PC/改性ABS復合材料的制備與性能

王雅群 李欣 宋任展 朱坤良 林潤雄

(青島科技大學高性能聚合物研究院,山東 青島,266045)

聚碳酸酯(PC)具有良好的力學性能、介電性能、高熱變形性能,但存在加工流動性差、耐應力開裂性能差、缺口敏感性高、耐化學藥品性差、價格偏高等缺點,限制了其應用范圍[1]。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)具有良好的加工性能和較好的力學性能,價格也較PC 低,被廣泛應用于汽車、電器、機械等領域[2-3]。PC與ABS共混不僅可以降低材料的內應力,減少對缺口的敏感性,也可降低PC 熔體的黏度,提高材料的加工性能,還可以節約材料的成本[4]。PC/ABS復合材料在性能上彌補了單一材料的不足,達到了取長補短的效果[5]。隨著家電行業、汽車工業、電子電器制造業的發展,PC/ABS 復合材料的需求將會日益增加。

要進一步提高PC/ABS 復合材料性能,核心問題是提高兩相相容性。有研究者開發了不同的相容劑,用來提高PC/ABS復合材料相容性以及性能[6-11],如在PC/ABS體系中加入馬來酸酐-苯乙烯共聚物(SMA)、聚乙烯接枝物或甲基丙烯酸甲酯(MMA)-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)等相容劑,這些組分的加入在一定程度上改善了兩者的相容性,提高了復合材料的性能,但增容效果有限。與加入相容劑相比,直接將有利于改善界面結合力的組分(如MMA)以接枝共聚的方法添加到ABS中,ABS在PC樹脂中更容易分散,且界面結合力更強[12-13]。

下面采用氧化-還原引發體系,以MMA 為第三種接枝單體,通過乳液聚合法制備了改性ABS,然后與PC 共混擠出,制備了PC/改性ABS 復合材料,研究了ABS乳液接枝共聚物中MMA 用量對PC/改性ABS復合材料熔體流動速率(MFR)、維卡軟化溫度和力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料

丁二烯膠乳,粒徑為350 nm,山東頤工化學有限公司;苯乙烯(St),丙烯腈(AN),無水葡萄糖,焦磷酸鈉,過氧化氫異丙苯(CHP),硫酸鎂,MMA,油酸鈉,化學純,均為國藥集團化學試劑有限公司;硫酸亞鐵(FES),分析純,天津博迪化工股份有限公司;叔十二碳硫醇(TDDM),分析純,成都市科龍化工試劑廠;抗氧劑,1076,阿拉丁試劑(上海)有限公司;PC,PC-110,臺灣奇美實業股份有限公司。

1.2 主要儀器設備

電熱恒溫鼓風干燥箱,DGG-9140B,上海森信實驗儀器有限公司;雙螺桿擠出機,SHJ,南京杰恩特機電有限公司;注塑機,TTI-60F2V,東華機械有限公司;萬能試驗機,GT-TCS-2000,熔體流動速率儀,GT-7100-MI,懸臂梁沖擊試驗機,GT-HV2000A-C6W,熱 變形 維 卡測 試儀,GT-HV2000A-C5W,均為高鐵檢測儀器有限公司。

1.3 樣品制備

在三口燒瓶中加入丁二烯膠乳,開啟轉子攪拌,往燒瓶中通入氮氣,以排除空氣。將焦磷酸鈉(螯合劑)、無水葡萄糖(助還原劑)、硫酸亞鐵(還原劑)、油酸鈉(乳化劑)溶于一定質量去離子水中,加入三口燒瓶,攪拌10 min,開啟加熱,保持水浴溫度65 ℃。然后將St,AN,MMA 的混合單體與引發劑過氧化氫異丙苯CHP、相對分子質量調節劑TDDM 混勻,采用連續滴加的方式加入燒瓶,滴加結束后繼續反應1 h。反應完成后加入抗氧劑1076,攪拌30 min。乳液聚合完成后,使用濃度2%(質量分數)的硫酸鎂溶液進行凝聚,脫水烘干,得到ABS粉料。乳液聚合時,MMA用量分別為混合單體質量的0,10%,20%,30%,40%,進行對比試驗,其中,St/AN質量比為75/25。

將改性ABS和PC 按照20/80(質量比)混合均勻,使用雙螺桿擠出機擠出造粒,得到PC/改性ABS復合材料,雙螺桿擠出機各段溫度分別為210,225,235,245,240 ℃(機頭),主機轉速為145 r/min。將粒料在60 ℃恒溫干燥箱中干燥4 h,采用注塑機制得PC/改性ABS復合材料標準樣條,注塑機各區溫度分別為255,250,230 ℃,噴嘴溫度260 ℃,注射壓力7 MPa。

