家電用PC/AS/丙烯酸合金材料研究

周 剛 莫榮強(qiáng)

（四川長(zhǎng)虹智能制造技術(shù)有限公司 綿陽 621000）

引言

聚碳酸酯樹脂（即PC樹脂）具有優(yōu)良的抗沖擊強(qiáng)度及優(yōu)異的機(jī)械、熱、電綜合性能，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子電器、工程建筑等領(lǐng)域，成為應(yīng)用最廣的五大工程塑料之一。盡管聚碳酸酯具有很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有比較明顯的缺點(diǎn)，聚碳酸酯原料成本高、缺口沖擊強(qiáng)度的厚度依賴性、耐化學(xué)穩(wěn)定性、耐擦劃性不足、加工流動(dòng)性差、易應(yīng)力開裂等[1]，這些不足使得聚碳酸酯的應(yīng)用受到很大的限制。

為了改善以上聚碳酸酯性能的缺陷，使其具有更加廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)常采用將聚碳酸酯樹脂與其它聚合物進(jìn)行共混制備聚碳酸酯合金材料，以彌補(bǔ)聚碳酸酯樹脂性能的不足。諸如，在眾多的聚碳酸酯復(fù)合材料中，PC/ABS復(fù)合材料應(yīng)用最廣。PC/ABS 復(fù)合材料既ABS材料的良好的成型流動(dòng)性，又具有 PC 材料的較高的熱變形溫度[2～3]。由于ABS（即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料）是應(yīng)用最廣的非通用塑料之一，具有優(yōu)良的抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)性、易合成加工等性能，共混物中的兩種組分提供了性能上的互補(bǔ)，使得復(fù)合物同時(shí)具有PC樹脂的高抗沖擊、抗熱變能力和ABS優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、易加工、低成本等優(yōu)點(diǎn)。近年來，PC/ABS合金的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向高韌性，而往往在提高材料沖擊強(qiáng)度的同時(shí),材料的拉伸強(qiáng)度下降明顯[4～6]。 此外，由于ABS中的橡膠相為聚丁二烯橡膠，具有不飽和雙鍵，易老化，因而ABS的耐候性較差。

為改善ABS材料的耐候性，經(jīng)過不斷研究開發(fā)出了ASA樹脂，PC/ASA復(fù)合材料沖擊性能好，耐應(yīng)力開裂，市場(chǎng)前景廣闊[7]，PC/ASA復(fù)合材料逐漸在取代現(xiàn)有的PC /ABS合金材料市場(chǎng)[8]，由于ASA樹脂采用聚丙烯酸丁酯橡膠代替了ABS樹脂中的聚丁二烯橡膠，使得ASA樹脂的耐候性較ABS樹脂大幅提升。將PC樹脂與ASA樹脂混合制備的合金材料具有優(yōu)異的耐候性特點(diǎn)。諸如中國(guó)專利文獻(xiàn)CN 102030976A公開了一種PC/ASA合金材料及其制備方法，具體公開了所述PC/ASA合金材料由下述重量份數(shù)的組分組成：聚碳酸酯25～80份、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯三元共聚物3～18份、有機(jī)硅-聚碳酸酯嵌段共聚物5～25份、丙烯腈-苯乙烯共聚物1～10份。

上述技術(shù)中，通過以聚碳酸酯和丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯三元共聚物為樹脂基體，通過添加有機(jī)硅-聚碳酸酯嵌段共聚物，有效降低了樹脂基體的內(nèi)應(yīng)力，增加了PC/ASA合金材料的韌性；丙烯腈-苯乙烯共聚物有效使各組分分子間發(fā)生作用，從而使得各組分相互結(jié)合，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的PC/ASA合金材料。然而，上述技術(shù)中由于PC/ASA樹脂基體中的ASA材料著色相對(duì)困難，將上述技術(shù)中制備得到的PC/ASA合金用于電子電器、汽車、工程建筑等領(lǐng)域時(shí)，由于上述領(lǐng)域的產(chǎn)品對(duì)美感要求較高，常常需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行著色，由于ASA存在不易著色的問題，這樣會(huì)導(dǎo)致PC/ASA合金在上述領(lǐng)域中使用受限。

