聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料的研究

1、丙烯腈-甲基丙烯酸-丙烯酰胺共聚物泡沫塑料的研究張廣成*張廣成，男，1963年6月生，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究高分子材料及其加工。Email: zhangguc Tel:陳 挺 劉鐵民 張 翠 趙璽浩（ 西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系 西安 710072）泡沫塑料的性能取決于樹脂基體的性能和泡孔結(jié)構(gòu)。樹脂基體的性能越高，其相應(yīng)的泡沫塑料性能也越高；泡沫塑料閉孔率越高、泡孔平均尺寸越小、基體樹脂在泡壁上的體積分率越高，其力學(xué)強(qiáng)度和模量也越高 14。在偶氮二異丁腈（AIBN）的引發(fā)下，先在低溫（4060）下制備含有發(fā)泡劑的丙烯腈（AN）/甲基丙酸酸（MAA）/丙烯

2、酰胺（AM）三元可發(fā)泡共聚物（反應(yīng)示意式1），然后將可發(fā)泡共聚物在高溫（180200）下發(fā)泡成型為共聚物泡沫塑料。在發(fā)泡過程中，依靠分子主鏈上相鄰官能團(tuán)之間的反應(yīng)形成大量環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及鏈間形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)得到高性能的樹脂基體（結(jié)構(gòu)示意式2）。依靠氣泡核的控制得到泡孔尺寸小、泡孔分布均勻的高閉孔率泡體結(jié)構(gòu)，從而制備出力學(xué)性能和耐熱性能優(yōu)異的AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料5。 （1）R=CH3- 或 H- （2） AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料的光學(xué)顯微照片如圖1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：不同密度共聚物泡沫塑料泡孔呈多個平面泡壁圍成的多面體結(jié)構(gòu)；泡孔之間均有泡壁相隔，泡壁和泡棱平直且無破裂現(xiàn)象；隨密度的增大

3、，泡棱逐漸變得粗壯。統(tǒng)計得到該共聚物泡沫塑料泡壁形狀構(gòu)成為：三邊形8%，四邊形21%，五邊形38%，六邊形29%，七邊形4%，未觀察到其它多邊形。測試不同密度共聚物泡沫塑料在三維方向上的發(fā)泡倍率和泡孔孔徑，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯翰煌芏裙簿畚锱菽芰显诤穸确较虻陌l(fā)泡倍率和泡孔孔徑略大于長、寬方向。因?yàn)?，可發(fā)泡共聚物板厚度小于長、寬，發(fā)泡時由樹脂粘彈性造成的厚度方向膨脹阻力小于長、寬方向膨脹阻力。整體上，泡沫塑料在三個方向上發(fā)泡倍率和泡孔孔徑基本一致，泡沫塑料各向同性。(c)(b)(a) (a) 密度為32kg·m-3；(b)密度為54kg·m-3；(c) 密度為65kg

4、·m-3圖1 AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料的光學(xué)顯微照片表1 AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料不同方向發(fā)泡參數(shù)密度/ kg·m-3厚度方向長度方向?qū)挾确较虬l(fā)泡倍率泡孔孔徑/mm發(fā)泡倍率泡孔孔徑/mm發(fā)泡倍率泡孔孔徑/mm323.41.083.31.053.31.07543.00.722.70.682.80.69652.70.612.70.602.60.60752.60.592.40.572.50.58通過光學(xué)顯微進(jìn)一步觀察不同密度AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料斷面表面，發(fā)現(xiàn)典型的泡棱結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯?，各種密度的AN/MAA/AM共聚物泡沫料泡棱由三條泡壁相交形

5、成，泡壁與泡棱圓滑過渡，泡棱呈三個內(nèi)凹圓弧圍成的三棱柱形。(b)(a)(c) (a) 密度為32kg·m-3；(b)密度為54kg·m-3；(c) 密度為65kg·m-3圖2 AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料微觀結(jié)構(gòu)顯微照片通過拍攝泡棱泡壁連接結(jié)構(gòu)照片，測量出不同密度AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料的泡壁平均厚度（a）和泡壁泡棱過渡圓弧平均半徑（R）。根據(jù)五邊十二面體結(jié)構(gòu)模型的幾何特征，計算出泡壁體積分率（泡壁）、泡棱體積分率（泡棱），結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，密度為32、54、65kg·m-3的共聚物泡沫塑料具有相近的泡壁厚度和泡壁泡棱過渡圓弧半徑，密

