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        聚雙環(huán)戊二烯耐腐蝕性能研究

        2022-07-07 00:44:02胡貴寶楊維成喬擬春喬新峰
        上海塑料 2022年3期
        關(guān)鍵詞:耐腐蝕性變化率極性

        胡貴寶, 郭 松, 楊維成,2,3, 喬擬春, 喬新峰,2,3,艾 波, 羅 勇

        (1. 上?;ぱ芯吭河邢薰荆?上海 200062;2. 聚烯烴催化技術(shù)與高性能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200062;3. 上海市聚烯烴催化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200062; 4. 上海華誼(集團(tuán))公司, 上海 200040)

        0 前言

        聚雙環(huán)戊二烯(PDCPD)是一種高性能熱固性樹(shù)脂,兼具剛性和韌性,具有優(yōu)異的力學(xué)性能。該樹(shù)脂單體在金屬卡賓催化劑的作用下,可實(shí)現(xiàn)快速固化成型,且操作條件簡(jiǎn)單、固化溫度低,樹(shù)脂單體料液黏度低、流動(dòng)性好、易與纖維浸潤(rùn)[1-3]。目前,PDCPD相關(guān)制品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、生活用品、汽車(chē)、航空航天和軍工等多個(gè)領(lǐng)域[4-5],其使用環(huán)境多樣且復(fù)雜,可能面臨海水、有機(jī)溶劑和各種酸堿溶液的侵蝕。因此,耐腐蝕性是影響PDCPD產(chǎn)品性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[6-8]。開(kāi)展PDCPD的耐腐蝕性研究,將有助于挖掘該材料的潛力,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域,推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

        高分子材料的腐蝕是一個(gè)物理作用與化學(xué)作用共同作用的結(jié)果。溶劑通過(guò)滲透、擴(kuò)散進(jìn)入高分子材料的內(nèi)部;隨后,進(jìn)入的組分與分子鏈段相互作用,從而破壞分子本身的化學(xué)鍵,使材料發(fā)生溶脹、應(yīng)力開(kāi)裂、軟化等現(xiàn)象[9-11]。另外,高分子材料中活潑的基團(tuán)可被氧化,引起材料力學(xué)性能的下降,直至喪失材料的使用功能。當(dāng)前,PDCPD正處于從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期,有必要開(kāi)展PDCPD的耐腐蝕性能研究,為PDCPD及其制件的推廣應(yīng)用提供參考。為此,筆者以Grubbs二代催化劑為基礎(chǔ),制備PDCPD材料,評(píng)估了多種有機(jī)溶劑、酸溶液、堿溶液和鹽溶液對(duì)PDCPD性能的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原料

        雙環(huán)戊二烯(DCPD,純度≥98.0%)樹(shù)脂、樹(shù)脂催化劑、硫酸(H2SO4)、鹽酸(HCl)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)、氫氟酸(HF)、氫氧化鈉(NaOH)、氯化鈉(NaCl)、甲酸、乙酸、甲醇、乙醇、乙腈、石油醚、丙二醇、乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、苯、甲苯、苯乙烯、四氫呋喃、丙酮、甲基硅油、異辛烷,均為市售分析純或化學(xué)純,未進(jìn)一步處理。

        1.2 主要設(shè)備及儀器

        分析天平,F(xiàn)A2204,上海力辰科技儀器有限公司;

        磁力攪拌器,DF-101S,鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;

        鼓風(fēng)干燥箱,DHG-9240A,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;

        微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),CMT 6104,濟(jì)南明湖儀器有限公司;

        伺服控制拉力試驗(yàn)機(jī),CZ-8000A,江西眾志儀器有限公司;

        數(shù)控雕刻機(jī),CM-L1390,上海創(chuàng)鳴激光設(shè)備廠。

        1.3 樣品制備

        在室溫下,將DCPD樹(shù)脂與催化劑組分按比例倒入燒杯中,在磁力攪拌器的作用下攪拌1 min,使兩者混合均勻,再將混合后的樹(shù)脂溶液緩慢倒入預(yù)先清洗過(guò)的模具中,使樹(shù)脂溶液完全充滿模腔。注入完成后將模具閉合,移至80 ℃烘箱中,靜置10 min后,取出模具,待冷卻至室溫,取出得到樹(shù)脂澆注體,即為PDCPD純樹(shù)脂板材。

