抗劃傷劑對聚碳酸酯/晶須硅體系性能的影響

孫小文，劉 斌，邱 諜

（華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣東 廣 州510640）

抗劃傷劑對聚碳酸酯/晶須硅體系性能的影響

孫小文，劉 斌＊，邱 諜

（華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣東 廣 州510640）

利用抗劃傷劑對質量分數為5%的晶須硅改性后的聚碳酸酯/晶須硅體系進行抗劃傷改性，通過鉛筆硬度計、維卡儀、電子萬能試驗機和高壓流變儀分別測定其改性后的抗劃傷性能、熱力學性能、力學性能和流變性能。結果表明，抗劃傷劑對聚碳酸酯/5%晶須硅體系抗劃傷改性的最佳配方為：聚碳酸酯/5%晶須硅/1.2%抗劃傷劑，此時的鉛筆硬度達到2H。

聚碳酸酯；晶須硅；抗劃傷劑；抗劃傷性能

0 前言

聚碳酸酯是一種具有良好透明性的塑料，其綜合性能優異、用途極為廣泛，其產品廣泛應用于電子電器、汽車、機械制造、航空航天、計算機和光盤等技術領域[1－2]。

然而，聚碳酸酯材料的表面抗劃傷性能較差，很大程度上降低了產品的美觀程度，而且在制品表面產生的劃痕也會導致應力集中。為了提高聚碳酸酯的抗劃傷性能，筆者曾用不同質量分數的晶須硅對聚碳酸酯進行了抗劃傷改性[3]，得到聚碳酸酯/5%晶須硅的條件下其抗劃傷性能有較好的改善，其鉛筆測試硬度達H，而且改性后的聚碳酸酯體系具有較好的綜合性能。但是，對于制品表面性能要求高的領域，比如手機等電子產品的外殼，聚碳酸酯的應用仍受到一定限制。為了擴大聚碳酸酯在高端產品中的應用，聚碳酸酯需有更高的抗劃傷性能[4－8]。為此，本研究以聚碳酸酯/5%晶須硅為基礎體系，通過加入抗劃傷劑對其進行抗劃傷改性，并探討抗劃傷劑對聚碳酸酯/5%晶須硅體系的抗劃傷性能、力學性能、熱性能和流變性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚碳酸酯，PC3101，泰國拜耳公司；

晶須硅，化學純，上海匯精亞納米新材料有限公司；

無水乙醇，分析純，濃度＞99%，上海聯試化工試劑有限公司昆山分公司；

抗劃傷劑，化學純，廣州市重凱化工有限公司；

硅烷偶聯劑，KH－550，化學純，廣州維立納貿易有限公司。

1.2 主要設備及儀器

電熱鼓風干燥箱，CS101－3，重慶試驗設備廠；

高速混合機，GH－10DY，北京市塑料機械廠；

雙螺桿擠出機，PLASTI－CORDER，德國Brabender公司；

平板硫化機，QLB－25D/Q，無錫市第一橡塑機械制備廠；

電子萬能材料試驗機，臺式5566，美國Instron公司；

熱變形/維卡儀，HDT6，意大利Ceast公司；

熔體流動速率儀，MP－933，美國Tinius Olsen公司；

高壓流變儀，RHEOLOGIC5000，意大利Ceast公司；

鉛筆硬度計，291，珠海天創儀器有限公司；

熱失重分析儀（TG），TG209，德國Netzch公司。

1.3 樣品制備

將聚碳酸酯置于120℃的電熱鼓風干燥箱中干燥8h后裝入塑料袋中密封，防止原料再次受潮；用無水乙醇將硅烷偶聯劑按1∶2（體積比）稀釋，偶聯劑的用量為填料質量的1%，在填料表面以霧狀噴入稀釋后的偶聯劑，將溶劑烘干備用；根據表1配方將聚碳酸酯/5%晶須硅和抗劃傷劑在高速混合機中混合至均勻；采用雙螺桿擠出機造粒，將粒料置于120℃的電熱鼓風干燥箱中干燥8h后測試材料的熱分解溫度、熔體流動速率和流變性能；雙螺桿擠出機自加料段開始各段溫 度 依 次 為：245、260、265、270、280、280、275、275℃，螺桿轉速為45r/min；最后，在平板硫化機中將粒料壓制成板材，壓制溫度為260℃，壓力為13MPa，時間為6min。

表1 抗劃傷改性系的實驗配方Tab.1 Experimental formula for PC and scratch－resistant agent system

