TGIC對PBT/POE共混復合材料斷裂韌性的影響研究

曹 博，羅珊珊，楊 志，沈佳斌，郭少云

(四川大學高分子材料研究所，高分子材料與工程國家重點實驗室，成都610065)

聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)為乳白色結晶型熱塑性塑料，它具有較高的耐熱性，耐疲勞性，電絕緣性，但也有缺口沖擊強度低，成型收縮率大等缺點[1]。增韌改性是PBT高性能化的一個主要方向。乙烯-1-辛烯共聚物(POE)作為一種熱塑性聚烯烴彈性體常被用于聚合物的增韌改性。但由于PBT與POE相容性較差，共混后兩相的界面強度較低，難以有效的將應力傳遞到增韌相達到吸收能量的目的。異氰尿酸三縮水甘油酯(TGIC)是一種雜環多環氧化合物，在POE中加入一定量的TGIC后與PBT共混，可以利用TGIC與PBT官能團間的化學反應，提高PBT與POE的界面強度，從而實現POE對PBT的力學增韌。

本文利用基本斷裂功和缺口沖擊試驗，評價在拉伸和沖擊應力作用下，TGIC對PBT/POE共混物斷裂韌性的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，Crastin S600F10 NC010，密度為 1.31 ×103 kg/m3，杜邦公司;乙烯-1-辛烯共聚物(POE)，Engage 8150，密度為0.868 ×103 kg/m3，辛烯含量為 25%，DOW 化學公司;異氰尿酸三縮水甘油酯(TGIC)，分子量為297.27，環氧當量為102～108 g/eq，鞍山潤德精細化工有限公司。

1.2 試樣制備

首先，將經過真空干燥的TGIC與POE經雙螺桿擠出機擠出、造粒、干燥。TGIC的含量分別為0，1 phr和5 phr.擠出機各段溫度分別為100℃，140℃，175℃，170℃.然后，將 POE/TGIC共混物與PBT按10/90(wt/wt)的比例再次經雙螺桿擠出機進行擠出、造粒、干燥。擠出機各段溫度分別為:170℃，220℃，245℃，240℃。最后，將PBT/POE/TGIC共混物在240℃下用壓機熱壓成型。用作基本斷裂功測試的樣品厚度為0.5 mm，用作缺口沖擊測試的樣品厚度為4 mm.

1.3 基本斷裂功測試

基本斷裂功(essential work of fracture，EWF)方法[2-5]所用的試樣為雙邊缺口拉伸試樣(DENT)，如圖1所示。當試樣受到載荷后，斷裂過程和塑性變形發生在兩個不同的區域，分別為內部斷裂過程區(inner fracture process zone，IFPZ)和外部塑性變形區(outer plastic deformation zone，OPDZ)[6]。因此，試樣的總斷裂功(Wf)被認為由基本斷裂功和非基本斷裂功兩個部分組成。其中，基本斷裂功(We)耗散在IFPZ區域，是一個表面能;非基本斷裂功(Wp)耗散在OPDZ區域，是一個體積能量。三者之間的關系為:

研究表明，We與試樣韌帶長度(l)成正比，Wp與試樣韌帶長度的平方(l2)成正比。因此，公式(1)可以寫成:

其中，Wf，We和Wp分別為材料單位韌帶橫截面積(tl)的比總斷裂功，比基本斷裂功和比非基本斷裂功。β為塑性變形區的形狀因子，僅與試樣形狀有關。已經證明，We在理論上是一個僅依賴于材料厚度的材料常數，反映材料抵抗裂紋擴展的能力，因而可以作為表征材料斷裂韌性的指標[7]。

圖1 DENT樣品原理圖Fig.1 Schematic of DENT specimen

EWF測試樣條的制備方法為:將壓板制得的厚度為0.5 mm的薄板裁成如圖1所示DENT試樣形狀。用鋒利刀片在光學顯微鏡下在所用試樣缺口處預制不同韌帶長度。然后用拉伸機(微機控制電子萬能試驗機，CMT4104，深圳市新三思材料檢測有限公司)在室溫下對試樣進行拉伸，記錄載荷-位移曲線，位移速率為5 mm/min.

