提高玻璃纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料流動性能的方法研究*

肖 一，甘夢雨，魏 錚，林煒煌，楊 勇

(廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

聚碳酸酯(PC)由于具有良好的透光性和優(yōu)異的力學(xué)性能，能夠廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。聚碳酸酯分子鏈段上的苯環(huán)結(jié)構(gòu)使分子鏈彼此纏結(jié)強(qiáng)烈，不易滑脫，它在外力的作用下不易變形，具有很高的尺寸穩(wěn)定性，同時聚碳酸酯具有良好的耐熱性、優(yōu)異的耐老化性、良好的機(jī)械性能。由于PC結(jié)構(gòu)的特殊性，成為了五大工程塑料中增長最快的通用工程塑料[1]。

雖然PC具有許多優(yōu)點，但由于PC熔體粘度高，流動性差，易應(yīng)力開裂，耐溶劑性差，在溶劑和堿性環(huán)境中易應(yīng)力開裂和膨脹，限制了其應(yīng)用[2]。

玻璃纖維(GF)作為一種無機(jī)非金屬材料，具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，是一種良好的增強(qiáng)材料。用玻璃纖維改性PC雖然能夠提高PC的耐熱性、機(jī)械性能、尺寸穩(wěn)定性[3]。但是增強(qiáng)體玻璃纖維的加入會進(jìn)一步降低聚碳酸酯的熔體流動性。因此尋求一種改性劑，通過改性劑的添加來改善GF/PC的流動性，并且確保機(jī)械性能的穩(wěn)定，顯得十分必要。

聚烯烴彈性體(POE)是一類乙烯和辛烯基的熱塑性彈性體。POE分子量分布集中，由于鏈段支鏈短，具有良好的加工性能和機(jī)械性能[4]。本實驗采用POE對GF/PC復(fù)合材料進(jìn)行改性以期望改善GF/PC的流動性能，并且探究出三者的最佳配比。同時選擇LDPE、PP作為改性劑，探究并評價在相同配比下POE、LDPE、PP三種材料對GF/PC復(fù)合材料的性能影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHT35/600-18.5-40雙螺桿擠出機(jī)，南京科瑞擠出機(jī)械有限公司；臥式注塑機(jī)，無錫海天機(jī)械有限公司；MTM1000熔融指數(shù)測定儀，深圳三思縱橫科技股份有限公司；DSC214差示掃描量熱儀、TG209F3熱重分析儀，德國Netzsch儀器公司；ETM1048萬能拉伸試驗機(jī)、501J懸臂梁沖擊試驗機(jī)、501J簡支梁沖擊試驗機(jī)，深圳萬測試驗設(shè)備有限公司；Sigma500掃描電子顯微鏡，德國卡爾蔡司公司。

雙酚A型聚碳酸酯(L-1250Y)，帝人聚碳酸酯有限公司；短切玻璃纖維(5 mm)，江蘇康達(dá)夫新材料科技有限公司；聚烯烴彈性體(6202)，美國?？松?；低密度聚乙烯(N150)，中國石化上海石油化工股份有限公司；聚丙烯(T30S)，中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司。

1.2 實驗方法

將PC、GF、POE、LDPE、PP置于鼓風(fēng)烘箱中，在80 ℃烘干12 h。將烘干的原料按照配比，使用雙螺桿擠出機(jī)共混擠出。使用臥式注塑機(jī)注塑成型，測試性能。

1.3 測試表征

使用熔融指數(shù)測定儀在一定條件下(設(shè)定溫度：260 ℃，砝碼質(zhì)量：2.16 kg)測量復(fù)合材料的熔融指數(shù)[5]；使用萬能試驗機(jī)及沖擊試驗機(jī)測試注塑樣條的機(jī)械性能[6]；使用差示掃描量熱儀(DSC)測試復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[7]，設(shè)定起始溫度20 ℃，終點溫度270 ℃，升溫速率10 K/min，采用二次升溫數(shù)據(jù)；使用熱重分析儀(TG)測試復(fù)合材料的分解溫度，設(shè)定起始溫度35 ℃，終點溫度600 ℃，升溫速率為10 K/min，氮氣氛圍；使用掃描電子顯微鏡表征拉伸斷面的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

將POE、LDPE、PP作為改性劑按表1所示配比添加在GF/PC中制備三元復(fù)合材料[8]。

表1 樣品編號及比例

2.1 改性劑種類對復(fù)合材料熔融指數(shù)的影響

在復(fù)合材料GF/PC中分別添加2份的POE、LDPE、PP，制備三元復(fù)合材料。測得的熔融指數(shù)如圖1所示。玻璃纖維的加入導(dǎo)致PC的流動性降低。POE、LDPE、PP的添加均可以改善GF/PC復(fù)合材料的加工流動性，其中LDPE對GF/PC的流動性提高最多，PP對GF/PC的流動性提升最低。添加2份的POE可以將GF/PC的流動性從6.09 g/10 min提高到10.82 g/10 min，提升77.67%。

圖1 改性劑種類對GF/PC熔融指數(shù)的影響

2.2 POE添加量對復(fù)合材料熔融指數(shù)的影響

圖2中顯示了改性劑POE的添加量與復(fù)合材料熔融指數(shù)的關(guān)系。我們可以看到由于玻璃纖維為無機(jī)纖維填料，在加工溫度下不能熔融，作為增強(qiáng)材料添加后，聚碳酸酯熔體粘度進(jìn)一步提高，加入玻璃纖維后聚碳酸酯的熔融指數(shù)由8.01 g/10 min下降到了6.09 g/10 min，下降了23.97%。加工性能變差。