1.4 測試與表征

MFR 測試按照GB/T 3682.1—2018進行,溫度為220 ℃,載荷為10 kg。

維卡軟化溫度測試按照GB/T 1633—2000進行,樣品尺寸為10 mm×10 mm×4 mm,升溫速率為50 ℃/h,載荷為50 N。

拉伸強度測試按照GB/T 1040.2—2022 進行,拉伸速率為50 mm/min。

彎曲強度測試按照GB/T 9341—2008 進行,彎曲速率為2 mm/min。

缺口沖擊強度測試按照GB/T 1843—2008進行,擺錘能量為2.75 J。

2 結果與討論

2.1 MFR分析

圖1為MMA 用量對PC/改性ABS復合材料MFR 的影響。

圖1 MMA用量對PC/改性ABS復合材料MFR的影響

由圖1 可以看出:隨著MMA 用量的增加,PC/改性ABS復合材料的MFR 先升高后降低,在MMA 質量分數為 40% 時達到最小,為9.5 g/10 min,仍滿足材料加工要求。這是因為聚苯乙烯賦予了ABS優異的流動性,且在制備改性ABS時,St/AN 質量比保持不變,MMA 質量分數由0增至40%,相應地,St和AN 的總質量分數由100%降至60%,即St的含量相應降低,導致PC/改性ABS復合材料的MFR 下降。

2.2 維卡軟化溫度

圖2為MMA 用量對PC/改性ABS復合材料維卡軟化溫度的影響。

圖2 MMA用量對PC/改性ABS復合材料維卡軟化溫度的影響

由圖2 可以看出:當MMA 質量分數不高于30%時,與PC/ABS復合材料相比,PC/改性ABS復合材料的維卡軟化溫度更高。當MMA 質量分數為5%時,PC/改性ABS復合材料的維卡軟化溫度達到126 ℃,說明MMA 的加入使PC/改性ABS復合材料具有優異的耐熱性能,使其能在更高溫度下使用。當MMA 質量分數為40%時,PC/改性ABS 復合材料的維卡軟化溫度大幅下降。這是因為MMA 用量過多導致在聚合過程中形成凝膠,不但影響了接枝效果,而且使樣條內部出現混合不均勻的現象。

2.3 力學性能

圖3和圖4 分別為MMA 用量對PC/改性ABS復合材料拉伸強度和彎曲強度的影響。

圖3 MMA用量對PC/改性ABS復合材料拉伸強度的影響

圖4 MMA用量對PC/改性ABS復合材料彎曲強度的影響

由圖3和圖4可以看出:隨著MMA 用量的增加,PC/改性ABS復合材料的拉伸強度和彎曲強度均先升高后降低,且在MMA 質量分數為20%時均達到最大值,分別為48.9 MPa和63.2 MPa。這是由于經過MMA 改性的ABS與PC有更好的相容性,兩者的界面黏合力增大,但MMA 用量過多會降低改性ABS 中AN 的含量,使PC/改性ABS復合材料的拉伸強度和彎曲強度均降低。

MMA 用量對PC/改性ABS復合材料缺口沖擊強度的影響如圖5所示。

圖5 MMA用量對PC/改性ABS復合材料缺口沖擊強度的影響

由圖5可以看出:當MMA 的質量分數由0增至30%時,PC/改性ABS復合材料的缺口沖擊強度由36.7 kJ/m2升至41.0 kJ/m2,當MMA 的質量分數進一步增至40%時,PC/改性ABS復合材料的缺口沖擊強度迅速降至5.1 kJ/m2。這是因為MMA 的分子極性較高,極性和溶度參數與PC均比較接近,所以改性ABS核殼結構的外層接枝鏈使橡膠相與PC樹脂的界面作用力增加,使PC/改性ABS復合材料的沖擊強度升高;但MMA 用量過多會影響接枝聚合時膠乳的穩定性,使接枝效果變差,改性ABS 難以在體系中分散均勻,使PC/改性ABS復合材料沖擊強度大幅降低。

3 結論

a) 隨著MMA 用量的增加,PC/改性ABS復合材料的MFR 先升高后降低。

b) 當MMA 質量分數不高于30%時,與PC/ABS復合材料相比,PC/改性ABS 復合材料的維卡軟化溫度更高。

c) 隨著MMA 用量的增加,PC/改性ABS復合材料的拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊強度均先升高后降低。當MMA 的質量分數為20%時,拉伸強度和彎曲強度均達到最大,分別為48.9 MPa和63.2 MPa;當MMA 的質量分數為30%時,缺口沖擊強度為41.0 kJ/m2。當MMA的質量分數增至40%時,接枝效果變差,PC/改性ABS 復合材料的缺口沖擊強度迅速降低,為5.1 kJ/m2。