6、度為75kg·m-3的共聚物泡沫塑料的泡壁厚度和泡壁泡棱過渡圓弧半徑較大。AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料相對于其他泡沫塑料具有高的泡壁體積分率，對其力學(xué)性能非常有利，而且隨著密度的提高泡壁體積分率下降而泡棱體積分率提高。表2 AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料微觀結(jié)構(gòu)尺寸和樹脂體積分布密度/kg·m-3泡壁平均厚度a/ m泡壁泡棱圓弧平均半徑R/ m泡棱體積分率泡棱/%泡壁體積分率泡壁/%326.8401981546.1453961656.3424060758.4584951不同密度AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料的性能數(shù)據(jù)見表3，這些性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了相同密度的硬質(zhì)聚氨酯（R

7、PU）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等泡沫塑料，并略大于德國聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫塑料，是一種高性能結(jié)構(gòu)泡沫塑料。表3 AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料的性能密度/kg·m-33243546575測試標(biāo)準(zhǔn)拉伸強(qiáng)度/MPa1.001.551.852.202.30ASTM D638拉伸模量/MPa37557886109ASTM D638壓縮強(qiáng)度/MPa0.400.701.001.301.72ASTM D1621壓縮模量/MPa13.0022.2833.6046.7056.30ASTM D1621剪切強(qiáng)度/MPa0.450.800.861.211.29ASTM C273剪切

8、模量/MPa6.009.0017.6014.7024.90ASTM C273耐熱溫度/210205215240250DIN 3424AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料的分子鏈結(jié)構(gòu)中含有大量的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得泡沫塑料的基體樹脂本身具有高的力學(xué)性能和耐熱性能。AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料的泡孔結(jié)構(gòu)完整，閉孔率高；泡壁上的基體樹脂體積分率較高，且隨著增加而減少；泡沫塑料整體上各向同性。這些結(jié)構(gòu)特征共同賦予了AN/MAA/AM共聚物泡沫塑料優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能。參考文獻(xiàn)1 吳舜英，徐敬一. 泡沫塑料成型(第2版). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 1999：62 周文管，王喜順. 泡沫塑料主要力

9、學(xué)性能及其力學(xué)模型. 塑料科技. 2003，6（158）：173 Sun HL, Sur GS, Mark JE. Microcellular foams from polyethersulfone and polyphenylsulfone preparation and mechanical properties. European Polymer Journal., 2002,38: 2373.4.Okamoto K T 著，張玉霞 譯. 微孔塑料成型技術(shù). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.20045 陳挺，張廣成.丙烯腈/甲基丙烯酸共聚物泡沫塑料的制備與表征.中國塑料，2006，20（3）：70

10、Study of AN/MAA/AM Copolymer Foam PlasticZhang Guangcheng, Chen Ting, Liu Tiemin, Zhang Cui , Zhao XihaoApplied Chemistry Department, Northwestern Polytechnical University , Xian, Shannxi, 710072Abstract： Acrylonitrile (AN) /Methacrylic acid (MAA) /Acryloamide (AM) copolymer foam plastic was prepare

11、d via the means of two-step expansion. At the same time its bubble structure, mechanical and heat-resistant properties were investigated in this paper. Results reveal that the foam bubble is composed of polyhedrons, which are constructed by many planar bubble walls, and its closed-cell ratio is very

12、 high. With the density rising, bubble ridges become thicker and thicker, and its volume fraction increases, while the volume fraction of bubble wall decreases. The foaming multiple and bubble aperture are basically consistent in three-dimensional directions, so the foam plastic is isotropic. All these structural characters, which include a lot of imide rings, trapezium, crosslinking structures and fine b