PPSBGx纳米复合材料的耐氧化性能分析

本章PPSBGx纳米复合材料耐氧化性能的表征与第三章一致，采用多种表征手段对复合材料的耐氧化性能进行测试分析，并根据测试分析提出耐氧化机理。

（一）拉伸强度分析

纯PPS 树脂及PPSBGx 纳米复合材料的力学测试样品经氧化处理后的力学性能如图4-15 所示，由图可知，经过氧化处理后，纯PPS 树脂的拉伸强度从76.5MPa 降低至7.4MPa，拉伸强度保持率仅为9.7%，表明样品受到强烈氧化，PPS分子链大量断裂，材料拉伸强度大幅下降。PPSBG0.5纳米复合材料的拉伸强度则是由113.4MPa 减小到49.2MPa，拉伸强度保持率为43.4%，PPSBG1 纳米复合材料的拉伸强度则是由132.4MPa 减小到61.1MPa，拉伸强度保持率为46.1%，PPSBG3纳米复合材料的拉伸强度从114.3MPa 降为49.6MPa，强度损失率为43.4%。由此可见，PPSBGx纳米复合材料的拉伸强度保持率显著高于纯PPS 树脂，同时，经氧化处理后的PPSBGx纳米复合材料的拉伸强度也显著高于纯PPS树脂。可以从两方面对这一现象进行解释，一方面，石墨烯片层起到异相成核剂的作用，促进PPS结晶以提高结晶度，并减少结晶不完整度，因而PPS分子链在晶区中排列紧密有序，氧化性物质难以进入晶体内部氧化使PPS分子链断裂；另一方面，石墨烯片层自身的屏蔽阻隔作用，延缓O2、NOx和SOx等氧化性物质在PPS基体中的扩散并减少与PPS接触，可阻碍迟滞氧化降解产物在PPS基体中的扩散与析出，从而延缓PPS分子链的氧化降解，因而PPSBGx纳米复合材料的拉伸强度保持率高于纯PPS树脂，所以添加BGN可改善PPS树脂的耐氧化性能。

图4-15氧化处理前后PPS及PPSBGx纳米复合材料的拉伸强度变化

（二）化学官能团分析

利用全反射红外光谱分析（ATR-FTIR）技术对氧化处理前后的PPSBGx纳米复合材料样品进行测试，分析处理前后样品中官能团的种类及含量的变化来表征耐氧化能力，并对耐氧化机理进行探讨分析。PPS 及PPSBGx纳米复合材料氧化处理前后的红外光谱图如图4-16所示，各官能团的相对吸光度在表4-6中列出。第三章的测试分析已表明，PPS树脂在经过熔融共混时会发生一定的氧化交联，并且纯PPS树脂经过氧化处理后氧化程度严重，分子链发生较大程度的断裂与交联。

表4-6　PPS树脂及PPSBGx 纳米复合材料氧化处理前后红外光谱特征吸收峰相对吸光度

从图4-16及表4-6中可以看出，在氧化处理前PPSBGx纳米复合材料与PPSBMx复合材料相同官能团的相对吸光度也存在较大差异，尤其是PPS 大分子主键C—S 键和苯环对位吸收峰的相对吸光度。PPSBGx纳米复合材料在小型混炼机中氮气保护下共混了30min，而第三章中PPSBMx复合材料仅在未通氮气下共混10min，可见尽管在长时间剪切力作用下，PPS大分子会断裂，但PPSBG1复合材料的C—S键的相对吸光度仍高于PPSBM1复合材料，表明在加工过程中利用惰性气体保护可一定程度延缓PPS的氧化，但是成本较高，不适用于工业化生产。