        1.4 性能測(cè)試

        耐腐蝕性能測(cè)試:參照GB/T 11547—2008 《塑料 耐液體化學(xué)試劑性能的測(cè)定》,制備厚度為2 mm的PDCPD薄片,并分割成1 cm × 1 cm的正方形樣品。對(duì)樣品進(jìn)行第一次稱重,記錄樣品質(zhì)量m0;將樣品浸泡于溶液中,一段時(shí)間后取出對(duì)樣品進(jìn)行第二次稱重,記錄樣品質(zhì)量m1;根據(jù)2次稱重結(jié)果計(jì)算質(zhì)量變化率L(L=(m0-m1)/m0)。

        彎曲性能測(cè)試:參照GB/T 2567—2021 《樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》,用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在25 ℃下進(jìn)行彎曲性能測(cè)試,采用無(wú)約束支撐,通過(guò)三點(diǎn)彎曲,以10 mm/min的加載速率破壞試樣,每個(gè)試樣進(jìn)行5組平行實(shí)驗(yàn)。

        拉伸性能測(cè)試:參照GB/T 2567—2021,用伺服控制拉力試驗(yàn)機(jī)在25 ℃下進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,初始階段拉伸速率為0.1 mm/min,1 min后將拉伸速率切換至50 mm/min,拉伸至試樣斷裂,每個(gè)試樣進(jìn)行5組平行實(shí)驗(yàn)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同催化劑含量對(duì)PDCPD耐腐蝕性能的影響

        已有的研究表明,PDCPD的性能與催化劑的含量關(guān)系密切[12]。選取4種具有代表性的試劑:10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)鹽酸、10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、乙酸乙酯作為介質(zhì),在室溫條件下,浸泡樣品,每隔5 d,取出后,擦干表面溶劑,稱重,計(jì)算質(zhì)量變化率,并以此評(píng)估PDCPD的耐腐蝕性能。圖1為不同催化劑含量下制備得到PDCPD材料的耐腐蝕性能比較。

        圖1 不同催化劑含量對(duì)PDCPD樹(shù)脂耐腐蝕性能的影響

        由圖1可以看出:PDCPD樣品在酸、堿和無(wú)水乙醇介質(zhì)中,質(zhì)量變化率均低于1%;PDCPD樣品(DCPD料液∶催化劑(質(zhì)量比)=100∶1)在乙酸乙酯中浸泡25 d后質(zhì)量變化率大于1.5%。說(shuō)明PDCPD材料在酸、堿和無(wú)水乙醇中的耐腐蝕性能優(yōu)異,這是因?yàn)镻DCPD具有輕度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可使其在許多介質(zhì)中維持結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定,從而對(duì)一些溶劑具有較好的耐腐蝕性。隨著PDCPD材料在介質(zhì)中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),其質(zhì)量變化率逐漸上升,且上升速率趨于平緩,其原因可能是:在浸泡初期,溶劑分子擴(kuò)散進(jìn)PDCPD材料內(nèi)部,造成PDCPD材料質(zhì)量增加明顯;隨著時(shí)間的延長(zhǎng),滲入PDCPD材料的溶劑分子趨于飽和,其滲入速率也會(huì)趨于平緩。另外,催化劑含量增大,PDCPD材料的質(zhì)量變化率明顯減小,這是因?yàn)樘岣叽呋瘎┯昧繒?huì)增加PDCPD材料的交聯(lián)度,有利于減少溶脹的發(fā)生,進(jìn)而降低溶劑浸泡后的質(zhì)量變化率。因此,通過(guò)增加催化劑含量可以提高PDCPD的耐腐蝕性能。

        DCPD料液與催化劑的質(zhì)量比為100∶1時(shí),PDCPD材料的耐腐蝕性能較差,結(jié)合文獻(xiàn)[12]的研究,PDCPD材料力學(xué)性能下降比較明顯,在某些溶劑中質(zhì)量變化率大于1%。因此,筆者將DCPD料液與催化劑的質(zhì)量比固定為100∶2。

