高性能PC /ABS合金的研究

杨永兵1, 苗立成2, 周如东3, 郝为强1, 陈 强1

( 1. 常州南京大学高新技术研究院, 江苏常州213016; 2. 苏晨化工塑料有限公司,

江苏苏州215000; 3. 中海油常州涂料化工研究院, 江苏常州213016)

摘要: 利用双螺杆挤出机制备了PC /ABS 系列合金, 探讨了甲基丙烯酸甲酯/丁二烯/苯乙烯共聚物(MBS)和苯乙烯/马来酸酐共聚物( SMA )对PC /ABS 合金的增韧和增容作用, 采用力学测试方法、扫描电子显微镜( S℃M ) 研究了MBS 和SMA 对PC /ABS合金的力学性能和形态结构的影响。结果表明: 在PC /ABS 合金( 70 /30 )体系中, 加入6份MBS, 合金的缺口冲击强度为86 k J /m 2, 是没加MBS 时的11 5倍左右; 而拉伸强度得到了较好的保持; SMA 与MBS 复合起来以后, 具有一定的协同效应,当SMA、MBS质量分数分别为4%、6%时, 合金的缺口冲击强度达到115 kJ /m 2, 拉伸强度接近单独PC /ABS( 70 /30) 合金, 为561 5MPa。

关键词: PC /ABS合金; 甲基丙烯酸甲酯/丁二烯/苯乙烯共聚物; 苯乙烯/马来酸酐共聚物; 力学性能

中图分类号: TQ3201 1; TB333 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 4320( 2010 ) 11- 0052 - 03

R℃s℃arch on high quality PC /ABS alloy

YANG Yong-bing1, M IAO L i-ch℃ng2, ZHOU Ru-dong3, HAO W℃i-qiang1, CH℃N Qiang1

( 1. H igh T℃chno logy R℃s℃arch Institut℃ of NanjingUn iv℃ rs ity, Changzhou 213016, China;

2. Such℃n Ch℃m ica l Plastic Co. , Ltd. , Suzhou 215000, Ch ina;

3. CNOOC Changzhou Pa int and Coating Industry R℃s℃arch Institut℃, Chang zhou 213016, Ch ina)

Abstract: Th℃ PC /ABS alloy is pr℃pa r℃d by tw in- scr℃w ℃x trud℃ r. Th℃ ℃ff℃cts ofMBS and SMA on toughn℃ss and compatib ility of PC /ABS alloy ar℃ discuss℃d. Scann ing ℃ l℃ctron m icroscopy and m℃chanical t℃st m ℃thods ar℃ us℃d to m℃asur℃ th℃ m ℃chan ica l prop℃r ti℃s and mo rpho log ica l structur℃ of th℃ a lloy. Th℃ r℃sults show tha t: notch impact str℃ngth is 86 kJ/m2 wh ich is 115 tim ℃s as strong com par℃d to pur℃ PC /ABS ( 70 /30) a lloy; th℃r℃ is littl℃ chang℃ o f its t℃nsil℃ str℃ng th by adding 6 phrMBS into PC /ABS( 70 /30) a lloy; MBS and SMA hav℃ a c℃rta in syn℃rgy ℃ ff℃ct, wh℃n th℃ cont℃nt of SMA andMBS ar℃ 4 phr and 6 phr, no tch impact str℃ng th is up to 115 kJ/m2, wh il℃ th℃ t℃ns il℃ str℃ng th is 561 5M Pa clos℃ to pur℃ PC /ABS( 70 /30) alloy.

K ℃y words: PC /ABS a lloy; MBS; SMA; m ℃chan ica l prop℃rty

聚碳酸酯( PC )具有良好的力学性能、耐热性和电性能, 但是因PC 分子刚性和空间位阻较大, 其熔融温度较高, 加工困难, 难于制得大型薄壁产品, 且制品残余应力大, 易于应力开裂[ 1] 。这些缺点使它在许多领域中的应用受到限制。PC 与丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物( ABS) 树脂共混得到的PC /ABS合金, 是20世纪60年代中期发展起来的一种工程塑料合金, 其在性能上可形成互补, 它既具有PC 的耐热性、尺寸稳定性和力学性能, 与PC 相比, 又具有熔体黏度低、加工流动性好等优点, 而且还可以减小制品对应力的敏感性并降低了成本, 因此PC /ABS合金可代替PC用于簿壁、长流程的制品生产中。

PC /ABS合金在汽车、机械、家电、计算机、通讯器材、办公设备等方面获得了广泛应用[ 2] 。近年来, PC /ABS合金的研究重点转向高韧性、阻燃性,采用有界面改性作用的弹性体以改善两者间的粘结且力求赋予复合材料高的冲击韧性, 而往往在提高材料冲击强度的同时, 材料的拉伸强度下降明显[ 3 - 5 ] 。笔者采用增韧剂和刚性增容剂对PC /ABS合金进行增韧改性, 在一定程度上减小材料强度方面损失的同时, 显著提高了材料的缺口冲击强度, 取得了良好的效果。

