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二氧化钛改性PS塑料原理、操作流程及注意事项

采用溶液-凝胶法制备纳米二氧化钛进行表面处理,在大分子分散剂存在下,通过母料法工艺制备了纳米二氧化钛/PS塑料复合材料。制备的纳米二氧化钛/PS塑料复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度和弹性模量在纳米二氧化钛含量2%时上升为最大值,且复合材料的硬度、耐燃性、阻燃性能随着纳米二氧化钛含量的增加而提高。将填料在干态下借助高速混合,在一定温度下使均匀地包敷在填料表面上,形成一极薄的表面处理层。其具体做法为:称取一定量纳米二氧化钛,加入高速搅拌机中,在100℃下搅拌、烘干1h,待冷却后加入2%的偶联剂,然后在100℃下搅拌、烘干0.5h。也可进行纳米二氧化钛的湿法处理:称取一定量的纳米二氧化钛,于100℃下烘干1h。冷却后加入三颈瓶中,再加入2%的偶联剂,用90-120℃沸腾的石油醚作为流液,加热回流0.5h,冷却后,移出纳米二氧化钛,真空吸虑后,烘干待用。

纳米复合材料的制备可分为以下几个步骤:①偶联剂处理纳米二氧化钛;②纳米二氧化钛在100℃与TAS(大分子分散剂)高速混合;③纳米二氧化钛与PS塑料共混;④母料的制备;⑤母料与PS塑料再共混;⑥纳米二氧化钛/PS塑料复合材料的制备及测试。

由于纳米二氧化钛半径小,表面积大,极易团聚成较大颗粒,若不经有效的表面处理被填充到PS塑料中去,只能得到微米级复合材料,且使PS塑料的力学性能降低。选用长链烷烃的末端含有苯环的钛酸酯偶联剂对二氧化钛进行表面处理,以降低二氧化钛的表面能,改善其与树脂的相容性,并形成柔性界面层。再选特定的大分子分散剂TAS,使二氧化钛在PS塑料基体中得到良好分散,然后再通过母料法制备纳米二氧化钛/PS塑料复合材料,二氧化钛以较大的团聚颗粒分布于PS塑料基体中,且呈不均匀分布,而母料法制备二氧化钛/PS塑料复合材料,且复合材料的性能较均一、稳定,测试树脂的离散型很小。

纳米二氧化钛可提高材料的缺口冲击强度,在二氧化钛含量为2%时,提高幅度最大。这是由于纳米粒子表面活性中心多,可以和基体紧密结合。当受到外力时,提高幅度最大。这是由于纳米粒子表面活性中心多,可以和基体紧密结合。当受到外力时,粒子不易与基体脱离,能较好地传递承受的外应力,引发周围基体产生局部屈服形变,增加耗散冲击能。同时因为应力场的相互作用,在基体内产生很多微变形区,也吸收了大量的能量,这两者的作用使纳米粒子对PS塑料具有增韧作用。纳米二氧化钛可提高二氧化钛/PS塑料的拉伸弹性模量,且随二氧化钛含量增加,二氧化钛/PS塑料的拉伸弹性模量随之增加,在二氧化钛含量为4%时,二氧化钛/PS塑料的拉伸弹性模量约增加20%。

硬度是材料使用的一个重要指标,由于PS塑料表面硬度不高,在使用时会造成制品表面擦伤、刮痕,这对电视外壳等日用品来说,是一个表较大的缺陷。随着纳米二氧化钛用量的增加,体系的硬度增加。

二氧化钛/PS塑料复合材料的起始、终了热失重温度和最大热失重温度都比原PS塑料有所提高,且随二氧化钛含量增加而上升,表明二氧化钛/PS塑料复合材料的应用范围更加扩大。

PS塑料材料本身不阻燃,加入纳米二氧化钛之后,可使二氧化钛/PS塑料的阻燃性能得到提高。纯PS塑料的燃烧速率为4.0cm/min,加入纳米二氧化钛后燃烧速率为3.3cm/min,纳米二氧化钛/PS塑料复合材料较纯PS塑料的燃烧速率下降近20%,从而使其在家用电器方面的应用具有进一步拓展的优势。

PS塑料取代ABS的主要障碍是耐环境应力性能低,其制品在与卤化烃或不饱和油脂接触时极易开裂,失去强度和使用价格。而纳米二氧化钛可使二氧化钛/PS塑料的耐环境应力开裂性能提高,其试样在油中开裂性能较纯PS塑料提高10倍。因此提高了二氧化钛/PS塑料耐化学物质、耐环境应力开裂的性能。

此外,纳米二氧化钛可以强烈地吸收紫外光,从而可提高二氧化钛/PS塑料的抗老化性能。同时具有抗菌、分解内毒素、分解异味气体及自清洁等特性。使用质量分数在0.5%-2.0%的纳米二氧化钛的符合材料加工流动性优于PS塑料;经EVA蜡改性的PS塑料/纳米二氧化钛的符合材料加工流动性优于PS塑料;经EVA蜡改性的PS塑料/纳米二氧化钛母料可得到良好分散效果,PS塑料/纳米二氧化钛制品表现出良好的紫外吸收能力。纳米二氧化钛质量分数在1%左右时,制品具有良好的抗菌、分解内毒素效果、分解异味气体及一定的表面自清洁功能。这一特征很重要,纳米二氧化钛只有吸收紫外光后,才能通过价带电子能级跃迁,产生空穴,继而产生活性自由基,发挥抗菌、分解内毒素及除异味的功能。以纳米二氧化钛质量分数为0.7%的PS塑料内胆板材生产的BCD207型直冷冰箱为监测样品,在关门密闭状态下,内部采用普通15W荧光灯为光源,在冷藏室内按40ug/L的质量浓度注入甲醛,进行催化降解,采用质谱仪对抽样气体进行定量检测,24h后,对甲醛的分解率可到90%以上。这证明了PS塑料/纳米二氧化钛复合材料具有良好的脆化分解异味气体能力。人类嗅觉对臭气很敏感,可感知时的实际浓度一般都很低,大多在10ug/L以下,而鱼产生的胺类臭味在10*10^-4ug/L时就可被感知。对于这样低浓度的臭味气体,在纳米二氧化钛存在的情况下,荧光灯所含的微量紫外光量就足以激发纳米二氧化钛产生活性,有效分解异味。

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