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        聚碳酸酯/苯乙烯熱塑性彈性體共混物的制備與表征

        2020-07-22 08:32:02唐若谷
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2020年15期
        關(guān)鍵詞:聚碳酸酯丁二烯彈性體

        唐若谷

        (1.青島長峰塑料有限公司 山東青島 266042;2.馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分?;瘜W(xué)系 美國 01854)

        聚碳酸酯(PC)是一種應(yīng)用極其廣泛的工程塑料,具有較好的機械強度,但也存在需要較高加工溫度的缺陷[1-3],故在工業(yè)上常與丙烯腈-苯乙烯-丁二烯樹脂(ABS)共混形成PC/ABS共混物[4-7]。目前有關(guān)PC/ABS以及衍生物已有較為廣泛的應(yīng)用和研究,但是有關(guān)基于ABS樹脂的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯熱塑性彈性體(SBS)和聚碳酸酯的二元和多元共混物的報道相對較少。與ABS樹脂相比,SBS熱塑性彈性體去除了丙烯腈成分,提高了苯乙烯成分,故拉伸強度、韌性、耐化學(xué)性和相容性較好,有較大的研究和應(yīng)用潛力。

        本研究著重于聚碳酸酯和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯共混物的制備與表征,通過擠出成型和注射成型制備了一系列PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物,并測試了其力學(xué)和熱力學(xué)性能,研究了共混物的成分和組成比例對共混物力學(xué)和熱力學(xué)性能的影響。

        1 實驗部分

        1.1 材料與設(shè)備

        原材料:聚碳酸酯,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物,聚甲基丙烯酸甲酯。

        設(shè)備:鼓風(fēng)型恒溫恒濕干燥箱、雙螺桿擠出機、雙螺桿注塑機、智能電子拉力試驗機、(擺錘型)簡支梁沖擊試驗機、邵氏D型硬度計、掃描電鏡。

        1.2 共混物的配方設(shè)計

        PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物的配方設(shè)計如表1所示。

        1.3 共混物的制備

        本實驗中采用擠出成型對共混物進行造粒,并通過注射成型制備標(biāo)準(zhǔn)樣品。具體加工步驟如下。

        (1)干燥:所有原料均置于恒溫恒濕干燥箱內(nèi),95℃下烘干4h。

        (2)造粒:采用雙螺桿擠出機造粒,擠出機的機頭溫度250℃,熔體溫度230℃,一區(qū)溫度235℃,二區(qū)溫度238℃,三區(qū)溫度245℃,四區(qū)溫度250℃。

        (3)注塑:采用雙螺桿注射機成型,注射機的機頭溫度為260℃~270℃,一區(qū)溫度為240℃~250℃,二區(qū)溫度為245℃~255℃,三區(qū)溫度為248℃~260℃,四區(qū)溫度為250℃~265℃,模具溫度95℃,注射壓力10.5MPa,保壓壓力11.5MPa,持續(xù)保壓15s。

        1.4 共混物的性能表征

        拉伸強度測試:按照GB/T 1040.1-2006標(biāo)準(zhǔn)進行測試,采用1A型試樣,保持拉伸速率為60mm/min;

        邵氏D硬度測試:按照GB/T 2411-2008標(biāo)準(zhǔn)進行測試,測試15s后讀數(shù);

        彎曲強度測試:按照GB/T 9341-2008標(biāo)準(zhǔn)進行測試,保持彎曲速率2mm/min;

        簡支梁缺口沖擊強度測試:按照GB/T 1043.1-2008標(biāo)準(zhǔn)進行測試,采用A型缺口的1型試樣,沖擊方式為側(cè)向沖擊,擺錘沖擊能量為7.5J,對純PC,PC/SBS(80:20),PC/SBS(80:20:10)試樣的沖擊斷面分別進行掃描電鏡觀察;

        表1 不同配比的PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物 (單位:g)

        表2 PC/SBS和PC/SBS/PMMA的力學(xué)性能

        表3 PC/SBS和PC/SBS/PMMA的熱學(xué)性能(單位:℃)

        維卡軟化點測試:按照GB/T 1633-2000標(biāo)準(zhǔn)進行測試,保持升溫速率為120℃/h,保持負荷為10N;

        熱重分析:按照GB/T 27761-2011標(biāo)準(zhǔn)進行測試,測試溫度包括起始分解溫度和50%分解溫度;