1 实验部分

111 主要原料与仪器

PC ( L- 1250Y ) , 帝人聚碳酸酯有限公司; ABS( PA- 756S) , 奇美实业股份有限公司; SMA ( 218),上海事必达石化有限公司; MBS ( 2330) , 罗门哈斯公司; 高胶粉( ℃RmA15B ) , 韩国锦湖石油化学; 抗氧剂B219, 石家庄鼎盛化工有限公司; 高黏度硅油, 常州龙城有机硅有限公司。南京广达橡塑机械厂SH J-35型双螺杆挤出机; 宁波海鹰塑料机械有限公司HYF-600型塑料注塑成型机; 深圳市凯强利机械有限公司WDT- 5型万能拉力试验机; 承德试验机有限责任公司X JU- 2175 型冲击试验机; 美国P℃RK IN-℃L℃M℃R 公司Pyris 1 型差示扫描量热分析仪( DSC) ; 日本电子公司JSM- 6360LA 型扫描电子显微镜( S℃M)。

112 试样的制备

将PC 在120℃下烘干处理4 h, ABS 在80℃ 下烘干处理6 h, 然后将PC、ABS 及其他助剂205 ~245℃ 经双螺杆挤出机挤出造粒, 喂料转速为10H z, 主机转速为15 H z。粒料在100℃下烘干处理3~ 4 h后, 用注射机制样, 注射温度215~ 245℃,注射压力85MPa左右。试样成型后在( 23 ±2) ℃ 、( 50 ± 5)% 湿度环境中放置( 24 ±1) h, 用于性能测试。

1.3 性能表征

拉伸性能测试: 按照GB /T 1040) 1992; 冲击性能测试: 按照GB /T 1843) 1996。

2 结果与讨论

2.1 增韧剂对PC /ABS/SMA 合金力学性能的影响

根据前期实验结果, 综合考虑PC /ABS合金体系的综合强度、流动性和价格等因素, 本实验选取PC /ABS( 70 /30)作为研究基础。

图1 为高胶粉和MBS作为增韧剂对PC /ABS合金缺口冲击强度的影响, 由图1可看出, 这2种增韧剂对共混物具有明显的增韧效果。在MBS /PC /ABS体系中, MBS 用量为6份前, 合金材料的韧性大幅度增加; MBS用量达到6份时, 合金材料的缺口冲击强度为86 kJ/m2, 是没加MBS时的115倍左右, 并且实现了脆韧转变, 表现为韧性断裂, MBS可明显提高合金材料的韧性。

这是因为MBS在PC和ABS之间形成了与其具有较好相容性的第三组分,该组分在PC和ABS相界面上起到界面活性剂的作用, 降低了两相组分间的界面张力, 使PC与ABS的相界面结合力增强, ABS 的分散相尺寸减小, PC 和ABS两相分散均匀、稳定, 提高了材料的韧性。当MBS在基体中的质量分数超过6% 后, 合金的冲击性强度随着MBS含量的增加有所下降。这是因为随着MBS用量继续增加, 过多的MBS 可能在合金中形成独立相区, 而MBS自身的冲击强度低于PC,导致合金的冲击强度有所下降。在高胶粉增韧PC /ABS合金体系中, 随着高胶粉含量的增加, 合金冲击强度逐渐上升, 当高胶粉质量分数为10% 时,合金的冲击强度为95 kJ/m2, 根据弹性体增韧原理[ 6 ] , 高胶粉可以作为应力集中体, 诱发大量的银纹或剪切带而消耗能量, 还能够起到终止银纹的作用, 而不至于发展成破坏性的裂纹, 因此对体系起到良好增韧作用。

图2为增韧剂对PC /ABS 合金拉伸强度的影响。由图2可以看出, 随着增韧剂用量的增加, PC /ABS合金拉伸强度逐渐降低, 这是由于增韧剂本身的弹性模量要比PC 和ABS 的低。比较2 种增韧剂, MBS对体系拉伸强度的影响要明显小于高胶粉的影响, 当增韧剂质量分数为6% 时, MBS合金体系拉伸强度为52MPa, 而高胶粉体系为4615MPa, 其原因可能是MBS是丙烯酸酯类的核-壳结构抗冲击改性剂, 壳层丙烯酸甲酯与PC 相具有较好的相容性, 核层橡胶相与ABS具有较好的相容性, 导致合金分子结合非常紧密, 界面粘合力非常强所致。

因此, 在实验范围内, 选择MBS作为增韧剂, 可一定程度上减小材料强度方面损失的同时, 提高材料的缺口冲击强度。不过总体来看, MBS 对PC /ABS的增韧作用似乎还不是太明显(冲击强度还不是太高)。

2.2 增容剂SMA 对PC /ABS 合金力学性能的影响

为了改善PC 与ABS之间的相容性, 进一步提高合金的力学性能, 采用SMA 为界面改性剂。当MBS质量分数为6% 时, SMA 的加入对共混物力学性能的影响见表1。

表1 以SMA为增容剂对PC /ABS合金力学性能的影响(含MBS6份)

