高性能PCABS合金的研究

高性能PC/ABS合金的研究摘要：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(SEM)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，合金的的缺口冲击强度可达86kJ/m2，是没加MBS时的1.5倍左右，而拉伸强度得到了较好的保持，SMA与MBS复合使用以后，具有一定的协同效应，当SMA、MBS质量分数分别为4%、6%时，合金的的缺口冲击强度达到115kJ/m2，拉伸强度接近单独PC/ABS（70/30）合金为56.5MPa。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ResearchonhighmechanicalpropertiesofPC/ABSalloyYANGYong-bing1,MIAOLi-cheng2,ZHOURu-dong3,HAOWei-qiang1,CHENQiang1(1.HighTechnologyResearchInstituteofNanjingUniversity,Changzhou213164,China;2.SuchenChemicalPlasticLTD,SuZhou215000;3.CNOOCChangzhouPaintandCoatingIndustryResearchInstitute,Changzhou213164,China)Abstact:ThePC/ABSalloywerepreparedbyusingtwin-screwextruder.TheeffectsofMBSandSMAontoughnessandcompatibilityofPC/ABSalloywerediscussed.Scanningelectronmicroscopyandmechanicaltestmethodswereusedtomeasurethemechanicalpropertiesandmorphologicalstructureofalloy.Theresultsshowedthat:notchimpactstrengthwas86kJ/m2whichwas1.5timescomparingtopurePC/ABS(70/30)alloy,therewerelittlechangesforitstensilestrengthbyadding6phrMBSintoPC/ABS(70/30)alloy.MBSandSMAhadcertainsynergyeffect,whenthecontentofSMAandMBSwere4phrand6phr,notchimpactstrengthwasupto115kJ/m2,whilethetensilestrengthwas56.5MPaclosetopurePC/ABS(70/30)alloy.Keywords:PC/ABSalloy；MBS；SMA；mechanicalproperty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，又具有熔体粘度低、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接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1.1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：ERmA15B，韩国锦湖石油化学；抗氧剂B219：石家庄鼎盛化工有限公司；高粘度硅油：常州龙城有机硅有限公司。南京广达橡塑机械厂SHJ-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XJU-2.75型冲击试验机；美国PERKIN-ELEMER公司Pyris1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(SEM)。1.2试样的制备将PC在120℃下烘干处理4h，ABS在80℃下烘干处理6h，然后将PC、ABS及其他助剂205~245℃经双螺杆挤出机挤出造粒，出机喂料转速为10Hz，主机转速为15Hz。粒料在100℃下烘干处理3-4h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/T1040—1992，冲击性能测试：按照GB/T1843—1996；DSC分析：用氮气进行保护，样品以10℃/min升温至200℃，恒温2min以消除热历史的影响；扫描电子显微镜（SEM）分析：将样品在液氮中冷冻折断，断面喷金后用扫描电子显微镜观察并拍照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，本试验选取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/PBT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86KJ/m2，是没加MBS时的1.5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在基体中的添加量超过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95KJ/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/PBT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。比较两种增韧剂，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46.5MPa，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[7]。0246810303540455055606570高胶粉含量(wt%)拉伸强度(MPa)405060708090100110冲击强度(KJ/m2)0246810303540455055606570MBS含量(wt%)拉伸强度(MPa)405060708090100110冲击强度(KJ/m2)图1高胶粉含量对合金力学性能的影响图2MBS含量对合金力学性能的影响因此，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。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115kJ/m2。当SMA在基体中的添加量超过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56.5MPa，基本接近单独PC/ABS（70/30）合金体系，取得了良好的改性效果。表明SMA与MBS的复合起来以后，具有一定的协同效应。表1以SMA为增容剂对PC/ABS合金力学性能的影响（含MBS6份）SMA用量技术参数0.02.04.06.08.010.0拉伸强度/MPa5253.556.555.85149冲击（缺口）/kJ·m-28691.3115105.583.8752.3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143.5℃，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，从而有效的影响着合金的微观结构及力学性能，这与表3中的结果相符合。110120130140150160Tg2=143.5℃Tg1=116.6℃Tg2=144.3(℃)Tg1=113.2℃Tg2=145.9℃Tg1=112.7℃CBA温度（℃）A—PC/ABS合金；B—MBS增韧PC/ABS合金；C—SMA/MBS增容增韧PC/ABS合金图3PC/ABS合金的DSC曲线2.4共混物的SEM分析图4分