加工流動(dòng)性對(duì)PC樹脂性能的影響

畢靜利，張艷君

(魯西化工集團(tuán)股份有限公司，山東 聊城 252211)

聚碳酸酯(PC)是一種無定形的熱塑性塑料，由于主鏈由柔性的碳酸酯鏈與剛性的苯環(huán)相連接，使之具有許多優(yōu)良的工程性能。PC分子鏈的高鋼性和大的空間位阻使其具有較高的熔體粘度，進(jìn)而致使其加工難度較大。PC加工類型較多，如注塑成型、擠出拉條、擠出壓延、擠出流延、吹塑成型等工藝，其中擠出成型是主要的成型工藝之一。擠出成型工藝在塑料行業(yè)被廣泛的應(yīng)用，特別是在塑料樹脂顆粒加工過程中，可通過擠出完成多種物料的混合，另外還可脫除低沸點(diǎn)有機(jī)物及水分，起到脫揮作用。

對(duì)于PC來說，擠出加工是在剪切力和高溫作用下物料進(jìn)行物理混合并伴隨著化學(xué)反應(yīng)的過程。在擠出成型過程中，PC加工流動(dòng)性是衡量加工難易、決定制品質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。PC加工流動(dòng)性主要與PC熔體粘度有關(guān)[2-4]而熔體粘度大小可通過提高加工溫度[5]、潤滑劑的添加[6-7]進(jìn)行調(diào)整，但這些對(duì)PC性能影響情況還未見有報(bào)道。本文就擠出加工溫度以及潤滑劑添加量對(duì)加工流動(dòng)性影響以及加工流動(dòng)性對(duì)樹脂性能影響進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和設(shè)備

1.1.1 原料

PC：粉料，魯西化工集團(tuán)股份有限公司；潤滑劑：脂肪酸酯A，意大利發(fā)基；抗氧劑：B900，巴斯夫。

1.1.2 設(shè)備

注射成型機(jī)：MA860/260G，海天注塑機(jī)集團(tuán)有限公司；雙螺桿擠出機(jī)：TSB-35，南京創(chuàng)博機(jī)械設(shè)備有限公司；紫外可見分光光度計(jì)：UV-2600，日本島津；凝膠滲透色譜：TDA 305，馬爾文；萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)：TCS-2000，高鐵檢測(cè)設(shè)備(東莞)有限公司。

1.2 性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征

1.2.1 力學(xué)性能

120℃干燥4 h冷卻后按GB2918要求作狀態(tài)調(diào)整進(jìn)行外觀、質(zhì)量及性能檢測(cè)。采用顯微鏡進(jìn)行外觀觀察。按GB/T1843、GB/T1040、GB/T9341，采用萬能試驗(yàn)機(jī)(TCS-2000，高鐵檢測(cè)儀器有限公司)測(cè)試沖擊強(qiáng)度、拉伸性能和彎曲性能，拉伸速率50 mm/min，彎曲速率2 mm/min。

1.2.2 GPC測(cè)試

采用四氫呋喃溶劑，流速為1 mL/min，采用小角光散射檢測(cè)器檢測(cè)絕對(duì)分子量。

1.2.3 熱失重分析

將擠出顆粒在氮?dú)鈿夥障聹y(cè)試其熱穩(wěn)定性。先以10℃/min升溫速率從室溫升到500℃，溫度達(dá)到500℃恒溫20 min后再以10℃/min升至1000℃。

1.2.4 透光率

將擠出所得的粒料在120℃烘干4 h后注塑光學(xué)樣片，采用紫外可見分光光度計(jì)在380～780 nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行黃色指數(shù)的測(cè)定。利用huanterlab色差儀進(jìn)行透光率和霧度的檢測(cè)。

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1 擠出加工溫度和潤滑劑對(duì)PC加工流動(dòng)性的影響

在材料擠出加工過程中，材料熔體流動(dòng)性和溫度、剪切力以及分子結(jié)構(gòu)有較大的關(guān)系。熔體的流動(dòng)從微觀上講是發(fā)生在相鄰分子鏈間的相互滑移，升高溫度或加入小分子潤滑劑可使得鏈段運(yùn)動(dòng)能力提高、微孔擴(kuò)大，熔體粘度相對(duì)下降。

通過PC熔體質(zhì)量流動(dòng)速率研究了不同溫度對(duì)PC熔體的流動(dòng)性影響，如圖1所示。從圖1可以看出隨著溫度的升高，熔體粘度下降，熔體流動(dòng)速率增大，但變化率低。因而對(duì)于PC來說，因熔體粘度較大，在一定的剪切力下，通過提高加工溫度增大PC加工流動(dòng)性有一定局限性。

圖1 PC熔體流動(dòng)速率與加工溫度關(guān)系曲線

通過熔體質(zhì)量流動(dòng)速率的測(cè)定，研究了不同脂肪酸酯A添加量對(duì)熔體流動(dòng)性的影響，如圖2所示，從數(shù)據(jù)來看，脂肪酸酯A添加量越大，熔體流動(dòng)性就越好。這說明，在一定的溫度下，如果在熔體中加入一些與PC相容性較好、熱穩(wěn)定性好、對(duì)PC性能影響性較小的小分子如潤滑劑脂肪酸酯A，將很大程度降低分子鏈間相互作用力和纏繞，增加分子鏈運(yùn)動(dòng)速度，提高熔體的流動(dòng)性。

