不同種類/配比的聚碳酸酯合金的制備與表征

唐若谷

摘要：聚碳酸酯（PC）共混物（合金）已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。本研究設(shè)計(jì)不同比例的PC/ABS和PC/ASA合金配方，通過擠出成型造粒，并通過注射成型制備了一系列的PC/ABS和PC/ASA和PC/ASA/PMMA共混物，基于此研究了共混物組成和共混比例對其形貌、力學(xué)和熱力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，與純聚碳酸酯樣品相比，共混會影響其形貌，且共混物的組成和比例對合金的力學(xué)、熱學(xué)性能有較大影響。

關(guān)鍵詞：共混物 PC/ABS PC/ASA 力學(xué)性能

中圖分類號：TQ32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（b）-0080-04

Abstract：Polycarbonate blends have been widely applied in industry. In this work， the formula of PC blends was designed， and then a set of PC/ABS and PC/ASA blends was prepared based on extrusion and injection molding. The effects of blend components/ratios on blend morphologies， mechanical and thermal properties were investigated. The results indicated that blending will result in morphology changing， and the components in blend and corresponding ratio will significantly affect on mechanical and thermal properties.

Key Words：Polymer blends； PC/ABS； PC/ASA； Mechanical properties

聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）是一種無定型高分子，結(jié)構(gòu)中碳酸基團(tuán)與另一些基團(tuán)交替排列[1-3]。聚碳酸酯的透光率高達(dá)90%，僅次于PMMA。目前最常用的是雙酚A型PC，它具有良好的韌性、透明性和耐熱性[4，5]。聚碳酸酯的主要缺陷是對缺口敏感[6，7]。目前對聚碳酸酯的改性主要以制備它的共混物（合金）為主[8-10]，共混對象主要有丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物（ABS）、丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸三元共聚物（ASA）等。

本文制備了一系列不同比例的PC/ABS和PC/ASA和PC/ASA/PMMA共混物，并研究了共混物組成和共混比例對其形貌、力學(xué)和熱學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

原材料：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物、丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸三元共聚物。

儀器及設(shè)備：恒溫鼓風(fēng)干燥箱、雙螺桿擠出機(jī)、注塑機(jī)、電子拉力試驗(yàn)機(jī)、簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)、邵氏D型硬度計(jì)、掃描電鏡。

2.2 PC合金的配比

PC/ABS合金的配比如表1所示。

PC/ASA合金的配比如表2所示。

2.3 PC合金試樣的制備

聚碳酸酯可以采用注塑、擠出、吹塑、旋塑、熱成型和發(fā)泡成型等工藝，但主要是前3種方法。由于聚碳酸酯分子鏈剛性較大，粘溫敏感性要大于粘切敏感性，提高溫度會使黏度明顯下降；其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高，成型時(shí)進(jìn)入模腔的熔體分子鏈被剪切取向后松弛速度慢，當(dāng)熔體迅速冷卻至玻璃化溫度以下時(shí)，分子鏈來不及松弛就被凍結(jié)，造成制品內(nèi)較大的內(nèi)應(yīng)力。減小內(nèi)應(yīng)力的方法是盡可能提高熔體溫度和模具溫度（最高可達(dá)100℃），采用高注射速率，帶嵌件制品應(yīng)對嵌件預(yù)熱，制品脫模后在125℃熱處理24h等。聚碳酸酯在成型前需對粒料進(jìn)行嚴(yán)格干燥，因?yàn)樯倭克衷诔尚蜏囟认聲瘐セ?、斷鏈，使制品力學(xué)性能，特別是沖擊強(qiáng)度明顯下降，也會嚴(yán)重影響制品外觀（出現(xiàn)銀紋）。干燥條件是在120℃烘干4～6h。在本實(shí)驗(yàn)中，作者結(jié)合了前人的研究經(jīng)驗(yàn)，確定了擠出造粒和注射成型的各項(xiàng)工藝參數(shù)，確保了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，具體步驟如下。

（1）干燥：所有原料與助劑在95℃下干燥4h。

（2）造粒：采用雙螺桿擠出機(jī)造粒，一區(qū)溫度230℃，二區(qū)溫度235℃，三區(qū)溫度238℃，四區(qū)溫度240℃，機(jī)頭溫度240℃，熔體溫度220℃。

（3）注塑：機(jī)頭溫度（260～265）℃，一區(qū)溫度（240～250）℃，二區(qū)溫度（245～252）℃，三區(qū)溫度（248～255）℃，四區(qū)溫度（250～258）℃，模具溫度85℃。注射壓力10MPa，保壓壓力10.5MPa，保壓時(shí)間10s。

2.4 PC合金的性能表征

（1）拉伸強(qiáng)度測試：按照GB/T 1040.1-2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，1A型試樣，拉伸速度50mm/min。

（2）邵氏D硬度測試：按照GB/T 2411-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，15s讀數(shù)。

（3）彎曲性能測試：按照GB/T 9341-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，速率2mm/min。

（4）簡支梁缺口沖擊測試：按照GB/T1043.1-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，1型試樣，A型缺口，側(cè)向沖擊，擺錘沖擊能量7.5J。

（5）沖擊斷面形貌表征：對純PC、PC/ABS（70：30）、和PC/ASA（70∶30）樣品的沖擊斷面分別進(jìn)行掃描電鏡觀察.