氧化处理后，PPSBG1纳米复合材料的各个官能团相对吸光度的变化趋势与纯PPS树脂也基本一致。从图4-16（b）及表4-6可以看出，PPSBG1纳米复合材料苯环上C—S键的减小程度尽管高于纯PPS树脂，但C—S键的相对吸光度却明显高于纯PPS，同时，砜基的增加程度也低于纯PPS树脂，亚砜基的减少程度低于纯PPS，砜基、亚砜基及芳香醚的相对吸光度也都低于纯PPS，表明BGN的添加一定程度延缓了PPS的氧化交联。石墨烯片层与MMT片层一样，一方面起到阻隔屏蔽作用，阻碍限制O2及强酸在PPS基体中的扩散，增加了传播路径，减少与PPS分子链的接触概率，同时，也可以限制PPS氧化性产物的扩散而引起的氧化连锁反应，进而延缓了PPS的氧化交联，提高耐氧化性；另一方面，蒙脱土纳米片层也促进PPS结晶，使结晶更为完善，PPS分子链的排列更为紧密有序，O2及强酸小分子难以进入PPS晶体内部，因而PPS的耐氧化性能得以改善。

(www.xing528.com)

图4-16　PPS及PPSBGx纳米复合材料氧化处理前后的红外光谱图

（三）表面元素分析

PPS树脂及PPSBG1纳米复合材料的XPS谱图如图4-17所示，并对其进行了归一化处理。由图可知，经氧化处理后PPS及PPSBG1纳米复合材料中O元素的含量都有提高，但是纯PPS 的提高幅度更大。未处理前，纯PPS 树脂的O 元素对C 元素的相对含量为0.24，氧化处理后，纯PPS树脂增大到0.54，而PPSBG1纳米复合材料也仅为0.42，与PPSBM1纳米复合材料基本一致，表明在氧化处理过程中纯PPS 树脂S 元素及C 元素会与外界大量O 元素结合发生氧化交联，而PPSBG1纳米复合材料中O 元素的相对含量增幅较少，表明添加BGN 可在一定程度上减小PPS 大分子与外界O 元素的结合程度，提高PPS 树脂的耐氧化能力。

图4-17PPS和PPSBG1纳米复合材料氧化处理前后的XPS图谱

对S元素进行窄幅扫描，研究各个官能团含量变化。纯PPS 树脂及氧化处理后PPS 和PPSBG1纳米复合材料的S2p的XPS图谱如图4-18所示，S元素各个官能团的含量列在表4-7中。氧化处理前后的纯PPS树脂S2p的XPS图谱已在第三章进行了详细分析，结果表明熔融共混后的纯PPS树脂发生部分氧化，PPS大分子链中含有部分亚砜基，氧化处理后的PPS分子链上的C—S键受到强烈的氧化破坏，含量大幅度降低，亚峰基和砜基的含量均有很大程度的增加。

表4-7　PPS及纳米复合材料的S2p中各个官能团的含量比

从图4-18（c）和表4-7 中可以看出，氧化处理后PPSBG1纳米复合材料S元素各个官能团的含量与PPSBM1 纳米复合材料十分接近。PPSBG1纳米复合材料S元素的S2p与纯PPS一样也可分为C—S 键、亚砜基和砜基三个峰[160]，含量分别为18.9%、14.9%和66.2%，C—S键的含量明显高于纯PPS，表明添加BGN 在一定程度上可减小C—S键氧化断裂的程度。值得注意的是，氧化处理后PPSBG1纳米复合材料的亚砜基与砜基的含量比接近1∶4.4，砜基的含量占有较大优势，与PPSBM1复合材料基本一致，而纯PPS树脂经过氧化处理后，以亚砜基存在的S元素含量较高，其与砜基的含量比接近1∶1.9，表明BGN的添加也可以促进PPS分子链中亚砜基向砜基的转变，与Bz-MMT片层的作用一致。除此之外，砜基中的S元素已经达到最高价态，难以再与O结合氧化，因而结构稳定，形成类似聚芳硫醚砜（PASS）的结构，BGN的片层也阻碍了氧化性物质的扩散，因此阻碍了PPS发生进一步的氧化分解。

综上，BGN 的添加与Bz-MMT 片层一样也可以促进亚砜基转变为砜基，形成类PASS 结构，S 元素达到最高价态，性质稳定难以被氧化，同时，氧化形成的类PASS 在PPS 基体表面形成保护层，加之BGN片层的阻隔屏蔽作用，限制阻碍氧化性物质及氧化分解产物的分散与传播，阻止PPS 基体内部分子链的进一步氧化分解，从而提高其耐氧化性。

图4-18PPS树脂及PPSBG1纳米复合材料中S2p的XPS谱图