本研究的PC/AS/丙烯酸樹脂合金材料，通過采用AS樹脂和丙烯酸樹脂，代替現(xiàn)有技術(shù)中的ASA樹脂與所述PC樹脂復(fù)合，制備得到的PC/AS/丙烯酸樹脂合金材料既具有PC/ASA合金材料具有的高耐候性，又具有PC/ABS合金材料具有的良好著色性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚碳酸酯（PC）：熱變形溫度為110～150 ℃，出光興產(chǎn)株式會(huì)社；AS: 熱變形溫度為80～105 ℃，奇美實(shí)業(yè)股份有限公司；丙烯酸樹脂：核殼結(jié)構(gòu)的全丙烯酸脂類，美國(guó)陶氏；相容劑：核殼結(jié)構(gòu)相容增韌劑，核是丁二烯一—苯乙烯（Tg＜-70 ℃）橡膠，外殼是聚甲基丙烯酸甲酯（硬殼），廣州合誠化學(xué)有限公司；ABS: 70～90 ℃，加工溫度220～260 ℃，LG化學(xué)企業(yè)有限公司；ASA: 奇美實(shí)業(yè)股份有限公司；微納硅酸鹽礦粉，深圳聯(lián)合鑫科技有限公司；納米硫酸鹽礦粉，自貢泓橋納米材料有限公司；微納鈦酸酯礦粉，天辰化工；流動(dòng)改性劑，UMG ABS 株式會(huì)社；主抗氧劑1010，巴斯夫股份公司；亞磷酸脂類抗氧劑168，輔助抗氧劑，巴斯夫股份公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)組：SHJ-36，南京杰恩特；水冷拉條造粒機(jī)組，HKY20，南京凱友橡塑機(jī)械；注塑成型機(jī)，HDX50，寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司；高速混合機(jī)：ZHVM-100，中恒機(jī)械；熔體流動(dòng)速率儀，XNR-400AM，承德寶輝試驗(yàn)機(jī)制造有限責(zé)任公司；微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，RGM-3010,深圳市瑞格爾儀器有限公司；液晶顯示組合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，XJJY-50Z，承德鑫馬測(cè)試一起有限公司；箱式干燥機(jī)，GZ120，上海環(huán)球機(jī)械有限公司；精密色差儀，HP-200，深圳市漢譜科儀有限公司。

1.3 材料配方與試樣制備

實(shí)驗(yàn)前，將原料80～120 ℃的溫度下干燥4～6 h[9]，按照表1中的配方比例，準(zhǔn)確稱取各物料，混勻，熔融，擠出，造粒，制得本色PC/AS/丙烯酸樹脂合金材料。

以配方A3制得的本色材料為基材、標(biāo)準(zhǔn)板顏色為目標(biāo)色，調(diào)色，并制備色母，命名為色母1。按照表2的配方比例，準(zhǔn)確稱取物料，混勻，熔融共混、造粒制得鋼琴黑PC/AS/丙烯酸合金材料。

擠出溫度：第一區(qū)到第七區(qū)依次是190 ℃，225 ℃，245 ℃，245 ℃，245 ℃，245 ℃，230 ℃， 機(jī)頭溫度240 ℃。材料在90 ℃烘干5 h，制備測(cè)試樣條及色板，注塑成型溫度：分別是：240 ℃，260 ℃，260 ℃。

表1 本色PC/AS/丙烯酸樹脂合金材料配方1（單位：Kg）

按照表3的配方，準(zhǔn)確稱取物料，混勻，熔融共擠出、造粒制得3種合金材料。

擠出溫度：第一區(qū)到第七區(qū)依次是190 ℃，225 ℃，245 ℃，245 ℃，245 ℃，245 ℃，230 ℃， 機(jī)頭溫度240 ℃。材料在90 ℃烘干5 h，制備測(cè)試樣條及色板，注塑成型溫度：分別是：240 ℃，260 ℃，260 ℃。

