不同種類/配比的聚碳酸酯合金的制備與表征

唐若谷

摘要：聚碳酸酯（PC）共混物（合金）已廣泛應用于各種工業領域。本研究設計不同比例的PC/ABS和PC/ASA合金配方，通過擠出成型造粒，并通過注射成型制備了一系列的PC/ABS和PC/ASA和PC/ASA/PMMA共混物，基于此研究了共混物組成和共混比例對其形貌、力學和熱力學性能的影響。結果表明，與純聚碳酸酯樣品相比，共混會影響其形貌，且共混物的組成和比例對合金的力學、熱學性能有較大影響。

關鍵詞：共混物 PC/ABS PC/ASA 力學性能

中圖分類號：TQ32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（b）-0080-04

Abstract：Polycarbonate blends have been widely applied in industry. In this work， the formula of PC blends was designed， and then a set of PC/ABS and PC/ASA blends was prepared based on extrusion and injection molding. The effects of blend components/ratios on blend morphologies， mechanical and thermal properties were investigated. The results indicated that blending will result in morphology changing， and the components in blend and corresponding ratio will significantly affect on mechanical and thermal properties.

Key Words：Polymer blends； PC/ABS； PC/ASA； Mechanical properties

聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）是一種無定型高分子，結構中碳酸基團與另一些基團交替排列[1-3]。聚碳酸酯的透光率高達90%，僅次于PMMA。目前最常用的是雙酚A型PC，它具有良好的韌性、透明性和耐熱性[4，5]。聚碳酸酯的主要缺陷是對缺口敏感[6，7]。目前對聚碳酸酯的改性主要以制備它的共混物（合金）為主[8-10]，共混對象主要有丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物（ABS）、丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸三元共聚物（ASA）等。

本文制備了一系列不同比例的PC/ABS和PC/ASA和PC/ASA/PMMA共混物，并研究了共混物組成和共混比例對其形貌、力學和熱學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

原材料：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物、丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸三元共聚物。

儀器及設備：恒溫鼓風干燥箱、雙螺桿擠出機、注塑機、電子拉力試驗機、簡支梁沖擊試驗機、邵氏D型硬度計、掃描電鏡。

2.2 PC合金的配比

PC/ABS合金的配比如表1所示。

PC/ASA合金的配比如表2所示。

2.3 PC合金試樣的制備

聚碳酸酯可以采用注塑、擠出、吹塑、旋塑、熱成型和發泡成型等工藝，但主要是前3種方法。由于聚碳酸酯分子鏈剛性較大，粘溫敏感性要大于粘切敏感性，提高溫度會使黏度明顯下降；其玻璃化轉變溫度較高，成型時進入模腔的熔體分子鏈被剪切取向后松弛速度慢，當熔體迅速冷卻至玻璃化溫度以下時，分子鏈來不及松弛就被凍結，造成制品內較大的內應力。減小內應力的方法是盡可能提高熔體溫度和模具溫度（最高可達100℃），采用高注射速率，帶嵌件制品應對嵌件預熱，制品脫模后在125℃熱處理24h等。聚碳酸酯在成型前需對粒料進行嚴格干燥，因為少量水分在成型溫度下會引起酯基水解、斷鏈，使制品力學性能，特別是沖擊強度明顯下降，也會嚴重影響制品外觀（出現銀紋）。干燥條件是在120℃烘干4～6h。在本實驗中，作者結合了前人的研究經驗，確定了擠出造粒和注射成型的各項工藝參數，確保了實驗的順利進行，具體步驟如下。

（1）干燥：所有原料與助劑在95℃下干燥4h。

（2）造粒：采用雙螺桿擠出機造粒，一區溫度230℃，二區溫度235℃，三區溫度238℃，四區溫度240℃，機頭溫度240℃，熔體溫度220℃。

（3）注塑：機頭溫度（260～265）℃，一區溫度（240～250）℃，二區溫度（245～252）℃，三區溫度（248～255）℃，四區溫度（250～258）℃，模具溫度85℃。注射壓力10MPa，保壓壓力10.5MPa，保壓時間10s。

2.4 PC合金的性能表征

（1）拉伸強度測試：按照GB/T 1040.1-2006標準進行，1A型試樣，拉伸速度50mm/min。

（2）邵氏D硬度測試：按照GB/T 2411-2008標準進行，15s讀數。

（3）彎曲性能測試：按照GB/T 9341-2008標準進行，速率2mm/min。

（4）簡支梁缺口沖擊測試：按照GB/T1043.1-2008標準進行，1型試樣，A型缺口，側向沖擊，擺錘沖擊能量7.5J。

（5）沖擊斷面形貌表征：對純PC、PC/ABS（70：30）、和PC/ASA（70∶30）樣品的沖擊斷面分別進行掃描電鏡觀察.

