王建國，梁秀麗，孫東

（1.中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031； 2.北方材料科學與工程研究院有限公司余姚所，浙江余姚 315400）

螺桿組合方式對GF增強PET/PBT共混物性能的影響

王建國1，梁秀麗1，孫東2

（1.中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031； 2.北方材料科學與工程研究院有限公司余姚所，浙江余姚 315400）

采用同向平行雙螺桿擠出機制備玻璃纖維（GF）增強聚對苯二甲酸乙二酯（PET）/聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）共混物。在固定組分配比及共混擠出工藝條件的基礎(chǔ)上，研究了螺桿不同組合方式，即剪切塊數(shù)量及排布方式對擠出工藝及GF分散程度和長度的影響，進而對GF增強PET/PBT共混物性能造成的影響，設(shè)計出了一種適合GF增強PET/PBT共混物擠出生產(chǎn)的螺桿組合方式，采用該螺桿組合方式制備GF增強PET/PBT共混物，不但擠出工藝穩(wěn)定可靠，而且產(chǎn)品性能實現(xiàn)最優(yōu)化。

同向平行雙螺桿擠出機；螺桿組合；玻璃纖維；聚對苯二甲酸乙二酯；聚對苯二甲酸丁二酯；共混物；性能

聚對苯二甲酸乙二酯（PET）/聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）共混物綜合了PET的低成本優(yōu)勢及PBT的快結(jié)晶優(yōu)勢，采用玻璃纖維（GF）增強后，具有結(jié)晶速率快、易脫模、耐高溫、綜合力學性能好等優(yōu)點，同時，由于二者共混后結(jié)晶性能的變化，GF增強PET/PBT共混物具有絕佳的注塑外觀，GF包覆好且表面光澤性好，可用于對外觀要求較高的免噴涂產(chǎn)品［1-4］。在GF增強PET/PBT共混物的制備過程中，擠出機的螺桿組合對擠出工藝及產(chǎn)品性能有很大的影響，這種影響主要是通過影響物料塑化狀態(tài)及GF剪切狀態(tài)導致的。只有樹脂充分塑化，GF在樹脂基體中分散良好及具備適中的長度分布，則產(chǎn)物才會具備最佳的性能［5-7］。筆者采用同向平行雙螺桿擠出機，通過對螺桿組合中功能不同的輸送元件及剪切、分散元件進行不同排布組合，研究了不同螺桿組合方式對GF增強PET/PBT共混物擠出工藝及產(chǎn)物性能的影響，設(shè)計優(yōu)化了螺桿組合，結(jié)果表明，采用該螺桿組合，可以獲得擠出工藝及產(chǎn)品性能最佳的GF增強PET/PBT共混物。

1　實驗部分

1.1主要原材料

PET：CB608S，上海遠紡工業(yè)有限公司；

PBT：4500，江蘇三房巷實業(yè)股份有限公司；

GF：EDR14-2000-988A，巨石集團有限公司；

成核劑：自制；

乙烯-辛烯共聚物接枝馬來酸酐（POE-g-MAH）：N410，寧波能之光新材料科技有限公司。

1.2主要設(shè)備及儀器

高速混合機：SHR-10A型，江蘇貝爾機械有限公司；

同向平行雙螺桿擠出機：CTE-65型，南京科倍隆機械有限公司；

注塑機：HTL90-F5B型，寧波海太塑料機械有限公司；

電子萬能試驗機：CMT4304型，深圳新三思材料檢測有限公司；

擺錘沖擊試驗機：ZBC-1400-1型，深圳新三思材料檢測有限公司；

熱變形溫度測量儀：XWB-300型，承德大華試驗機械廠；

光學顯微鏡：X-4型，北京泰克儀器有限公司。

1.3試樣制備

將PET，PBT在120℃，3 h的干燥條件下預先干燥。按質(zhì)量比PET+PBT∶GF∶POE-g-MAH∶成核劑=64∶30∶5∶1，其中PET∶PBT=6∶4，除GF外，其它原材料于高速混合機中混合均勻，加入到雙螺桿擠出機中，同時GF由側(cè)喂料裝置加入，通過調(diào)整加料速率及螺桿轉(zhuǎn)速控制GF的質(zhì)量分數(shù)為30%，基礎(chǔ)共混溫度為240～270℃，螺桿轉(zhuǎn)速為320 r/min。擠出GF增強PET/PBT共混物，共混物經(jīng)干燥后，注塑成標準試樣。注塑工藝條件如表1所示。

