29汽车用新一代高性能PCABS合金的研究

汽车用新一代高性能PC/ABS合金的研究文/上海锦湖日丽塑料有限公司罗明华辛敏琦李荣群张毅【摘要】结合汽车行业对材料薄壁化、耐久性及回收利用的要求，本文通过对PC/ABS合金失效原因分析并对材料的各组分选材进行优化研究，并通过PCT(PressureCookerTest)、Rheology、长期热老化、热停留、低温多轴冲击等一系列试验方法评价研究汽车用新一代高性能PC/ABS合金。通过本文研究使PC/ABS材料得到优化，既可以成型薄壁大型制件，又具有优良的耐久使用性，同时可以回收利用。【关键词】PC/ABSPCT流变回收利用Newgenerationofhigh-performancepolycarbonate/acrylonitrile-butadiene-styrene(PC/ABS)BlendsforautomobileMinghuaLuoYiZhangRongqunLiMinqiXinShanghaiKumhosunnyPlasticCo.，LTD【Abstract】Thereisincreasingrequimentsofthin-wall、long-termperformanceandrecyclabilityforpolycarbonate/acrylonitrile-butadiene-styrene(PC/ABS)blendsapplyinginautomobileparts.Inthispaper,thefailuremodeofPC/ABSblendswasanalyzed,andoptimizingthedifferentcomponentsofthePC/ABSblendswasstudied.Asaresult,newgenerationofhigh-performancePC/ABSblendsforautomobilewasdeveloped，beingevaluatedbydifferenttests,suchasPressureCookerTest（PCT）、rheology、long-termheataging、heatstabilityresidentingininjectionmachine、multiaxialimpactstrengthinlowtemperatureandetc...Thesetestsshowthatnewgenerationofhigh-performancePC/ABSblendsforautomobilehaveexcellentflowability、long-termperformanceandrecyclability.【KeyWords】PC/ABS,PCT,Rheology,Recyclability0前言20世纪60年代中期，美国BorgWarnerChemicals公司首先开发出第一个PC／ABS合金。之后国外许多大公司相继开发出很多PC/ABS合金产品，并很快推向市场。[1]据了解，PC/ABS作为世界上销售量最大的商业化聚合物合金，2003年世界总产量超过70万吨。近5年，PC/ABS合金的产量每年都以10%左右的速度增长，增长速度在塑料领域中位于前列。PC/ABS合金不但用来制造汽车仪表板及其周围部件、防冻板、车门把手、托架、转向柱护套、装饰板、空调系统配件等汽车内饰件；PC/ABS合金也可以制作汽车外装件，如汽车车轮罩、反光镜外壳、尾灯罩等[2]。随着汽车行业的快速发展，对材料要求越来越高。1）汽车轻量化成为一个趋势，从而要求使用的材料具有优异的加工成型性，能成行大型薄壁制件；2）汽车长期在各种环境下使用，要求材料在各种恶劣环境下都具有优异的耐久性；3）现代社会越来越注重人类生存环境、注重绿色环保、注重节能减排，要求材料能多次循环回收利用。而现在使用的PC/ABS在以上几方面都存在一定缺陷，所以PC/ABS高性能化研究成为一个研究热点。1实验部分1.1原料PC：高粘度，Dow-LG公司PC：低粘度，Dow-LG公司ABS高胶粉：普通级Kumho公司ABS高胶粉：特殊级自制SAN：中高粘度Kumho公司SAN：极低粘度自制ABS：通用级市售1.2实验设备及仪器双螺杆挤出机：φ45L/D=40德国注塑机：SM-120中国INSTRON拉伸仪：2366美国IZOD冲击强度测试仪：XCZ-5.5中国HDT.VICAT测试仪：6911.000意大利熔体流动速率测定仪：RL-11B中国毛细管流变仪：RH10英国多轴冲击：Dynatup9200美国恒温恒湿试验箱：TH-1P-D中国台湾高温热老化箱：4Q1A中国凝胶色谱(GPC)：Waters1515美国1.3实验步骤1.3.1实验配方设计及加工根据实际使用情况进行实验设计及比较方案，具体方案如下：PC/ABS-1PC/ABS-2PC/ABS-3PC/ABS-newPC高粘度6565/65PC低粘度//65/ABS普通高胶粉16/16/ABS特殊高胶粉///16SAN中高粘度//16/SAN极低粘度16//16ABS/32//相容剂3333通过双螺杆进行挤出造粒，然后进行后续评价测试。1.3.2试验评价1、多次循环回收新料注塑成制件，然后破碎，再按试验设计25%比例进行回收，注塑成型并测试；回收一次即一个循环。2、PCT试验（PressureCookerTest）PCT试验主要在恒温恒湿箱中模拟实际使用环境下材料性能变化，一般使用90℃，95%湿度进行模拟评价。本试验在此条件下存放1000小时后再进行多项性能测试评价。3、长期高温热老化长期高温热老化试验主要在高温老化箱中110℃高温长期热存放模拟高温环境下使用材料性能变化。本试验在此条件下存放1000小时后再进行多项性能测试评价。