技术参数	SMA用量
	0.0	2.0	4.0	6.0	8.0	10.0
拉伸强度/MPa	52.0	53.5	56.5	55.8	51.0	49.0
冲击强度（缺口）/kJm-2	86.0	91.3	115.0	105.5	83.8	75.0

随着SMA 用量的增加PC /ABS合金缺口冲击强度显著提高, 表明增容效果较好。一方面可能是因为SMA 中含有极性的马来酸酐基团, 在PC 与SMA 共混过程中, PC 的酚端基) OH或端羧基会与SMA的酸酐官能团发生反应, 界面粘结作用增强, 提高了PC 与SMA 的相容性, 而SMA中的苯乙烯链段与ABS具有较好的相容性, SMA 提高了PC 与ABS 的界面强度[ 8 ] , 另一方面可能是SMA 与丙烯酸酯类共聚物复合起来以后, 增容作用具有明显的协同效应, 当材料受到冲击时, 复合体能承受更大的载荷, 缺口冲击强度明显增强, SMA 质量分数为4%时, 材料的冲击强度为115 kJ/m2。当SMA 在基体中的质量分数超过4% 后, 由于其本身质脆, 分子链变形能力差, 受冲击时吸收的冲击功小, 所以其冲击性能变差。PC /ABS合金体系的拉伸强度与缺口冲击强度的变化趋势相同, 当SMA、MBS质量分数分别为4% 、6% 时, 材料的拉伸强度为5615MPa, 基本接近单独PC /ABC ( 70 /30) 合金体系, 取得了良好的改性效果。表明SMA 与MBS复合起来以后, 具有一定的协同效应。

2.3 共混物的DSC分析

图3 是PC /ABS ( 70 /30 )合金、6 份MBS 改性PC /ABS合金以及4 份SMA、6 份MBS 改性后的PC /ABS合金的DSC 曲线。图3中Tg1相应于PC的链段运动, Tg2是ABS 中SAN 链段的运动。比较PC /ABS= 70 /30和6份MBS 改性PC /ABS 的玻璃化转变温度可见, 在共混体系中加入6份MBS 后,PC 的玻璃化转变温度由145.9℃ 下降至144.3℃ ,而ABS 中SAN 的玻璃化转变温度由112.7℃ 升高至113.2℃ , 由此可以看出, PC /ABS 合金中PC 与ABS两者的玻璃化转变温度之差变小, 表明MBS能提高两者的相容性; 在4份SMA、6份MBS改性后的PC /ABS合金体系中, PC的玻璃化转变温度向低温移动为14315℃ , ABS中SAN 的玻璃化转变温度向高温移动为116.6℃ , 两者的玻璃化转变温度之差进一步减小, 说明SMA 的加入, 进一步改善了合金的相形态, 增加了PC与ABS之间的界面作用力,使得两相分散均匀, 从而有效地影响着合金的微观结构及力学性能, 这与表1中的结果相符合。

214 共混物的S℃M分析

图4分别是PC /ABS( 70 /30)合金、6份MBS改性PC /ABS合金以及4份SMA、6份MBS改性后的PC /ABS合金冷冻脆断面的S℃M 照片。由图4( a)可看出, 未加入增韧剂时, PC /ABS合金试样的脆断面不平滑, 两相界面清晰可见, 断面处有明显的空洞存在, 且孔洞的尺寸比较大, 表明PC与ABS相容性有限。当加入6份MBS 后, 断面较为平整, 两相的界面变得模糊, 但是断裂面仍有很多的孔洞, 不过此时的孔洞尺寸较小, 且大小均一, PC 与ABS 相容性的改善以及弹性体的均匀分散均能提高合金的韧性。由图4( c)可以看出, 4 份SMA、6 份MBS改性后的PC /ABS合金, 两相的相连处更加模糊, 基本达到了两相相容, 这种界面形态的变化, 直接引起材料宏观力学性能的变化。

3 结语

MBS对PC /ABS( 70 /30)合金具有较好的增韧效果, 而拉伸强度得到了较好的保持, SMA 与MBS复合起来以后, 具有一定的协同效应, SMA、MBS分别为4%、6% 时, 合金的缺口冲击强度达到115 kJ/m2, 拉伸强度接近单独PC /ABS ( 70 /30 )合金, 为5615 MPa。º 6 份MBS 增韧后的PC /ABS( 70 /30)中, PC 与ABS两者的玻璃化转变温度之差变小, 表明MBS能提高两者的相容性, 在4份SMA、6份MBS改性后的PC /ABS( 70 /30)合金中, 两者的玻璃化转变温度进一步减小, 说明SMA进一步改善了PC 与ABS之间的界面作用力, 合金的力学性能进一步提高。

 SEM 图显示, PC 与ABS 相容性有限, 加入MBS后两相的界面变得模糊, PC与ABS相容性得到改善, 4份SMA、6 份MBS 改性后的PC /ABS合金, 两相的界面更加模糊, 合金的宏观力学性能进一步提高。

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