張艷君,畢靜利,張 偉,張 超
(魯西集團有限公司,山東 聊城 252211)
聚碳酸酯(PC)性能優(yōu)異,具有良好的耐高低溫性、高抗沖、阻燃性等,廣泛應用于電子電器、汽車、航空、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生等領域[1-3]。PC 在光[4-6]、熱[7-8]、水[10-12]、應力[13-14]等作用下會發(fā)生老化降解,基本性能下降,影響正常使用。國內(nèi)外對PC光老化、熱氧老化、濕熱老化等老化性能進行了很多研究,而對于液體化學介質(zhì)( 酸、堿、鹽、有機溶劑等) 對PC外觀和使用性能影響的研究相對較少一些[15]。與單一的水相比,液體化學介質(zhì)對高分子材料性能的影響要復雜且強烈的多。文章通過對PC在酸性溶液、堿性溶液及有機溶劑浸泡后外觀及性能變化的研究,探索PC在液體化學試劑作用下的失效規(guī)律。
1.1.1 試樣制備
將PC顆粒在120℃條件下干燥4 h,采用注射成型機(MA860/260G,海天注塑機集團有限公司) 加工制作方片50×50×3.2(mm)、長條80×10×4(mm)、啞鈴型117×10×4(mm)等試樣,注塑溫度260℃、280℃、270℃、260℃、240℃,模具溫度50℃。
1.1.2 液體化學試劑浸泡試驗
將試樣分別置于酸性溶液、堿性溶液、有機溶劑中浸泡24h、48h、96h、128h。
a、酸性溶液:5%鹽酸、10%鹽酸、20% 鹽酸、30%鹽酸、36%鹽酸、85%甲酸、99%甲酸。
b、堿性溶液:5%燒堿、10%燒堿、20%燒堿、32%燒堿、40%燒堿。
C、有機溶劑:甲醇、正己烷。
試樣浸泡完畢后用清水清洗干凈, 120℃干燥4h。按GB2918要求作狀態(tài)調(diào)整進行外觀、質(zhì)量及性能檢測。采用顯微鏡進行外觀觀察。按GB/T1843、GB/T1040、GB/T9341,采用沖擊試驗機(GT-7045-MD,高鐵檢測儀器有限公司)、萬能試驗機(TCS-2000,高鐵檢測儀器有限公司)測試沖擊強度、拉伸性能和彎曲性能,拉伸速率50mm/min,彎曲速率2mm/min。
圖1 在不同濃度的酸中浸泡情況
PC試片在不同濃度的鹽酸和甲酸中浸泡7天后表面變化基本相同,表面出現(xiàn)許多小蝕坑和液泡;如圖1所示。而在堿液中,濃度越大腐蝕就越嚴重,在32%燒堿和40%的燒堿中浸泡8小時就出現(xiàn)了大面積腐蝕,20%及以下濃度時經(jīng)過7天浸泡腐蝕程度相對較小。試片表面變化情況詳見圖2。堿性溶液浸泡過程中,PC由表及里不斷地受到堿介質(zhì)的侵蝕而降解生成雙酚A鈉鹽,分子結構受到較大的破壞,最后發(fā)生大面積腐蝕。酸性溶液對PC表面有一定的腐蝕,相比堿性溶液腐蝕性較小,但酸性介質(zhì)會向 PC 內(nèi)部不斷滲透、擴散,酸性介質(zhì)進一步浸入PC內(nèi)層,產(chǎn)生聚集形成小液泡,使樹脂產(chǎn)生微溶脹。
圖2 在不同濃度的堿中浸泡情況
表1 不同濃度酸堿性溶液及有機溶劑中浸泡后質(zhì)量變化率
PC在不同濃度的酸堿溶液中浸泡一周后,堿液浸泡后試樣質(zhì)量減少,濃度越大試樣質(zhì)量變化率越大,而不同濃度鹽酸浸泡后試樣質(zhì)量反而增加,但質(zhì)量變化率差別不大。而PC經(jīng)甲醇和正己烷浸泡后發(fā)生吸附溶脹,質(zhì)量變化率比較大。PC因分子中含有酯基,在堿性溶液中更易水解,堿濃度越大水解越快。PC在酸性溶液中受到腐蝕性較小,只有表面部分分子降解未滲入到其內(nèi)部結構,但因PC對含水介質(zhì)有一定的吸附性,隨著老化時間延長,酸性介質(zhì)不斷向PC內(nèi)部滲透產(chǎn)生溶脹。而有機溶劑對PC不產(chǎn)生腐蝕,但在有機溶劑的溶解性和PC內(nèi)部微孔結構的相互作用下,溶劑分子較快地由表及里擴散到材料內(nèi)部,使得PC產(chǎn)生溶脹。
力學性能檢測結果如表所示。試樣經(jīng)酸堿液浸泡后力學性能受到一定的影響:①沖擊強度降低,部分沖擊樣條為脆性斷裂,堿濃度大小對沖擊強度影響較大,濃度越大沖擊強度越小,而酸濃度大小對沖擊強度的影響差別不大。②PC拉伸和彎曲性能也受到一定的影響。屈服和彎曲強度升高,斷裂伸長率降低,表面剛性提高,韌性降低,但不同濃度試液浸泡后差別不大。從整體上來看,隨著浸泡時間延長,酸性或者堿性介質(zhì)從PC表面不斷地向內(nèi)部滲透、擴散,但滲透深度小,PC整體結構未受到較大的破壞,PC的拉伸應力-應變曲線浸泡前后變化不大。
經(jīng)甲醇、正己烷浸泡后樣條力學性能受到較大的影響,材料內(nèi)部聚集態(tài)以及相結構發(fā)生變化,產(chǎn)生大面積溶脹出現(xiàn)微裂紋等缺陷,使材料性能受到較大的破壞,由韌性材料變?yōu)榇嘈圆牧?。沖擊強度分別降至86.7%和89.46%,樣條全部為脆性斷裂,沖擊性能基本完全失效。拉伸及彎曲性能變化也較大,屈服和彎曲強度升高,斷裂伸長率明顯降低,材料基本性能失效。
表2 耐酸堿和甲醇試液浸泡后性能檢測結果
對經(jīng)鹽酸、甲酸、燒堿及甲醇、正己烷等液體化學試劑浸泡后的聚碳酸酯外觀、質(zhì)量及性能變化進行評價。從檢測數(shù)據(jù)和PC聚合物結構分析得出,聚碳酸酯因分子鏈中含有酯基其抗化學性較差,在堿性溶液中水解速度較快,酸性溶液次之,在有機溶劑中因吸附溶劑而溶脹,從而改變了材料的聚集態(tài),材料基體受到破壞,力學性能大大降低,因此PC不適用于在酸性、堿性或有機溶劑環(huán)境中使用。