（6）維卡軟化點(diǎn)測試：按照GB/T 1633-2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；升溫速率為120℃/h，負(fù)荷為10N。

（7）熱重分析：按照GB/T 27761-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

表3為不同配比的PC/ABS合金的力學(xué)性能。結(jié)果表明，隨著ABS的不斷接入，PC合金的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度逐漸下降，硬度基本維持不變，而沖擊強(qiáng)度則隨著ABS接入逐步提升，在PC∶ASA=70∶30處達(dá)到最大值并達(dá)到穩(wěn)定。PC與ABS的配比和合金力學(xué)性能的關(guān)系可以從3個(gè)角度來解釋：（1）ABS的剛性遠(yuǎn)低于聚碳酸酯本體，加入后合金整體的剛性下降，故合金的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨ABS用量增大而下降；（2）ABS具有部分彈性體結(jié)構(gòu)（由丁二烯嵌段提供），韌性優(yōu)于聚碳酸酯，故加入后合金的缺口抗沖擊強(qiáng)度有所增加。

表4為不同配比的PC/ASA合金的力學(xué)性能。從表中可以看出，隨著ASA比例的增加：合金的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度逐漸下降，硬度基本維持不變，沖擊強(qiáng)度先逐漸增大，在PC∶ASA=70∶30處達(dá)到最大值，然后急劇降低。ASA用量對PC合金力學(xué)性能的影響與ABS類似，但不同之處在于過量的ASA會使抗沖擊性能急劇降低，可能原因有：（1）當(dāng)ABS用量過多時(shí)，它形成的分散區(qū)域較大，使得合金的均一性降低，使得合金缺口抗沖擊強(qiáng)度也隨之下降；（2）由于極性、溶度參數(shù)等差異，當(dāng)ABS用量增大至一定范圍時(shí)PC與ABS界面的粘結(jié)性變差，使得合金抵抗外力變形和抗沖擊能力進(jìn)一步降低。

對比表3和表4可以發(fā)現(xiàn)，在相同配比下，PC/ABS合金的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度要弱于PC/ASAA合金，而沖擊強(qiáng)度則優(yōu)于PC/ASA合金。這與ABS和ASA的結(jié)構(gòu)有關(guān)。ABS含有丁二烯成分，而丁二烯富含雙鍵（柔性較高），因此ABS韌性較好，從而使PC/ABS沖擊強(qiáng)度較強(qiáng)，而彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度較弱。對ASA而言，由不含雙鍵的丙烯酸酯取代了丁二烯，因此ASA剛性提高、韌性下降，因此PC/ASA合金的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度較PC/ABS而言有所提升，沖擊強(qiáng)度則有所下降。

圖1（a）（b）（c）為PC、PC/ABS、PC/ASA沖擊斷面的掃描電鏡圖片，可以看出純聚碳酸酯的斷面的形貌分布均一，PC/ABS和PC/ASA合金的斷面形貌也較為均勻，這與它們之間的極性、表面張力較為接近有關(guān)，但兩種合金的斷面圖像表明已經(jīng)出現(xiàn)了相分離和“海-島”形貌。

表5、表6為PC/ABS和PC/ASA的熱學(xué)性能。從中可以看出，合金的維卡軟化溫度、起始熱分解溫度和50%熱分解溫度均低于純聚碳酸酯，這是因?yàn)楹辖鸬木恍韵陆?。此外PC/ABS的熱穩(wěn)定性要弱于PC/ASA，因?yàn)锳BS的二烯鏈段對熱氧極為敏感，在高溫下易分解。

4 結(jié)語

本文制備了一系列的PC/ABS和PC/ASA合金，并研究了其形貌、力學(xué)和熱學(xué)性能。結(jié)果表明，共混成分和比例對合金的力學(xué)和熱學(xué)性能均有較大影響，ABS和ASA的接入使合金的韌性提高、剛性下降，因此合金的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度均有所下降，沖擊強(qiáng)度有所提升。此外ABS和ASA的接入破壞了材料的均一性，故熱穩(wěn)定性有所降低。本實(shí)驗(yàn)表明，對共混物而言，共混成分的選擇和比例的確定對材料的性能起著至關(guān)重要的作用。

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