1.4 測(cè)試與表征

拉伸強(qiáng)度的制樣和測(cè)試按照GB/T 1040.2-2006，彎曲強(qiáng)度的制樣和測(cè)試按GB/T 9341，熔體質(zhì)量流動(dòng)速率（MFR）的測(cè)試參照GB/T 3682-2000，懸臂梁沖擊強(qiáng)度的制樣和測(cè)試參照GB/T 1843-2008。樣條在溫度（23±5）℃，相對(duì)濕度50 %±10 %，放置24 h后進(jìn)行性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同PC、AS和丙烯酸配比時(shí)，合金材料的成型加工性及力學(xué)性能比較

配方A1在熔融共混擠出時(shí)，料條易斷，牽引不起條；A2勉強(qiáng)可以牽條，加工性能稍好，但是仍有時(shí)而斷條的現(xiàn)象；A3～A5，能夠正常牽條。對(duì)A2～A5進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如表4。

熔體流動(dòng)速率的測(cè)試條件為250 ℃，2.16 Kg，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著丙烯酸樹脂含量的變化，材料的熔體流動(dòng)速率呈現(xiàn)一定的變化趨勢(shì)，丙烯酸樹脂含量較低時(shí)，含量增加，材料的熔體流動(dòng)性能降低，熔體黏度變大，當(dāng)丙烯酸含量為9 %時(shí)，材料的流動(dòng)性最低，再增加丙烯酸的含量，材料的流動(dòng)性會(huì)增加。

從表4可以看出：

1）隨著丙烯酸含量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)一定規(guī)律性的變化，A2～A4的拉伸強(qiáng)度依次降低，當(dāng)丙烯酸含量達(dá)到9 %時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度最低，再增加丙烯酸的含量，材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)增加。

2）隨著丙烯酸含量的增加，材料的彎曲強(qiáng)度與材料的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律一致，即A2～A4的彎曲強(qiáng)度依次降低，當(dāng)丙烯酸含量達(dá)到9 %時(shí)，材料的彎曲強(qiáng)度最低，再增加丙烯酸的含量，材料的彎曲強(qiáng)度會(huì)增加。

表2 PC/AS/丙烯酸樹脂合金材料配方21）（單位：Kg）

表3 3種合金材料配方（單位：Kg）

表4 不同PC、AS和丙烯酸配比時(shí)，合金材料的熔體流動(dòng)速率及力學(xué)性能

3）隨著丙烯酸含量的增加，材料的缺口沖擊強(qiáng)度也呈現(xiàn)一定規(guī)律性的變化，即A2～A4的缺口沖擊強(qiáng)度依次降低，當(dāng)丙烯酸含量達(dá)到9 %時(shí)，材料的缺口沖擊強(qiáng)度最低，再增加丙烯酸的含量，材料的缺口沖擊強(qiáng)度會(huì)增加。

丙烯酸含量增加，材料成本增加， A2材料的拉條性能相對(duì)較差，偶爾會(huì)出現(xiàn)斷條現(xiàn)象。綜上，A3的性能滿足客戶的技術(shù)指標(biāo)，并且材料的成本合理，因此，以A3的原料為基礎(chǔ)，添加不同礦粉后材料的表面光澤度進(jìn)行研究。

2.2 PC/AS/丙烯酸合金材料表面光澤度研究

按照B1～B7進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)所得樣品注塑成小樣板，進(jìn)行外觀光澤度比較，結(jié)果為：B1，B2，B3材料的表面光澤度對(duì)比結(jié)果，B2≥B1＞B3。由結(jié)果可知，當(dāng)?shù)V粉的添加量一定時(shí)，礦粉的粒徑越細(xì)，材料的表面光澤度越好。B2略好于B1，但相差不大，綜合材料成本考慮，選擇B1配方。B1，B4，B5，B6，B7的表面光澤的對(duì)比結(jié)果：B7≥B1＞B6＞B5＞B4。由結(jié)果可知，當(dāng)添加同一種礦粉，礦粉含量增加時(shí)，材料的表面光澤度依次上升，當(dāng)達(dá)到一定含量時(shí)，材料的表面光澤度變化不大，B7略好于B1，綜合材料成本考慮，選擇B1配方。綜上，材料選擇B1配方。

2.3 3種合金材料顏色對(duì)比

按照表3配方進(jìn)行試驗(yàn)，將制備的粒料烘干，注塑成型，并進(jìn)行色差測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5。

