工成型等.