圖2 POE添加量對GF/PC熔融指數(shù)的影響

添加改性劑POE后復(fù)合材料的流動性得到了明顯的加強(qiáng)，隨著POE含量的增加，復(fù)合材料的流動性持續(xù)提高。添加2份的POE時，熔融指數(shù)由原來的6.09 g/10 min增加到13.81 g/10 min，提高了126.77%。POE的添加可以極大地提高了GF/PC復(fù)合材料的加工性能。

2.3 POE添加量對復(fù)合材料機(jī)械性能的影響

如圖3a所示，加入玻璃纖維后，聚碳酸酯樹脂和玻璃纖維發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)及界面結(jié)合，由于纖維的彈性模量比樹脂基體大得多，因此在拉伸過程中可以承擔(dān)很大一部分的應(yīng)力，在拉伸試驗中，一方面玻璃纖維增加了與基體之間的摩擦力，另一方面玻璃纖維在抽出時要克服纏繞在其表面上的大分子鏈之間的作用力，從而使得PC/GF 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度大幅度提高。添加1份的玻璃纖維后聚碳酸酯材料的拉伸強(qiáng)度有明顯的改善，復(fù)合材料GF/PC的平均拉伸強(qiáng)度由原來的21.11 MPa增強(qiáng)到34.58 MPa，增加了63.81%。彈性模量由0.65 GPa提高到了1.64 GPa，增長了1.52倍，材料發(fā)生一定彈性變形所需的應(yīng)力提高，材料的剛性增加。

圖3 POE添加量對GF/PC機(jī)械性能的影響

添加POE后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量有所降低，并且隨著POE添加量的增多，下降趨勢更明顯。添加2份的POE時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量與PC相差不大。

復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量隨POE添加量的變化關(guān)系如圖3b所示。從圖3b上可以發(fā)現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)后的聚碳酸酯其彎曲強(qiáng)度與彎曲模量同樣得到了明顯的提高。添加POE后，彎曲強(qiáng)度由原來的1094.84 MPa提高到1268.41 MPa，提升了15.85%。彎曲模量由11.61 GPa提高到了13.21 GPa，提升了13.78%。

隨著POE添加量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量逐漸降低。彎曲強(qiáng)度降低較為明顯，彎曲模量隨POE添加量增加而降低幅度有限。

2.4 POE添加量對復(fù)合材料熱性能的影響

定義Td5%(℃)為復(fù)合材料的質(zhì)量損失5%時的溫度，即聚合物的分解溫度。結(jié)合圖4我們可以得知，聚碳酸酯在391 ℃時開始分解，分解溫度為448 ℃。在添加玻璃纖維后，GF/PC復(fù)合材料在405 ℃開始分解，提高了耐熱溫度。POE的加入使得GF/PC的分解溫度有所降低，這是由于POE屬于短鏈高聚物分解溫度較低導(dǎo)致的。但是由于POE中存在結(jié)晶，升溫過程中，晶區(qū)熔融吸熱消耗了部分熱量，隨著POE添加量的增加，復(fù)合材料的分解溫度緩慢提升，與聚碳酸酯分解溫度相差不大。

圖4 POE添加量對GF/PC熱穩(wěn)定性的影響

圖5呈現(xiàn)了三元復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與POE添加量的關(guān)系，聚碳酸酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為153 ℃，而添加玻璃纖維后的材料Tg為149 ℃。隨著POE添加量的增多，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度緩慢降低，但均保持在140 ℃以上，與聚碳酸酯相差不大。同時也在A3、A4、A5曲線上觀察到了POE的晶區(qū)熔融吸熱峰。

圖5 POE添加量對GF/PC玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響

2.5 POE添加量對復(fù)合材料微觀形貌的影響

圖6是添加POE后，三元復(fù)合材料掃描電鏡微觀形貌圖。從圖6中可以觀察到聚碳酸酯與POE未出現(xiàn)明顯相分離現(xiàn)象，兩相容和良好。玻璃纖維及拔出后留下的空穴分布均勻，說明共混擠出時玻璃纖維分散均勻。

圖6 POE添加量對GF/PC微觀形貌的影響

同時在A1中能觀察到聚碳酸酯拉伸斷面光滑平整，發(fā)生了明顯的脆性斷裂。隨著POE添加量的增多，基體形貌逐漸變得不平整甚至出現(xiàn)拉拔現(xiàn)象，復(fù)合材料基體韌性逐漸增強(qiáng)，復(fù)合材料逐漸向韌性轉(zhuǎn)變。

3 結(jié) 論

三種改性劑POE、LDPE、PP均能明顯降低GF/PC復(fù)合材料的加工粘度，添加2份的POE可以將GF/PC復(fù)合材料的加工流動性提高77.67%。隨著POE添加量的增多，POE/GF/PC三元復(fù)合材料的加工流動性逐漸提高，熔融指數(shù)由原來的 6.09 g/10 min增加到13.81 g/10 min，提高了126.77%。復(fù)合材料的機(jī)械性能會受到POE的影響，添加2份的POE，復(fù)合材料的機(jī)械性能與聚碳酸酯相差不大。改性劑的添加對復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能影響不大，改性劑POE可以與聚碳酸酯基體具有良好的相容性，并且隨著POE添加量的增多，復(fù)合材料韌性增強(qiáng)。