        差示掃描量熱法(DSC):按照GB/T 13464-92標(biāo)準(zhǔn)進行測試,控制升溫/降溫速率為20℃/min。

        2 結(jié)果與討論

        本實驗采用了擠出成型和注射成型兩種方式[8]。目前工業(yè)上應(yīng)用的較多的是芳香族雙酚A型聚碳酸酯,分子鏈中含有苯環(huán),故分子鏈剛性較大,導(dǎo)致聚碳酸酯的黏度-溫度敏感性要大于黏度-剪切速率敏感性,因此適度提高加工溫度可以有效降低其黏度。另一方面,聚碳酸酯剛性較大導(dǎo)致其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度正好處在加工溫度區(qū)間范圍內(nèi),因此在加工過程中的快速升溫-降溫過程有可能使聚碳酸酯反復(fù)處在玻璃態(tài)-高彈態(tài)-玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變中,當(dāng)聚碳酸酯分子鏈的鏈段開始運動后又來不及松弛便被凍結(jié)時,分子鏈會迅速產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,造成產(chǎn)品加工困難,因此本實驗中在保證樣品穩(wěn)定和設(shè)備安全的前提下,盡可能地提高熔體溫度和模具溫度。此外,為保證避免在加工中水分會引起聚碳酸酯酯基的降解,所有原料須在加工前充分干燥。

        圖1為PC、PC/SBS和PC/SBS/PMMA和掃描電鏡照片,圖像表明純碳酸酯表面的形貌均一,PC/SBS共混物的表面分布較為均勻,表明PC和SBS相容性較好,這與兩者之間的表面張力差異不大有關(guān),也證明SBS具有較好的相容性。而對于PC/SBS/PMMA三元共混物而言,由于組分過多導(dǎo)致出現(xiàn)相分離的“海/島”結(jié)構(gòu)。

        圖1 掃描電鏡圖片

        圖2 DSC曲線

        圖2為PC、PC/SBS和PC/SBS/PMMA的DSC曲線,從中可以發(fā)現(xiàn)二元共混物的吸熱峰比純聚碳酸酯的略高,說明其玻璃化溫度比純聚碳酸酯有略微提升,而三元共混物則出現(xiàn)兩個吸熱峰,表明三元共混物中已出現(xiàn)相分離且有兩個不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

        表2為PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物的力學(xué)性能。結(jié)果表明,隨著SBS的加入,產(chǎn)品的各項力學(xué)性能均有不同程度的提升,但SBS對共混物力學(xué)性能的提升來自于不同方面:(1)SBS的苯乙烯成分較高,剛性較大,因此能提升共混物的拉伸強度和彎曲強度;(2)SBS含有丁二烯(能提供雙鍵)成分,因此SBS可作為一種彈性體提升共混物的沖擊強度;(3)SBS兼具樹脂和彈性體的特性,因此它與聚碳酸酯的相容性較好,故加入SBS后共混物的均一性并未受到嚴重破壞,但當(dāng)SBS用量過大時各項力學(xué)性能略有降低,這可能是由于過多的SBS會形成團聚并單獨形成一相,導(dǎo)致共混物的均一性有所下降。對PC/SBS/PMMA三元共混物而言,加入PMMA后共混物的沖擊強度能得到明顯提高,而拉伸強度、彎曲強度和邵氏D硬度較純PC有所提升,但較PC/SBS而言略有下降,這是由于PMMA本身機械強度尤其是抗沖擊強度較為優(yōu)良,但如果共混體系內(nèi)組分過多,會破壞體系的均一性導(dǎo)致力學(xué)性能有所降低。

        表3為PC共混物的熱學(xué)性能,結(jié)果表明絕大多數(shù)情況下SBS和PMMA的加入會降低體系的熱力學(xué)穩(wěn)定性,除了因為共混后體系均一性下降外,SBS中的丁二烯鏈段對熱氧較為敏感,在高溫下容易首先裂解。只有當(dāng)SBS含量較低時,共混物的熱分解溫度略有提升,因為此時SBS與PC有較好的相容性,且少量剛性的苯乙烯能提升共混物的耐熱性。

        3 結(jié)語

        本文制備了PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物并研究了其結(jié)構(gòu)與力學(xué)和熱學(xué)性能。多項實驗結(jié)果表明,SBS具有一定的相容性,若能和聚碳酸酯以適當(dāng)?shù)谋壤不煊兄谔岣弋a(chǎn)品的力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性能,且共混體系的組分和比例對材料的性能有較大影響,在實際生產(chǎn)中需引起足夠重視。

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