硫酸鈣晶須對PBT玻纖增強材料的翹曲改善研究

胡志剛，張作寧，郭海濤，溫玉清

（銀禧工程塑料（東莞）有限公司，廣東東莞 523187）

PBT是一種性能優越的工程塑料，其合成技術在國內已經日趨成熟，2019年我國PBT產能高達100萬噸/年，全球產能大約200萬噸/年。并在許多領域獲得了廣泛應用［1］。

PBT樹脂力學性能低，線膨脹系數也較大，成型收縮率為1.5%～2.0%，易翹曲變形，影響產品外觀，這些缺陷限制了PBT的應用［2-3］。由于PBT分子鏈相對容易移動，大分子鏈易取向結晶，使產品容易產生翹曲［4］。

硫酸鈣晶須，是一種纖維狀的無水硫酸鈣單晶體。其尺寸穩定,長徑比為80 ，具有耐高溫、耐腐蝕、韌性較好、強度非常高，容易進行表面處理、與高分子聚合物的親和力強等優點［5］。它可以部分替換玻纖［6］。本研究通過加入硫酸鈣晶須改善玻纖增強PBT體系的翹曲現象，同時盡可能保持較好的機械性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PBT：2087，恒力集團；玻璃纖維：534，巨石集團；硫酸鈣晶須：市售；抗氧劑：1010、168，利安隆；潤滑劑：LUT-30，市售。

1.2 主要儀器與設備

雙螺桿擠出機：TSE-35B，金鴻擠出設備有限公司；注塑機：K120VT，佛山市凱迪威機械有限公司；數字鼓風干燥箱：IAT-216，巨孚精密儀器有限公司；電子萬能試驗機：TS-2000M，劍橋檢濁設備有限公司；沖擊試驗機：ZBC-4，美特斯儀器設備有限公司；光澤度儀：GL0030，GLOSSMETER；游標卡尺：CD-20AX，廣陸精密量儀有限公司。

1.3 試樣制備

按表1配方稱量各種材料，用高速混拌機將材料混勻,通過擠出機擠出、造粒,注意玻璃纖維從螺桿中部側喂料機加入。從1～8區到機頭擠出溫度分別為220、230、240、250、250、240、240、230、250 ℃。

表1 玻纖增強PBT配方(%)Table 1 Formula of glass fiber reinforced PBT(%)

粒料在115℃進行3h干燥，通過注塑機注塑成型，1～5區溫度分別為210、220、230、240、250 ℃。

1.4 性能測試

拉伸強度：按ISO 527-2濁試；彎曲模量：按 ISO 178濁試；缺口沖擊強度：按ISO180濁試；熔體流動速率：按GB/T 3682濁試，條件為250℃*2.16kg。

1.5 翹曲度評估方法

注塑200mm×200mm×3mm方板，將方板放置于水平桌面上，取變形較大兩個對角，按住其中一個角濁量對角離桌面的距離。

1.6 表面光澤度評估方法

注塑50mm×80mm×3mm色板，用光澤度儀濁試進膠口附近的光澤度。

2 結果與討論

2.1 硫酸鈣晶須含量對機械性能的影響

由表2可以看出，玻璃纖維的加入可以大大提高PBT的拉伸強度和彎曲模量，因為玻璃纖維具有較長的長徑比，起到骨架樹脂的作用，同時剛性纖維玻璃化能有效地抑制分子鏈的運動。從3#配方的性能可以看出，加入5%的硫酸鈣晶須對體系性能影響不大，因為硫酸鈣晶須本身具有一定的長徑比，和玻纖起到類似的作用，少量加入不會影響性能。4#～8#配方中，加入硫酸鈣晶須的抗拉強度、彎曲模量和沖擊力呈下降趨勢，說明硫酸鈣晶須末的長徑較短，增強效果不如玻璃纖維。另外，作為無機填料，會加大玻璃纖維在體系中的剪切力，縮短玻璃纖維的保留長度，從而降低其性能。

表2 硫酸鈣晶須含量與機械性能的關系Table 2 Relationship between calcium sulfate whisker content and mechanical properties

2.2 硫酸鈣晶須含量對熔體流動速率的影響

由圖1看出，PBT材料加入玻璃纖維后，熔體流動速率大幅降低，是因為長纖維在熔體中對分子鏈移動起到阻礙的作用。隨著硫酸鈣晶須的加入，熔體流動速率會有一定的提高，因為硫酸鈣晶須的長徑比不高，對分子鏈移動影響較小。 較高的流動速率，有利于注塑成型，同時可以降低注塑壓力，較小的注塑壓力對改善產品翹曲也有正面的影響。

圖1 硫酸鈣晶須與熔體流動速率的關系Fig. 1 Relationship between calcium sulfate whisker and melt flow rate

2.3 硫酸鈣晶須含量對表面光澤度的影響

由表3看出，玻璃纖維的加入，大幅降低PBT材料的表面光澤度，因為玻璃纖維流動性較PBT樹脂差，容易在進膠口位置堆積，形成浮纖，影響表面光澤度。隨著硫酸鈣晶須的加入，表面光澤度先提高后降低，在4#配方中達到最高。因為硫酸鈣晶須替代了部分玻纖，提高了體系熔體流動速率，但是硫酸鈣晶須容易吸潮，形成結晶水，在擠出造粒過程中，無法通過抽真空方式抽出結晶水，該水分在注塑過程中會促進材料降解在表面形成銀絲狀不良，導致光澤度降低。光澤度的變化，間接地反映出硫酸鈣晶須對改善浮纖有一定幫助。

表3 硫酸鈣晶須含量與表面光澤度的關系Table 3 Relationship between calcium sulfate whisker content and surface gloss

2.4 硫酸鈣晶須含量對翹曲度的影響

如圖2所示，玻璃纖維的加入，使PBT材料產生了較大的翹曲變形，因為玻璃纖維長徑比較大，使體系產生各向不對稱收縮，產生翹曲。硫酸鈣晶須含量的增加，翹曲度減小，因為其小長徑比的特性，減弱了各向不對稱收縮。

圖2 硫酸鈣晶須與翹曲度的關系Fig. 2 Relationship between calcium sulfate whisker and warpage

3 結論

（1）玻璃纖維增強PBT材料中添加硫酸鈣晶須對其力學性能有負面影響，但當硫酸鈣晶須含量為5%時，其負面影響較小。

（2）硫酸鈣晶須的加入，可以提高玻纖增強PBT材料的熔體流動速率。

（3）添加硫酸鈣晶須對材料表面光澤度有影響。硫酸鈣晶須含量為10%時，光澤度最高。

（4）硫酸鈣晶須替代部分玻璃纖維，能明顯改善PBT材料的翹曲變形性能。

（5）在該復合材料加入5%～10%的硫酸鈣晶須，可以較好地保留機械強度及表面光澤度，同時可以改善翹曲變形。