加工流動性對PC樹脂性能的影響

畢靜利，張艷君

(魯西化工集團(tuán)股份有限公司，山東 聊城 252211)

聚碳酸酯(PC)是一種無定形的熱塑性塑料，由于主鏈由柔性的碳酸酯鏈與剛性的苯環(huán)相連接，使之具有許多優(yōu)良的工程性能。PC分子鏈的高鋼性和大的空間位阻使其具有較高的熔體粘度，進(jìn)而致使其加工難度較大。PC加工類型較多，如注塑成型、擠出拉條、擠出壓延、擠出流延、吹塑成型等工藝，其中擠出成型是主要的成型工藝之一。擠出成型工藝在塑料行業(yè)被廣泛的應(yīng)用，特別是在塑料樹脂顆粒加工過程中，可通過擠出完成多種物料的混合，另外還可脫除低沸點有機(jī)物及水分，起到脫揮作用。

對于PC來說，擠出加工是在剪切力和高溫作用下物料進(jìn)行物理混合并伴隨著化學(xué)反應(yīng)的過程。在擠出成型過程中，PC加工流動性是衡量加工難易、決定制品質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。PC加工流動性主要與PC熔體粘度有關(guān)[2-4]而熔體粘度大小可通過提高加工溫度[5]、潤滑劑的添加[6-7]進(jìn)行調(diào)整，但這些對PC性能影響情況還未見有報道。本文就擠出加工溫度以及潤滑劑添加量對加工流動性影響以及加工流動性對樹脂性能影響進(jìn)行研究。

1 實驗部分

1.1 原料和設(shè)備

1.1.1 原料

PC：粉料，魯西化工集團(tuán)股份有限公司；潤滑劑：脂肪酸酯A，意大利發(fā)基；抗氧劑：B900，巴斯夫。

1.1.2 設(shè)備

注射成型機(jī)：MA860/260G，海天注塑機(jī)集團(tuán)有限公司；雙螺桿擠出機(jī)：TSB-35，南京創(chuàng)博機(jī)械設(shè)備有限公司；紫外可見分光光度計：UV-2600，日本島津；凝膠滲透色譜：TDA 305，馬爾文；萬能拉伸試驗機(jī)：TCS-2000，高鐵檢測設(shè)備(東莞)有限公司。

1.2 性能測試和結(jié)構(gòu)表征

1.2.1 力學(xué)性能

120℃干燥4 h冷卻后按GB2918要求作狀態(tài)調(diào)整進(jìn)行外觀、質(zhì)量及性能檢測。采用顯微鏡進(jìn)行外觀觀察。按GB/T1843、GB/T1040、GB/T9341，采用萬能試驗機(jī)(TCS-2000，高鐵檢測儀器有限公司)測試沖擊強(qiáng)度、拉伸性能和彎曲性能，拉伸速率50 mm/min，彎曲速率2 mm/min。

1.2.2 GPC測試

采用四氫呋喃溶劑，流速為1 mL/min，采用小角光散射檢測器檢測絕對分子量。

1.2.3 熱失重分析

將擠出顆粒在氮氣氣氛下測試其熱穩(wěn)定性。先以10℃/min升溫速率從室溫升到500℃，溫度達(dá)到500℃恒溫20 min后再以10℃/min升至1000℃。

1.2.4 透光率

將擠出所得的粒料在120℃烘干4 h后注塑光學(xué)樣片，采用紫外可見分光光度計在380～780 nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行黃色指數(shù)的測定。利用huanterlab色差儀進(jìn)行透光率和霧度的檢測。

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1 擠出加工溫度和潤滑劑對PC加工流動性的影響

在材料擠出加工過程中，材料熔體流動性和溫度、剪切力以及分子結(jié)構(gòu)有較大的關(guān)系。熔體的流動從微觀上講是發(fā)生在相鄰分子鏈間的相互滑移，升高溫度或加入小分子潤滑劑可使得鏈段運(yùn)動能力提高、微孔擴(kuò)大，熔體粘度相對下降。

通過PC熔體質(zhì)量流動速率研究了不同溫度對PC熔體的流動性影響，如圖1所示。從圖1可以看出隨著溫度的升高，熔體粘度下降，熔體流動速率增大，但變化率低。因而對于PC來說，因熔體粘度較大，在一定的剪切力下，通過提高加工溫度增大PC加工流動性有一定局限性。

圖1 PC熔體流動速率與加工溫度關(guān)系曲線

通過熔體質(zhì)量流動速率的測定，研究了不同脂肪酸酯A添加量對熔體流動性的影響，如圖2所示，從數(shù)據(jù)來看，脂肪酸酯A添加量越大，熔體流動性就越好。這說明，在一定的溫度下，如果在熔體中加入一些與PC相容性較好、熱穩(wěn)定性好、對PC性能影響性較小的小分子如潤滑劑脂肪酸酯A，將很大程度降低分子鏈間相互作用力和纏繞，增加分子鏈運(yùn)動速度，提高熔體的流動性。