表1　GF增強PET/PBT共混物注塑工藝條件

1.4性能測試

拉伸強度按GB/T 1040-2006測試，測試速率為50 mm/min；

懸臂梁缺口沖擊強度按GB/T 1043-2008測試；

彎曲性能按GB/T 9341-2000測試，測試速率為2 mm/min；

熱變形溫度按GB/T 1634-2004測試，測試載荷為1.8 MPa。

2　結(jié)果與討論

2.1對擠出工藝的影響

考察5種不同的螺桿組合對GF增強PET/ PBT共混物擠出工藝的影響，結(jié)果見表2。

由表1可見，1#螺桿組合明顯塑化不良。塑化狀況可通過觀察加GF口處的物料狀態(tài)進行判斷，在良好的塑化狀態(tài)下，加GF口處的物料流動順利平滑，無肉眼可見的樹脂固體顆粒。1#螺桿組合的加GF口處有明顯肉眼可見的未塑化完全的樹脂顆粒，甚至有大量未塑化的固體顆粒從加GF口處涌出，表明存在嚴重的塑化不良，說明剪切塊的形式、數(shù)量、位置對塑化過程有重要的影響，由于1#螺桿組合在塑化末端缺少反向剪切塊，返料不足導致塑化不充分。4#螺桿組合由于GF剪切塊過少導致剪切不完善，長GF過多導致在多空濾板上沉積，沉積到一定程度影響熔體通過，造成熔體擠出不均勻。2#，3#及5#螺桿組合的塑化良好且熔體擠出均勻。

表2　5種不同螺桿組合對GF增強PET/PBT共混物擠出工藝的影響

2.2對GF長度及分散效果的影響

圖1為5種不同螺桿組合對GF增強PET/ PBT共混物中GF長度及分散效果的影響。

圖1　5種不同螺桿組合對GF增強PET/PBT共混物中GF長度及分散效果的影響

由圖1可見，采用1#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中的GF分散不好，有大量成束的未完全分散的GF存在，這與1#螺桿組合的樹脂塑化不好有關(guān)。塑化不好的樹脂黏度較高，對GF的浸潤性不好；采用2#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中的GF分散較好，且長度適中；采用3#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中有大量被切的很短、很細碎的GF存在。這是由于90°剪切塊對GF強的剪切作用導致的；采用4#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中有很多長度接近0.8 mm的GF，說明4#螺桿組合對GF的剪切較弱，導致大量長GF的存在，另外GF的分散效果差，有未分散的成束GF存在；采用5#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中GF長度基本在0.3～0.5 mm，GF長度適中且長度分布比較均勻。

2.3對力學性能的影響

表3列出了5種不同螺桿組合的GF增強PET /PBT共混產(chǎn)物的力學性能。

表3　5種不同螺桿組合的GF增強PET/PBT共混物的力學性能

對于增強級的工程塑料，GF長度及分布對產(chǎn)物的力學性能有關(guān)鍵性的影響。另外，影響增強材料的另一個重要因素是樹脂的塑化狀況，從加GF口可以大致判斷生產(chǎn)過程中樹脂的塑化狀況，需要說明的是，塑化不良將導致樹脂與增強GF的弱結(jié)合，對最終增強共混產(chǎn)物的性能產(chǎn)生影響，但是過強的剪切塑化，將導致樹脂分子量的降解斷鏈，分子量降低，最終也會降低產(chǎn)物的各項性能，而平行雙螺桿擠出機的螺桿組合方式，尤其是塑化段和剪切段的螺桿組合方式對上述狀況都有重要的影響，最終也會反映到產(chǎn)物的性能上。

對比表3中的各項數(shù)據(jù)可見，1#螺桿組合制備的材料各項力學性能均較低，這主要是由于樹脂塑化不良，樹脂對GF浸漬效果不好，GF-樹脂界面的粘接強度不高，所以材料的拉伸強度、彎曲強度及彎曲彈性模量和懸臂梁缺口沖擊強度都不高。這可能是因為材料在高溫下，粘接強度不高導致GF較容易滑移造成的。

由GF進料口可觀察到，經(jīng)過塑化段的剪切塑化后，2#螺桿組合對樹脂的剪切塑化是充分的，不但沒有未塑化的樹脂顆粒存在，而且熔體黏度也很低，這對于GF浸潤是有利的。但是由表3可以看到，制備產(chǎn)物的力學性能也不高，甚至不及1#螺桿組合的塑化不良產(chǎn)物的高。這是由于2#螺桿組合塑化段末端有一段90°剪切塊，90°剪切塊是剪切塑化能力最強的剪切方式，這種剪切方式對物料沒有輸送作用，只有強力剪切作用，容易造成塑化過度，樹脂分子斷裂降解嚴重，分子量降低，材料性能劣化。

3#螺桿組合將2#螺桿組合塑化段中的90°剪切塊改為反向45°剪切塊，具有適中的剪切塑化。但由于剪切段中90°剪切塊的存在，造成對GF的強力剪切，導致GF平均長度過短，過短的GF長度造成材料的拉伸強度、彎曲強度及彎曲彈性模量都較低。由于90°剪切塊的強力剪切，GF長度分布更均勻，故3#螺桿組合制備的產(chǎn)物懸臂梁缺口沖擊強度較高。