        2.2 PDCPD在不同溶劑中的質(zhì)量變化情況

        將PDCPD材料在多種溶劑中浸泡24 h,測(cè)試了PDCPD材料對(duì)于多種溶劑的耐腐蝕性,結(jié)果見(jiàn)表1和表2(其中:●表示質(zhì)量變化率<1%;▲表示質(zhì)量變化率為1%~5%;×表示質(zhì)量變化率為5%~8%;—表示未檢測(cè))。

        由表1可以看出:固化后的PDCPD材料由于交聯(lián)度高,形成緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對(duì)強(qiáng)極性溶劑具有較好的耐受性。但是PDCPD材料浸泡在非極性和弱極性溶劑中,質(zhì)量變化率明顯增大,表明PDCPD材料在這類(lèi)溶劑中會(huì)發(fā)生溶脹現(xiàn)象。這是因?yàn)镻DCPD材料分子結(jié)構(gòu)中帶有環(huán)狀烯烴結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)極性較小,當(dāng)其接觸類(lèi)非極性溶劑或者部分弱極性溶劑時(shí),由于極性相近,促使溶劑進(jìn)入PDCPD材料的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi),進(jìn)而溶脹腐蝕PDCPD材料。PDCPD材料在其他極性溶劑中質(zhì)量變化率較小,說(shuō)明PDCPD材料針對(duì)極性溶劑具有較好的耐腐蝕性。

        表1 PDCPD耐有機(jī)溶劑腐蝕測(cè)試結(jié)果

        表2 PDCPD耐酸堿鹽測(cè)試結(jié)果

        2.3 腐蝕過(guò)程對(duì)PDCPD力學(xué)性能的影響

        圖2 浸泡時(shí)間對(duì)PDCPD力學(xué)性能的影響

        由圖2(a)、圖2(c)可以看出:在乙醇和石油醚介質(zhì)中浸泡7 d后,PDCPD材料的力學(xué)性能(彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度)均無(wú)明顯變化,說(shuō)明PDCPD材料在乙醇和石油醚等溶劑中具有較好的穩(wěn)定性。但在乙酸乙酯弱極性溶劑介質(zhì)中浸泡1 d后,PDCPD材料性能出現(xiàn)明顯下降;7 d后,彎曲強(qiáng)度下降21%,拉伸強(qiáng)度下降14%,拉伸強(qiáng)度下降說(shuō)明乙酸乙酯的溶脹過(guò)程影響了材料的性能。

        由圖2(b)、圖2(d)可以看出:PDCPD材料在酸、堿、鹽溶液中具有較好的穩(wěn)定性,其力學(xué)性能(彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度)均無(wú)明顯變化。其中,PDCPD材料在濃氫氟酸中浸泡1 d后力學(xué)性能反而有所上升,其彎曲強(qiáng)度增加21%,拉伸強(qiáng)度增加18%;隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),材料力學(xué)性能下降至接近初始值[16],說(shuō)明PDCPD材料是一種耐受氫氟酸的材料,在有氫氟酸的環(huán)境中可以得到應(yīng)用。

        3 結(jié)語(yǔ)

        測(cè)試在不同含量催化劑下,PDCPD材料在4種溶劑中的質(zhì)量變化率。結(jié)果表明:除乙酸乙酯外,PDCPD材料的質(zhì)量變化率均低于1%。催化劑含量的提高可以降低PDCPD材料的質(zhì)量變化率,提高其耐腐蝕性能;因此優(yōu)選DCPD料液與催化劑質(zhì)量比為100∶2。

        PDCPD材料在大多數(shù)有機(jī)溶劑和水溶性溶劑中的穩(wěn)定性較好。由于相似相溶原理,PDCPD易被非極性和弱極性有機(jī)溶劑所溶脹。另外,PDCPD材料結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵在強(qiáng)氧化性酸溶液中易被氧化而腐蝕。

        PDCPD材料在乙醇和石油醚中浸泡了7 d后材料力學(xué)性能不受影響,在低濃度酸、堿、鹽溶液中性能基本不變;PDCPD材料在濃氫氟酸中浸泡1 d后材料彎曲強(qiáng)度提升21%,拉伸強(qiáng)度提升18%。

        綜上,PDCPD材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,可以將PDCPD材料的應(yīng)用推廣至檢測(cè)、分析和有機(jī)合成等領(lǐng)域,作為承裝材料等結(jié)構(gòu)組件。

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