L，a，b是代表物體顏色的色度值。其中L:代表明暗度（黑白），值越大表示顏色越淺；a:代表紅綠色；b代表黃藍(lán)色?！鱁是總色差，等于；其中△L：如果是正值，說明樣品比標(biāo)準(zhǔn)板偏亮；如果是負(fù)值，說明偏暗；△a:如果儀器顯示是正值，說明樣板比標(biāo)準(zhǔn)偏紅，如果負(fù)值，說明偏綠；△b：如果是正值，說明樣板比標(biāo)準(zhǔn)偏黃，如果負(fù)值，說明偏藍(lán)。測(cè)試結(jié)果表明C3的配方體系的顏色優(yōu)于C2 PC/ASA配方體系，也略優(yōu)于C1 PC/ABS配方體系，更接近客戶對(duì)材料的外觀要求。此外，C3配方體系較C1 PC/ABS體系，具有更高的耐候性。綜上，材料選擇C3配方體系。

2.4 材料應(yīng)用

根據(jù)以上的研究結(jié)果，按照C3的配方，根據(jù)客戶提供的標(biāo)準(zhǔn)色板微調(diào)色母，制備出顏色目視效果一致，表面光澤度更好，力學(xué)性能滿足目標(biāo)客戶要求的鋼琴黑PC/AS/丙烯酸合金材料。該系列鋼琴黑PC/AS/丙烯酸合金材料已應(yīng)用于家電產(chǎn)品，如圖1所示，得到了客戶的認(rèn)可。

3 結(jié)論

1）丙烯酸的含量不同，合金材料的成型加工性能也不相同，當(dāng)丙烯酸的含量≤6 %時(shí)無法牽條，當(dāng)丙烯酸的含量為7 %時(shí)，合金材料可以勉強(qiáng)擠出，偶爾會(huì)斷條。當(dāng)丙烯酸的含量≥8 %時(shí)，材料可以正常擠出。與此相應(yīng)的是材料的熔體流動(dòng)速率呈一定的規(guī)律變化，丙烯酸樹脂含量較低時(shí)，含量增加，材料的熔體流動(dòng)性能降低，熔體黏度變大，當(dāng)丙烯酸含量為9 %時(shí)，材料的流動(dòng)性最低，再增加丙烯酸的含量，材料的流動(dòng)性會(huì)增加。

2）材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度隨著丙烯酸含量的變化也呈一定的變化規(guī)律。隨著丙烯酸含量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度依次降低，當(dāng)丙烯酸含量達(dá)到9 %時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度最低，再增加丙烯酸的含量，材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)增加；隨著丙烯酸含量的增加，材料的彎曲強(qiáng)度也呈現(xiàn)一定規(guī)律性的變化，彎曲強(qiáng)度在丙烯酸含量為7 %，8 %，9 %時(shí)依次降低，當(dāng)丙烯酸含量達(dá)到9 %時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度最低，再增加丙烯酸的含量，材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)增加；材料的缺口沖擊強(qiáng)度也在丙烯酸含量為7 %，8 %，9 %時(shí)依次降低，當(dāng)丙烯酸含量達(dá)到9 %時(shí)，材料的缺口沖擊強(qiáng)度最低，再增加丙烯酸的含量，材料的缺口沖擊強(qiáng)度會(huì)增加。

表5 3種合金材料色差測(cè)試結(jié)果

圖1 鋼琴黑PC/AS/丙烯酸合金材料

3）添加礦粉可以增加合金材料的表面光澤度，當(dāng)添加量一定時(shí)，礦粉的粒徑越細(xì)，材料的表面光澤度越好；當(dāng)添加同一種礦粉時(shí)，隨著礦粉含量的增加，材料的表面光澤度增加，當(dāng)?shù)V粉含量達(dá)到4 %時(shí)，再增加礦粉含量，材料的表面光澤度增加便不再明顯。

4）制備的PC/AS/丙烯酸合金材料較PC/ABS材料具有更高的耐候性，較PC/ASA材料具有更好的著色性，具有高硬度、耐擦劃、高耐候性鋼琴黑效果。