圖2 PC熔體流動速率與脂肪酸酯A添加量關(guān)系曲線

1.3.2 加工流動性對PC力學(xué)性能的影響

試驗了不同加工溫度對PC力學(xué)性能的影響[8]。如圖3所示，從試驗結(jié)果可以看出，隨著溫度升高，屈服強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度增大，沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長率等其他性能變化較小。這說明，在相同的螺桿轉(zhuǎn)速下提高加工溫度，可降低PC粘度，增大熔體流動性，減小熔體和螺桿、筒壁的粘附力和摩擦力，使得物料塑化和混合更好，其對性能有較大的改善。

圖3 屈服強(qiáng)度變化曲線

在PC擠出加工過程中加入與PC相容性較好的小分子潤滑劑，試驗了其對PC性能的影響情況[9]。如圖4所示，從試驗結(jié)果來看，隨著脂肪酸酯A用量的增加，屈服強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度增大，脂肪酸酯A用量低于2000 ppm時，強(qiáng)度值增加量較小，當(dāng)增加到3000 ppm以上時，強(qiáng)度大幅度提高。這說明適量的潤滑劑，可增大加工過程中熔體的流動性，對性能的改善更加明顯。

圖4 加工溫度和脂肪酸酯A對彎曲強(qiáng)度的影響

1.3.3 加工流動性對PC光學(xué)性能的影響

當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速一定的情況下，擠出溫度的高低直接關(guān)系到PC熔體的流動性和PC熱降解程度，而潤滑劑添加量的多少關(guān)系到PC熔體的流動性及塑化、混合均勻程度，進(jìn)而對PC光學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。

設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為350 r/min，試驗了240、250、280、300℃不同溫度下對光學(xué)性能的影響，如圖5、6所示。從圖5、6可以看出，溫度過高或者過低都會導(dǎo)致PC降解，光學(xué)性能變差。加工溫度過低時，因熔體流動性較差，PC塑化度低，混合不均勻。另外，因PC熔體粘度較大，PC與螺桿、機(jī)筒內(nèi)壁間產(chǎn)生較大的摩擦力，在壓縮力、剪切力及局部過熱相互作用下部分PC發(fā)生降解變色。加工溫度較高時，熔體粘度相對降低，流動性變好，但PC在剪切力和高溫相互作用下發(fā)生降解，擠出顆粒顏色變深，透光性降低。因此通過提高溫度來改善PC加工性，在一定程度上存在一些的局限性。

圖5 加工溫度對黃色指數(shù)的影響

圖6 加工溫度對透光率的影響

為保持PC良好的性能，將加工溫度設(shè)定為280℃，試驗了不同脂肪酸酯A添加量對PC光學(xué)性能的影響，如圖7、8所示。從試驗結(jié)果可以看出，隨著脂肪酸酯A添加量的增加，透光率增大，黃色指數(shù)減小，但增大到5000 ppm后PC外觀質(zhì)量變差，透光率變小，黃色指數(shù)變大。因此，PC中潤滑劑添加量過多或者過少都會使材料光學(xué)性能變差。

圖7 脂肪酸酯A添加量對透光率的影響

圖8 脂肪酸酯A添加量對黃色指數(shù)的影響

1.3.4 加工流動性對PC分子量分布的影響

表1 不同加工溫度對PC分子量分布的影響

分析了不同擠出溫度下和不同脂肪酸酯A添加量對PC分子質(zhì)量分布的影響[10-12]，如表所示，從試驗結(jié)果可以看出，在一定的螺桿剪切力下，隨著PC加工流動性提高，PC相對分子質(zhì)量分布變窄，低分子量和高分子量聚合物占比降低，決定材料強(qiáng)度的中間分子量占比增大。

表2 不同脂肪酸酯A添加量對PC相對分子質(zhì)量分布的影響

2 小結(jié)

(1)因PC熔體粘度較大，單獨通過提高加工溫度增大PC加工流動性有一定局限性，還需要加入潤滑劑，潤滑劑添加量越大加工流動性越好。

(2)隨著加工流動性增大，PC彎曲強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度升高，斷裂伸長率不變。

(3)隨著加工流動性增大，PC透光率增大，黃色指數(shù)降低，但加工溫度過高或者潤滑劑添加量過大，會導(dǎo)致透光率降低，黃色指數(shù)增大。

(4)在一定的螺桿剪切力下，加工流動性提高，分子量分布變窄，起主要強(qiáng)度作用的中間分子量占比增大。