聚硅氧烷嵌段聚碳酸酯改性對聚碳酸酯材料耐候性能的影響

何元錦，莫錦鵬，麥偉宗，王春江

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665）

聚碳酸酯（PC）廣泛應用于電子電氣、家電外殼、軌道交通、汽車部件等領域，其產量逐年增大，目前已成為世界用量第二大的工程塑料[1-2]。然而隨著應用領域的拓展，PC 在實際應用中暴露出各種不足。PC 主鏈上剛性苯環結構限制了PC 分子鏈間的取向，受到外力作用后，取向不容易松弛，分子鏈殘余內應力難以消除，內應力被凍結，使PC 制品容易產生應力開裂的現象。此外，PC 主鏈上的酯基在紫外光作用下容易發生光老化，并在濕熱的環境下發生水解，從而使其綜合性能下降，從而制約其在高溫高濕及低溫等極端環境的應用。因此，對聚碳酸酯的耐候耐老化改性已成為了產業界的焦點。

將有機硅低聚物與聚合物（特別是PC）共聚制備聚硅氧烷嵌段共聚物也可用于增韌改性高聚物[3]。與一般有機硅材料相比，聚硅氧烷- 聚碳酸酯嵌段共聚物（硅PC）由于同時具備柔性的聚硅氧烷鏈段和剛性的聚碳酸酯鏈段，其耐候性遠勝于一般的熱塑性彈性體[4]。本文將硅PC 引入到傳統的阻燃聚碳酸酯體系中，考察聚碳酸酯材料在沸水、氙燈等極端條件老化前后的熱穩定性、力學性能、顏色穩定性的變化，為耐極端氣候PC 材料的開發提供指導經驗。

1 實驗部分

1.1 原料

PC 樹脂：熔融指數為 10g/10 min(300℃/1.2 kg)；硅PC 樹脂：熔融指數為 5g/10 min(300℃/1.2 kg)；阻燃劑：全氟丁基磺酸鉀(PFBS)，純度＞99 %；抗滴落劑：聚甲基丙烯酸甲酯包覆的聚四氟乙烯，市售；抗氧化助劑：市售；抗紫外助劑。

1.2 儀器設備

雙螺桿擠出機：ND-65，南京諾達機械有限公司；熱重分析儀：TG209F3，德國耐馳公司；氙燈老化試驗箱：LHS-XII-65，廣州合成材料研究院有限公司。注塑機：HTF86/TJ，中國海天塑料機械有限公司；萬能試驗機: CMT6103，深圳新三思材料檢測公司；沖擊測試儀:BPI-5. 5STAC，德國Zwick /Roell 公司; 色差儀：CR10 plus，日本柯尼卡美能達公司。

1.3 樣品制備

樣品配方見表1。按配方稱取相應各組分，然后經攪拌機充分混合后，喂入雙螺桿擠出機，擠出溫度從第一區到第九區分別為250℃、270℃、270℃、270℃、270℃、270℃、275℃、275℃、275℃，螺桿轉速為500 r/min。擠出條切粒后在120℃充分干燥，然后用注塑機將樣品注塑成為所需的樣條以備測試。

表1 實驗配方組分配比Table 1 Formula of different experiments

1.4 性能測試

根據UL794 標準，本研究將樣品投入70℃沸水中水煮168h，隨后對水煮前后樣條的力學性能進行測試，拉伸測試速度為50mm/min，彎曲測試速度2mm/min，沖擊擺錘動能為5.5J。采用色差儀檢測老化前后樣品的顏色變化。采用阻燃試驗箱考察其阻燃性能。用熱重分析儀（TGA）在氮氣氣氛下對水煮前后樣品的耐熱性能進行分析，溫度范圍為室溫至700℃，升溫速率為20℃/min。將樣品投入氙燈老化試驗箱分別老化500h 和1000h，隨后對老化前后樣品的力學性能進行測試，其力學性能測試與水煮實驗相同。

2 結果與討論

圖1 所示為改性聚碳酸酯材料的熱失重曲線。其中0-1# 和1-1# 分別為0# 和1# 水煮后樣品。可見，0# 的起始降解溫度高于1#，這表明硅PC 的引入會一定程度上降低PC 材料的熱穩定性。可是，經過水煮168h 后，樣品的起始降解溫度發生了明顯的下降，這表明PC 樣品在沸水中發生了一定程度的水解，使其熱穩定性有所下降。值得注意的是，0-1# 的起始降解溫度明顯低于1-1#，這與水煮前樣品的情況有所不同。眾周所知，硅氧烷鏈段具有較好的化學穩定性，這表明，硅PC 的引入會削弱聚碳酸酯水解后的熱穩定性下降。

圖1 改性聚碳酸酯材料的熱失重曲線Fig.1 TG curves of modified polycarbonate

水煮前后不同樣品的力學性能見表2。水煮前，0#和1# 的力學性能數值差異不大，僅1# 的彎曲強度和彎曲模量略低于0#，0# 的-40℃沖擊強度明顯低于1#，這是因為PC 主鏈上剛性苯環結構使得材料韌性不足，而引入的硅PC 的柔性硅氧烷鏈段使得樣品的剛性有所下降韌性增加。然而，水煮后0# 和1# 的力學性能均出現了不同程度的下降。其中，0#的沖擊強度下降極為明顯，其下降幅度明顯大于1#，這表明硅PC 的引入導致的韌性增加可對沖水解引起的材料抗沖擊性能下降，這樣的特性有助于材料應用于濕熱或者高寒的極端環境。

由于氙燈老化箱同時具有噴淋、溫度控制以及特有的氙燈提供的紫外照射等功能，能較好地模擬實際環境中濕熱、日照等極端環境，所以本研究根據ASTM 采用氙燈老化箱對PC 樣品的抗老化進行研究。氙燈老化前后不同樣品的力學性能變化和色差見表3 和表4。可見，氙燈老化前后0# 和1# 的常溫性能保持良好，這是因為我們所采用的抗紫外老化配方能抵御氙燈老化箱內復雜極端的環境所帶來的老化，表明我們的PC 樣品能應用于濕熱日照等極端環境。氙燈老化后樣品的-40℃沖擊強度均有所下降，這是因為在濕熱及紫外老化的復合作用下，PC 材料的大分子鏈會發生一定程度的斷裂，從而影響其耐低溫沖擊性能。氙燈老化后樣品的ΔE值均有所上升，這是因為氙燈老化使得樣品發黃，使得Δb值上升并連帶使ΔE值上升。但與0# 相比，1# 的ΔE值均小于1，這可能是因為1# 所具有的硅氧烷鏈段化學性質穩定，能較好地抵御紫外線的老化作用，使得樣品的顏色變化較小。

3 結論

（1）熱重分析表明，硅PC 的引入會一定程度上降低PC 材料的熱穩定性，但其優良的化學穩定性會削弱聚碳酸酯水解后的熱穩定性下降。

（2）在熱水作用下，PC 樣品會發生水解，分子鏈斷裂，使得力學性能有所降低，但硅PC 的引入導致的韌性增加可對沖水解引起的材料抗沖擊性能下降。

（3）在抗紫外助劑的作用下，PC 樣品在氙燈老化的作用下力學性能和顏色穩定性在一定程度上得到保持。