1.4 性能測試與結構表征

按GB/T6739—1996進行鉛筆硬度測試，試樣尺寸為160mm×75mm×4mm；

按GB/T1634—2004進行熱變形溫度測試，試樣尺寸為80mm×10mm×4.0mm，傳熱介質為硅油，升溫速率為120℃/h，施加的砝碼質量為306g，樣品變形量為0.34mm；

按GB/T1040—2006進行拉伸性能測試，試驗速度為2mm/min；

按GB/T9341—2000進行彎曲性能測試，試驗速度為2mm/min；

按GB/T1843—2008進行缺口沖擊強度測試，V形缺口，最大沖擊能量為5.5J，沖擊速率為3.5m/s；

TG分析：取（8±1）mg經雙螺桿擠出機造粒后的粒料，氮氣氛圍保護，以10℃/min的升溫速率從25℃升溫至700℃，記錄TG曲線；

按GB/T 3682—2000進行熔體流動速率測試，測試溫度為300℃，使用砝碼重1200g，每隔30s取一次樣，共取樣5個，然后稱重求平均值，計算熔體流動速率；

按ASTM D 3835—2008進行流變性能測試，活塞速度從0.002mm/min到1000mm/min（標準速率比1∶500000），口模直徑為2mm，長徑比為20，測試口模溫度分別為280℃。

2 結果與討論

2.1 抗劃傷性能

從表2可以看出，抗劃傷劑可提高聚碳酸酯/5%晶須硅體系的抗劃傷性能。當抗劃傷劑含量低于1.2%時，改性聚碳酸酯體系的抗劃傷性能無明顯改善，當抗劃傷劑的含量大于1.2%時，改性聚碳酸酯體系的抗劃傷性能明顯改善，其中當抗劃傷劑含量為2%時，改性聚碳酸酯體系的抗劃傷性能最好，為3H。這是因為：抗劃傷劑含有潤滑劑成分，抗劃傷劑能遷移到材料表面，降低材料的表面張力，賦予材料表面滑爽性，從而降低材料表面的摩擦系數，減小表面摩擦力，改善抗劃傷性能。抗劃傷劑含有提高材料硬度的成分，當抗劃傷劑與材料共混改性時，材料的表面硬度得到改善，其抗劃傷性能提高。

表2 不同抗劃傷劑含量時聚碳酸酯/5%晶須硅體系的鉛筆硬度Tab.2 Pencil hardness of PC/5%silicon whisker system with different content of scratch－resistant agent

2.2 熱性能

圖1 抗劃傷劑含量對碳酸酯/5%晶須硅體系熱變形溫度的影響Fig.1 Effect of various contents of scratch－resistant agent on heat distortion temperature of PC with 5%silicon whisker

從圖1可以看出，隨著抗劃傷劑含量的增加，改性聚碳酸酯體系的熱變形溫度隨之增加，但增加趨勢逐漸變緩。這是因為抗劃傷劑的主要成分是聚二甲基胺鹽改性物，含有增硬耐磨的成分，而且表面活性高、分散性好，當其添加到改性聚碳酸酯體系時，可均勻混合在一起，從而提高聚碳酸酯表面硬度和抵抗外力變形的能力，所以，改性聚碳酸酯體系的熱變形溫度隨著抗劃傷劑含量的增加而逐漸增大。

從圖2可以看出，隨著抗劃傷劑含量的增加，聚碳酸酯/5%晶須硅體系的熱穩定性并沒有發生明顯變化，聚碳酸酯的初始分解溫度只是小范圍的有所增加，但降解溫度和失重率卻隨著抗劃傷劑含量的增多基本保持不變。這可能因為抗劃傷劑的添加雖稍微改善了聚碳酸酯初始降解溫度，但并沒有改變聚碳酸酯自身的降解機理，碳酸鍵的水解、醇解和異亞丙基的鏈斷裂仍為其降解的主要途徑。由于抗劃傷劑的添加量很少，所以對其降解溫度和熱失重率影響很小。

圖2 不同抗劃傷劑含量的碳酸酯/5%晶須硅體系的TG和DTG曲線Fig.2 TG and DTG curves for PC with 5%silicon whisker and different contents of scratch－resistant agent