1.4 缺口沖擊性能測試

將壓板制得的厚度為4 mm的薄板切割成長80 mm，寬10 mm的長方體沖擊樣條。按照 GB/T 1843-1996標準，在沖擊樣條的中部開出深度為2 mm的缺口，然后在懸臂梁沖擊機(XJU-22沖擊試驗機，承德大華試驗機有限公司)上進行沖擊性能測試。每個體系測試5根樣條，并計算平均值。

2 結果與討論

2.1 拉伸韌性分析

圖2所示為填加不同含量TGIC的POE與PBT共混物試樣在拉伸過程中的載荷-位移曲線。從圖中可以看出，各體系不同韌帶長度的試樣均被拉至斷裂。但對于未填加TGIC體系(圖2a)，某些韌帶長度的試樣在達到屈服后迅速斷裂，塑性變形很小，表明在拉伸過程中出現了不穩定的裂紋擴展。隨著TGIC含量的增加，載荷-位移曲線逐漸趨于穩定。當POE中TGIC含量達到5 phr時(圖2c)，所有試樣的載荷在達到最大值后均緩慢下降，顯示出典型的韌性斷裂行為。隨著韌帶長度的增加，試樣的屈服強度、斷裂位移及曲線下的面積(總斷裂功，Wf)均隨之增大，載荷-位移曲線具有良好的自相似性。

圖2PBT/POE共混物含有(a)0 phr，(b)1 phr，和(c)5 phr TGIC的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of PBT/POE blends with(a)0 phr，(b)1 phr，and(c)5 phr TGIC in POE phase.

圖3PBT/POE共混物含有(a)0 phr，(b)1 phr，和(c)5 phr TGIC的wf-l散點圖;(d)we-TGIC含量散點圖Fig.3 Plots of wf against l for PBT/POE blends with(a)0 phr，(b)1 phr，and(c)5 phr TGIC in POE phase;(d)Plots of we against TGIC contents.

將圖2中各體系的載荷-位移曲線數據作進一步處理，可以得到韌帶長度(l)與其對應的比總斷裂功(Wf)的關系圖(如圖3所示)。可以看到，隨著TGIC含量的增加，l與Wf的線性擬合相關系數(R2)逐漸增大，說明TGIC的加入有利于改善PBT/POE共混體系的韌性，使其更加符合預測比基本斷裂功(We)的必要條件。而從線性擬合得到的We的結果顯示(圖2d)，POE中含有5 phr TGIC的PBT/POE(90/10，wt/wt)共混體系與未填加TGIC的體系相比，其 We從35.2 kJ/m2提高到了48.1 kJ/m2.這更為直接的說明，填加了TGIC的POE使材料抵抗裂紋擴展的能力得以增強。相比而言，各體系線性擬合的斜率變化較小，說明TGIC含量的增加對材料拉伸過程的塑性變形能力影響不大。

2.2 沖擊韌性分析

圖4所示為填加不同含量TGIC的PBT/POE共混物(90/10，wt/wt)試樣的缺口沖擊性能比較。可以看到，隨著TGIC含量的增加，體系的缺口沖擊強度逐漸提高。當POE中TGIC含量達到5 phr時，與未填加TGIC的體系相比，其沖擊強度從7.2 MPa增加到10.5 MPa，提高了近47%.表明 TGIC的加入改善了體系的沖擊韌性，這一趨勢與其對體系拉伸韌性的影響是完全一致的。分析認為，TGIC對PBT/POE共混體系拉伸和沖擊韌性的改善作用源于POE中的TGIC與PBT官能團間的化學反應提高了增韌相與基體相的界面粘接，使應力可以通過相界面傳遞到增韌相，進而達到吸收能量的目的。

圖4PBT/POE/TGIC共混物沖擊強度-TGIC含量散點圖Fig.4 Plots of impact strength against TGIC contents for PBT/POE/TGIC composites.

3 結論

(1)TGIC的加入有利于提高PBT/POE共混體系的拉伸斷裂韌性。隨著其含量的增加，體系的比基本斷裂功逐漸增大，抵抗裂紋擴展的能力得以增強。但比非基本斷裂功變化較小，對材料拉伸過程的塑性變形能力影響不大。

(2)缺口沖擊性能測試結果顯示，隨著TGIC含量的增加，PBT/POE共混體系的沖擊強度逐漸提高。與未添加TGIC的體系相比，加入了5 phr TGIC的體系的缺口沖擊強度提高了近47%.說明TGIC加入有利于提高POE與PBT的界面粘接，使應力可以通過相界面傳遞到增韌相，進而達到吸收能量的目的。

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