4#螺桿組合具有與3#螺桿組合相同的塑化段螺桿排布方式，所以對樹脂的剪切塑化適中，將剪切段中的90°剪切塊拿掉后，對GF的剪切大大減弱，GF長度大大提高，制備的材料的拉伸強度、彎曲強度及彎曲彈性模量都得到提高，懸臂梁缺口沖擊強度也較高，但擠出造粒過程的工藝性不好，經(jīng)常出現(xiàn)頻繁堵機頭，擠出工藝不暢，分析原因發(fā)現(xiàn)，堵機頭的現(xiàn)象是過長的GF在分流板上沉積造成的，這說明4#螺桿組合方式剪切段對GF的剪切強度不夠，所以也不可取。

5#螺桿組合具有與3#螺桿組合相同的塑化段螺桿排布方式，所以對樹脂的剪切塑化適中，對于剪切段的排布方式，5#螺桿組合在4#螺桿組合基礎(chǔ)上，在剪切段中增加了1段弱剪切塊（45°/5/56），實驗結(jié)果表明，5#螺桿組合具備適中的剪切塑化及適中的GF長度，制備的共混物的綜合性能都較高，且工藝性好，熔體擠出均勻流暢，是最優(yōu)的螺桿組合方式。

2.4對熱性能的影響

表4列出了5種不同螺桿組合的GF增強PET /PBT共混物的熱變形溫度。

表4　5種不同螺桿組合的GF增強PET/PBT共混物的熱變形溫度

對比表3中的數(shù)據(jù)可以看出，1#螺桿組合制備的GF增強PET/PBT共混物的熱變形溫度較低。這是因為樹脂在塑化段的塑化不良，GF浸潤不充分且分散不好，GF-樹脂界面強度不高，從而導致共混物的熱變形溫度降低。2#螺桿組合對樹脂的塑化過度，樹脂分子斷裂降解嚴重，分子量降低，材料性能劣化，同樣導致共混物的熱變形溫度降低。3#螺桿組合的擠出共混物具有最高的熱變形溫度，由2.3節(jié)的分析可知，3#螺桿組合具有適中的剪切塑化，對增強GF剪切能力強，GF在樹脂中的分散更好且GF長度分布更均勻，但GF的平均長度更低，說明熱變形溫度高低與GF長度分布均勻性及其在樹脂中的分散程度關(guān)系更密切。4#螺桿組合擠出共混物的熱變形溫度比3#螺桿組合有所降低，這與4#螺桿組合方式剪切段GF剪切分散強度不夠，GF在樹脂中分散不好有關(guān)。5#螺桿組合具備適中的剪切塑化及適中的GF長度，制備的共混物的熱變形溫度較高。

3　結(jié)論

（1）采用雙螺桿擠出機制備GF增強PET/PBT共混物，螺桿組合方式對擠出工藝有重要影響，采用合理的螺桿組合可獲得對基體樹脂適中的剪切塑化強度和GF長度及良好的GF分散，從而保證擠出過程的順利進行。

（2）螺桿組合方式對GF增強PET/PBT共混物的力學及熱性能有重要的影響，采用合理的螺桿組合可獲得綜合力學及熱性能最佳的GF增強PET /PBT共混物。

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Influence of Screw Assemble on Properties of GF Reinforced PET/PBT Blends

Wang Jianguo1， Liang Xiuli1， Sun Dong2
（1. CNGC Institute 53， Jinan 250031， China；2. Yuyao Institute of China North Material Science and Engineering Technology Group Corporation， Yuyao 315400， China）

Glass fiber （GF） reinforced poly（ethylene terephthalate） （PET）/poly（butylene terephthalate） （PBT） blends were prepared by melting blend method using a co-rotating parallel twin screw extruder. On the basis of same ratio of components and same process conditions，the influences of different screw assembles on the extruding process，GF length and its dispersion degree were studied，and then the influences of different screw assembles on the properties of the GF reinforced PBT/PET blends were also studied. A type of screw assemble suited to the production of the GF reinforced PET/PBT blend was presented. It is found that，using this type of screw assemble，the production of the GF reinforced PET/PBT blend is smoothly and the products have the best properties.

co-rotating parallel twin screw extruder；screw assemble；glass fiber；poly（ethylene terephthalate）；poly（butylene terephthalate）；blend；property

TQ327.1

A

1001-3539（2016）02-0057-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.02.011

聯(lián)系人：王建國，博士，高級工程師，主要從事高性能工程塑料及高分子雜化材料的研究工作

2015-11-30