濕熱老化對聚碳酸酯性能的影響

張艷君，畢靜利，張 超，張 偉

(魯西集團有限公司，山東 聊城 252211)

聚碳酸酯(PC)因其結構中包含了柔性的碳酸酯鏈與剛性的苯環，從而具有優良的耐抗沖擊性、高透光性、耐疲勞性、加工尺寸穩定性、阻燃性和高低溫性，可在-60～120℃下長期使用。PC主要應用于電子電器、汽車、航空、建筑、醫療衛生等領域，是國民經濟快速發展必備的高性能材料。然而PC抗疲勞強度差、表面硬度低、耐溶劑性差，且在實際使用中又會受到熱、光、水、應力等外部環境因素的作用，誘發其老化，從而導致綜合性能下降。考察在這些環境因素綜合作用下老化失效機理[1-3]及規律，對拓寬PC應用領域有著重要的意義[4-5]。國內外對其老化失效機理及規律進行過許多研究[6-10]，主要從熱空氣老化[7]、熱水蒸煮[8,10]、紫外線照射老化[9]、氙燈照射老化、輻射老化[11]、自然環境下老化[12-13]等方面研究材料沖擊性能、斷面形貌、紅外光譜等。本文將進一步研究一定濕度和溫度下PC降解機理、性能變化情況。

1 實驗部分

1.1 試樣制備和濕熱老化試驗

PC分別采用韓國LG公司1200-10(A)、日本帝人化成1225Y(B)、魯西集團PC(C)顆粒，3個顆粒試樣均為同類型顆粒。將PC顆粒在120℃條件下干燥4 h，然后采用注射成型機(MA860/260G，海天注塑機集團有限公司) 制成標準樣條，注塑溫度260、280、270、260、240℃，模具溫度50℃；將粒料和樣條置于濕熱老化試驗箱內(GSJ-100B，上海蘇盈試驗儀器有限公司)，在溫度85℃、濕度85%條件下分別老化100、200、300、400 h試驗。

1.2 性能測試和結構表征

粒料按照GB/T3682，采用熔融指數測試儀(GT-7100-M1，高鐵檢測儀器有限公司)測試熔融指數。注塑樣條按GB2918要求在測試環境下存放24 h后，按GB/T1040、GB/T9341，用萬能試驗機(TCS-2000，高鐵檢測儀器有限公司)測試拉伸性能和彎曲性能，拉伸速率50 mm/min，彎曲速率2 mm/min；試樣斷面噴金后，在掃描電子顯微鏡(sigmar-500，德國蔡司公司) 上觀察。

2 結果與討論

2.1 PC粒料濕熱老化

2.1.1 濕熱老化后熔融指數變化

圖1 3個PC樣品熔融指數隨濕熱老化時間變化關系 圖2 3個PC樣品相對分子質量隨濕熱老化時間變化關系

濕熱老化后的顆粒干燥后進行熔融指數和相對分子質量的測定，從測定結果(如圖1)可以看出，A、B和C 3個PC樣品熔融指數都隨著濕熱老化時間的延長逐漸地增大，其中帝人PC熔融指數升高最大；而A、B和C 3個PC樣品相對分子質量Mw隨著濕熱老化時間的延長逐漸地減小，分別減小3.99%、3.86%、3.96%，降低幅度相差較小。熔融指數的變化反應出PC平均相對分子質量高低，熔融指數升高，平均相對分子質量降低，PC發生降解。在濕熱老化過程中，PC受到熱、氧、水分子共同作用，PC中酯基發生水解或端基斷裂導致分子鏈斷裂，相對分子質量降低。

2.1.2 PC顆粒濕熱老化后力學性能變化

圖3 不同老化時間下3個PC樣品粒料力學性能變化

圖3是PC顆粒經過400 h濕熱老化后拉伸性能變化。可以看出，相對于濕熱老化前的力學性能，在85℃、85%濕度條件下老化后，A、B和C 3個PC樣品沖擊強度、斷裂伸長率、屈服強度及彎曲強度都顯示共同趨勢，即沖擊強度降低、斷裂伸長率減小、拉伸屈服強度和彎曲強度變化不大，如圖3(a)、(b)、(c)(d)中，PC韌性有所降低但整體性能變化不大；三家沖擊強度保留率分別為94.7%、97.9%、97.20%，降低程度不大，且沖擊樣條為韌性斷裂[14]，這說明PC在濕熱條件下粒子表面分子會發生部分降解，對整體宏觀性能沒有造成較大的影響。

2.2 PC注塑成型樣件濕熱老化行為

2.2.1 注塑成型樣件老化后的力學性能變化

圖4 不同老化時間下3個PC樣品注塑樣條力學性能變化

相同老化條件下，注塑成型缺口樣條沖擊強度的變化與顆粒不同，A、B、C 3個PC樣品經過100 h老化后沖擊強度急劇下降，保留率分別為34.52%、39.19%、38.35%。300 h后沖擊強度性能失效。注塑沖擊樣條缺口部位為樣條應力比較集中的部位，在熱、氧、水分子作用下更易發生降解產生微裂紋，對材料破壞性較大，致使沖擊強度急劇下降。

將注塑后的A、B、C 3個PC樣品拉伸樣條和彎曲樣條在相同條件下老化后進行檢測，發現力學性能與粒料的檢測變化趨勢一致，如圖4 (a)、(b)、(c)(d)，斷裂伸長率降低，拉伸屈服強度和彎曲強度沒有明顯變化。

2.2.2 缺口沖擊樣條沖擊斷面形貌

圖5 沖擊樣條斷面掃描圖

SEM照片顯示了PC濕熱老化前后沖擊斷面的差異性。圖5(a)顯示了PC老化前斷面形貌，為典型的塑性變形，在受到沖擊力情況下撕裂斷開，沿裂紋擴展的方向產生了放射狀條紋。圖5(b)、(c)斷口表面為典型的脆性斷裂，斷面粗糙，并有明顯的裂紋萌生點。

3 小結

通過三家生產廠家PC濕熱老化后的性能分析可以得出以下結論：

(1)PC粒料濕熱老化后熔融指數升高，相對分子質量降低，不同生產廠家的變化趨勢一致，差別較小。

(2)在400 h濕熱老化后,3個PC樣品斷裂伸長率有所降低，屈服強度和彎曲強度變化不大，材料整體性能破壞性小。

(3)直接注塑PC缺口沖擊樣條，因缺口處應力集中，容易受到外界濕熱環境的破壞，經過100 h濕熱老化后，沖擊強度保留率降低至34.52%、39.19%、38.35%，性能失效，從斷面形貌上看為脆性斷裂。而PC粒料沖擊強度降低程度不大，且沖擊樣條為韌性斷裂。

從整體上來看，PC耐濕熱性能差，在濕熱作用下表面分子會出現部分降解，但對整體的性能影響不大。不過當PC局部存在一定缺陷時，會加速材料局部的快速降解，降低PC韌性和強度。