圖2 PC熔體流動(dòng)速率與脂肪酸酯A添加量關(guān)系曲線

1.3.2 加工流動(dòng)性對(duì)PC力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)了不同加工溫度對(duì)PC力學(xué)性能的影響[8]。如圖3所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著溫度升高，屈服強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度增大，沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長率等其他性能變化較小。這說明，在相同的螺桿轉(zhuǎn)速下提高加工溫度，可降低PC粘度，增大熔體流動(dòng)性，減小熔體和螺桿、筒壁的粘附力和摩擦力，使得物料塑化和混合更好，其對(duì)性能有較大的改善。

圖3 屈服強(qiáng)度變化曲線

在PC擠出加工過程中加入與PC相容性較好的小分子潤滑劑，試驗(yàn)了其對(duì)PC性能的影響情況[9]。如圖4所示，從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著脂肪酸酯A用量的增加，屈服強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度增大，脂肪酸酯A用量低于2000 ppm時(shí)，強(qiáng)度值增加量較小，當(dāng)增加到3000 ppm以上時(shí)，強(qiáng)度大幅度提高。這說明適量的潤滑劑，可增大加工過程中熔體的流動(dòng)性，對(duì)性能的改善更加明顯。

圖4 加工溫度和脂肪酸酯A對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

1.3.3 加工流動(dòng)性對(duì)PC光學(xué)性能的影響

當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速一定的情況下，擠出溫度的高低直接關(guān)系到PC熔體的流動(dòng)性和PC熱降解程度，而潤滑劑添加量的多少關(guān)系到PC熔體的流動(dòng)性及塑化、混合均勻程度，進(jìn)而對(duì)PC光學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。

設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為350 r/min，試驗(yàn)了240、250、280、300℃不同溫度下對(duì)光學(xué)性能的影響，如圖5、6所示。從圖5、6可以看出，溫度過高或者過低都會(huì)導(dǎo)致PC降解，光學(xué)性能變差。加工溫度過低時(shí)，因熔體流動(dòng)性較差，PC塑化度低，混合不均勻。另外，因PC熔體粘度較大，PC與螺桿、機(jī)筒內(nèi)壁間產(chǎn)生較大的摩擦力，在壓縮力、剪切力及局部過熱相互作用下部分PC發(fā)生降解變色。加工溫度較高時(shí)，熔體粘度相對(duì)降低，流動(dòng)性變好，但PC在剪切力和高溫相互作用下發(fā)生降解，擠出顆粒顏色變深，透光性降低。因此通過提高溫度來改善PC加工性，在一定程度上存在一些的局限性。

圖5 加工溫度對(duì)黃色指數(shù)的影響

圖6 加工溫度對(duì)透光率的影響

為保持PC良好的性能，將加工溫度設(shè)定為280℃，試驗(yàn)了不同脂肪酸酯A添加量對(duì)PC光學(xué)性能的影響，如圖7、8所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著脂肪酸酯A添加量的增加，透光率增大，黃色指數(shù)減小，但增大到5000 ppm后PC外觀質(zhì)量變差，透光率變小，黃色指數(shù)變大。因此，PC中潤滑劑添加量過多或者過少都會(huì)使材料光學(xué)性能變差。

圖7 脂肪酸酯A添加量對(duì)透光率的影響

圖8 脂肪酸酯A添加量對(duì)黃色指數(shù)的影響

1.3.4 加工流動(dòng)性對(duì)PC分子量分布的影響

表1 不同加工溫度對(duì)PC分子量分布的影響

分析了不同擠出溫度下和不同脂肪酸酯A添加量對(duì)PC分子質(zhì)量分布的影響[10-12]，如表所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在一定的螺桿剪切力下，隨著PC加工流動(dòng)性提高，PC相對(duì)分子質(zhì)量分布變窄，低分子量和高分子量聚合物占比降低，決定材料強(qiáng)度的中間分子量占比增大。

表2 不同脂肪酸酯A添加量對(duì)PC相對(duì)分子質(zhì)量分布的影響

2 小結(jié)

(1)因PC熔體粘度較大，單獨(dú)通過提高加工溫度增大PC加工流動(dòng)性有一定局限性，還需要加入潤滑劑，潤滑劑添加量越大加工流動(dòng)性越好。

(2)隨著加工流動(dòng)性增大，PC彎曲強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度升高，斷裂伸長率不變。

(3)隨著加工流動(dòng)性增大，PC透光率增大，黃色指數(shù)降低，但加工溫度過高或者潤滑劑添加量過大，會(huì)導(dǎo)致透光率降低，黃色指數(shù)增大。

(4)在一定的螺桿剪切力下，加工流動(dòng)性提高，分子量分布變窄，起主要強(qiáng)度作用的中間分子量占比增大。