1.4性能测试1）多轴冲击强度测试：按ASTMD3763分别在23℃和-30℃下测试，样条尺寸为φ100×3mm圆片；2）Izod缺口冲击：按ASTMD256,23℃下测试,样条尺寸64×12.7×3.2mm；3）PCMw测试；4）弯曲模量测试：按ASTMD790,1.3mm/min50mm跨距测试，样条尺寸64×12.7×3.2mm；5）熔融指数测试：按ASTMD1238，260℃，5Kg测试；6）Vicat测试：按ASTMD1525测试；7）毛细管流变测试：280℃。2实验结果与讨论2.1循环回收使用评价当前，PC/ABS使用厂家一般都会把水口和不良件破碎进行循环回收利用，一般回收比例根据实际情况不径相同。我们按25%回收比例进行循环回收模拟，然后进行分析测试（见Table1、Figure1），发现PC/ABS在进行多次循环使用中其缺口冲击和低温多轴冲击都会大幅度劣化。Table1MultiaxialImpactStrengthafterrecyclingatdifferenttemperatureTestConditionUnitValueFailuremodePC/ABS-1(virginmaterial)23℃J56.7Ductile-30℃J63.8DuctilePC/ABS-1(recycle1sttime)23℃J53.4Ductile-30℃J61.5DuctilePC/ABS-1(recycle2ndtime)23℃J49.1Ductile-30℃J52.8DuctilePC/ABS-1(recycle3rdtime)23℃J51.9Ductile-30℃J48.6DuctilePC/ABS-1(recycle4thtime)23℃J46.2Ductile-30℃J54.3DuctilePC/ABS-2(virginmaterial)23℃J48.1Ductile-30℃J52.4DuctilePC/ABS-2(recycle1sttime)23℃J42.6Ductile-30℃J43.5DuctilePC/ABS-2(recycle2ndtime)23℃J41.4Ductile-30℃J46.4BrittlePC/ABS-2(recycle3rdtime)23℃J36.9Ductile-30℃J45.6BrittlePC/ABS-2(recycle4thtime)23℃J35.3Brittle-30℃J39.2BrittlePC/ABS-new(virginmaterial)23℃J61.5Ductile-30℃J66.8DuctilePC/ABS-new(recycle1sttime)23℃J62.0Ductile-30℃J64.1DuctilePC/ABS-new(recycle2ndtime)23℃J58.3Ductile-30℃J57.8DuctilePC/ABS-new(recycle3rdtime)23℃J53.2Ductile-30℃J55.0DuctilePC/ABS-new(recycle4thtime)23℃J54.8Ductile-30℃J56.3Ductile从Table1，可以看出PC/ABS材料随着循环回收次数的增加，材料多轴冲击数据都存在下降，性能劣化的趋势。其中PC/ABS-2最明显，尤其多轴冲击数据下降明显且波动大，失效模式在回收后变为脆性断裂；PC/ABS-1数据也存在明显下降但是相对PC/ABS-2来讲，其失效模式一直为韧性断裂，符合汽车材料要求；PC/ABS-new，多轴冲击数据经过多次回收后有所下降，但是整体比较稳定而且失效模式都为韧性断裂。从Figure1，可以看出材料的Izod缺口冲击随着循环回收次数的增加出现明显的下降，三者分别只为新料的73%、69%和87.9%。012340200400600800Izodimpactstrength(j/m)TimesofrecyclingPC/ABS-1PC/ABS-2PC/ABS-newFigure1.Izodimpactstrengthmeasuredat23℃afterrecycling从上面数据可以看出PC/ABS材料在多次循环利用后都出现性能劣化问题，其原因为在多次循环利用中PC和ABS会由于以下几方面原因引起：1）注塑过程中PC和ABS的高温热降解，可以通过抗氧体系的优选能减少注塑过程中的热降解。2）使用ABS体系选择：从性能角度看PC/ABS-2性能劣化最严重，其中一个原因就是PC/ABS-2选用ABS粒子与PC进行共混，而PC/ABS-1和PC/ABS-new采用的是ABS高胶粉与SAN、PC进行共混，ABS粒子本身是ABS高胶粉与SAN加硬脂酸镁等润滑剂共混制成。所以相对PC/ABS-2而言，其他两个PC/ABS料不含有易促进PC降解的碱性润滑剂；同时还减少一次挤出的热历史，材料性能会更稳定。3）化学降解：PC结构中的酯键遇水、遇酸碱都会出现明显的降解，在PC/ABS中的ABS在生产过程中一般都会残留碱性破乳剂等杂质，从而促进PC降解，在多次循环回收中出现累积加速效应。通过对比PC/ABS-1和PC/ABS-new，我们可以看出使用ABS特殊高胶粉（特殊的洗净工艺，大幅度减少碱性破乳剂）的PC/ABS-new的性能明显好于使用普通ABS高胶粉生产的PC/ABS-1。4）一般回收过程中，会产生很多粉末，从而材料水分含量高，不容易充分烘干，从而导致PC降解。在试验情况中也都出现很多粉末，并难以烘干的情况，在此种情况下可以看出PC/ABS-new的性能更为优异。同时我们对试验材料对比测试其PC分子量(见Figure2)，从Figure2中可以看出随着循环回收次数增加Mw大幅度下降，与我们以上分析吻合。PC/ABS-new中的PC分子量经过多次循环使用，仍保持较高水平，降解比较小。012346080100TimesofrecyclingRetention(%)PC/ABS-1PC/ABS-2PC/ABS-newFigure2Precentretentionofpolycarbonatemolecularweightafterrecycling2.2耐久性评价结合汽车材料实际使用的情况，对