2.3 力學性能

從圖3可以看出，在含有抗劃傷劑的改性聚碳酸酯體系中，隨著抗劃傷劑含量從0增加到2%時，聚碳酸酯的拉伸強度、彎曲強度持續增加，斷裂伸長率和缺口沖擊強度隨之下降，且隨著抗劃傷劑用量的增加，改性聚碳酸酯體系的斷裂伸長率和缺口沖擊強度的變化趨勢逐漸變緩。這是因為：抗劃傷劑的主要成分是聚二甲基胺鹽改性物，不僅保持了聚二甲基胺鹽優良的柔軟性和平滑性，表面活性高，而且還添加了增硬耐磨的成分，當其添加到改性聚碳酸酯體系中時，不僅能均勻混合在一起，而且還產生較強的相互作用力，從而改善了復合材料的拉伸強度和彎曲強度，但隨著抗劃傷劑添加量的增加改性聚碳酸酯體系變脆，因而斷裂伸長率和缺口沖擊強度下降。

2.4 熔體流動性能

從圖4可以看出，隨著抗劃傷劑用量的增加，改性聚碳酸酯體系的熔體流動速率得到明顯提高，這是由于抗劃傷劑具有非常好的柔軟性和平滑性，表面活性高，可均勻分散于改性聚碳酸酯體系中，對聚合物熔體起到較好的潤滑作用，提高聚碳酸酯的加工流動性，所以熔體流動速率曲線一直處于上升狀態。

2.5 流變性能

從圖5可以看出，改性聚碳酸酯體系熔體為假塑性流體。隨著抗劃傷劑含量的增加，改性聚碳酸酯體系的表觀黏度和K逐漸下降，非牛頓指數（n）逐漸增加。這說明隨著抗劃傷劑含量的增加，改性聚碳酸酯體系的n增大，非牛頓性減小，剪切速率對改性聚碳酸酯體系黏度的影響減小，改性聚碳酸酯體系可以在較寬的剪切速率范圍內加工成型。這是因為抗劃傷劑具有非常好的柔軟性和平滑性，表面活性高，可均勻分散于改性聚碳酸酯體系中，對聚合物熔體起到較好的潤滑作用，降低了改性聚碳酸酯與毛細管壁的摩擦作用，因而改性聚碳酸酯的熔體黏度隨著剪切速度的增大而減小。

圖3 抗劃傷劑含量對聚碳酸酯/5%晶須硅體系力學性能的影響Fig.3 Effect of various contents of scratch－resistant agent on mechanical properties of PC with 5%silicon whisker

圖4 抗劃傷劑含量對聚碳酸酯/5%晶須硅體系熔體流動速率的影響Fig.4 Effect of various contents of scratch－resistant agent on melt flow rate of PC with 5%silicon whisker

圖5 抗劃傷劑含量對聚碳酸酯/5%晶須硅體系表觀黏度的影響Fig.5 Effect of various contents of scratch－resistant agent on apparent viscosity of PC with 5%of silicon whisker

3 結論

（1）隨著抗劃傷劑含量的增加，聚碳酸酯/5%晶須硅體系的拉伸強度、彎曲強度、熔體流動速率和抗劃傷性能有所提高，缺口沖擊強度和斷裂伸長率減小，熔體的非牛頓性減弱；當抗劃傷劑含量為2%時，改性體系的抗劃傷性能最好，鉛筆硬度達3H；

（2）本研究的最佳改性配方為：聚碳酸酯/5%晶須硅/1.2%抗劃傷劑。此時改性體系的熱變形溫度為136.8℃，起始分解溫度為509.4℃，降解溫度為533.3℃，拉伸強度為72.61MPa，斷裂伸長率為6.07%，彎曲強度為84.99MPa，沖擊強度為5.13kJ/m2，熔體流動速率為42.36g/10min，鉛筆硬度為2H。

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Effect of Scratch－resistant Agent on Scratch Resistant Property of PC/Silicon Whisker System

SUN Xiaowen，LIU Bin＊，QIU Die
（The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education，National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Scratch－resistant agent was introduced into PC system containing five percent of silicon whisker.Scratch resistant properties，thermodynamic properties，mechanical properties，and rheological behavior of the modified PC system were studied using pencil tester，vicat apparatus，electronic universal testing machine，and high－pressure rheometer.It was found that the PC system with the best scratch resistance properties was PC/5%silicon whisker/1.2%scratchresistant agent，which reached a pencil hardness of 2H.

polycarbonate；silicon whisker；scratch－resistant agent；scratch resistant property

TQ323.4＋1

B

1001－9278（2012）08－0035－05

2012－03－23

＊聯系人，bliu＠scut.edu.cn