（6）維卡軟化點測試：按照GB/T 1633-2000標準進行；升溫速率為120℃/h，負荷為10N。

（7）熱重分析：按照GB/T 27761-2011標準進行。

3 結果與討論

表3為不同配比的PC/ABS合金的力學性能。結果表明，隨著ABS的不斷接入，PC合金的彎曲強度和拉伸強度逐漸下降，硬度基本維持不變，而沖擊強度則隨著ABS接入逐步提升，在PC∶ASA=70∶30處達到最大值并達到穩定。PC與ABS的配比和合金力學性能的關系可以從3個角度來解釋：（1）ABS的剛性遠低于聚碳酸酯本體，加入后合金整體的剛性下降，故合金的拉伸強度和彎曲強度隨ABS用量增大而下降；（2）ABS具有部分彈性體結構（由丁二烯嵌段提供），韌性優于聚碳酸酯，故加入后合金的缺口抗沖擊強度有所增加。

表4為不同配比的PC/ASA合金的力學性能。從表中可以看出，隨著ASA比例的增加：合金的拉伸強度、彎曲強度逐漸下降，硬度基本維持不變，沖擊強度先逐漸增大，在PC∶ASA=70∶30處達到最大值，然后急劇降低。ASA用量對PC合金力學性能的影響與ABS類似，但不同之處在于過量的ASA會使抗沖擊性能急劇降低，可能原因有：（1）當ABS用量過多時，它形成的分散區域較大，使得合金的均一性降低，使得合金缺口抗沖擊強度也隨之下降；（2）由于極性、溶度參數等差異，當ABS用量增大至一定范圍時PC與ABS界面的粘結性變差，使得合金抵抗外力變形和抗沖擊能力進一步降低。

對比表3和表4可以發現，在相同配比下，PC/ABS合金的彎曲強度和拉伸強度要弱于PC/ASAA合金，而沖擊強度則優于PC/ASA合金。這與ABS和ASA的結構有關。ABS含有丁二烯成分，而丁二烯富含雙鍵（柔性較高），因此ABS韌性較好，從而使PC/ABS沖擊強度較強，而彎曲強度和拉伸強度較弱。對ASA而言，由不含雙鍵的丙烯酸酯取代了丁二烯，因此ASA剛性提高、韌性下降，因此PC/ASA合金的彎曲強度和拉伸強度較PC/ABS而言有所提升，沖擊強度則有所下降。

圖1（a）（b）（c）為PC、PC/ABS、PC/ASA沖擊斷面的掃描電鏡圖片，可以看出純聚碳酸酯的斷面的形貌分布均一，PC/ABS和PC/ASA合金的斷面形貌也較為均勻，這與它們之間的極性、表面張力較為接近有關，但兩種合金的斷面圖像表明已經出現了相分離和“海-島”形貌。

表5、表6為PC/ABS和PC/ASA的熱學性能。從中可以看出，合金的維卡軟化溫度、起始熱分解溫度和50%熱分解溫度均低于純聚碳酸酯，這是因為合金的均一性下降。此外PC/ABS的熱穩定性要弱于PC/ASA，因為ABS的二烯鏈段對熱氧極為敏感，在高溫下易分解。

4 結語

本文制備了一系列的PC/ABS和PC/ASA合金，并研究了其形貌、力學和熱學性能。結果表明，共混成分和比例對合金的力學和熱學性能均有較大影響，ABS和ASA的接入使合金的韌性提高、剛性下降，因此合金的彎曲強度、拉伸強度均有所下降，沖擊強度有所提升。此外ABS和ASA的接入破壞了材料的均一性，故熱穩定性有所降低。本實驗表明，對共混物而言，共混成分的選擇和比例的確定對材料的性能起著至關重要的作用。

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