TGIC对PBT/POE共混复合材料断裂韧性的影响研究

曹 博，罗珊珊，杨 志，沈佳斌，郭少云

(四川大学高分子材料研究所，高分子材料与工程国家重点实验室，成都610065)

聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为乳白色结晶型热塑性塑料，它具有较高的耐热性，耐疲劳性，电绝缘性，但也有缺口冲击强度低，成型收缩率大等缺点[1]。增韧改性是PBT高性能化的一个主要方向。乙烯-1-辛烯共聚物(POE)作为一种热塑性聚烯烃弹性体常被用于聚合物的增韧改性。但由于PBT与POE相容性较差，共混后两相的界面强度较低，难以有效的将应力传递到增韧相达到吸收能量的目的。异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)是一种杂环多环氧化合物，在POE中加入一定量的TGIC后与PBT共混，可以利用TGIC与PBT官能团间的化学反应，提高PBT与POE的界面强度，从而实现POE对PBT的力学增韧。

本文利用基本断裂功和缺口冲击试验，评价在拉伸和冲击应力作用下，TGIC对PBT/POE共混物断裂韧性的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，Crastin S600F10 NC010，密度为 1.31 ×103 kg/m3，杜邦公司;乙烯-1-辛烯共聚物(POE)，Engage 8150，密度为0.868 ×103 kg/m3，辛烯含量为 25%，DOW 化学公司;异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)，分子量为297.27，环氧当量为102～108 g/eq，鞍山润德精细化工有限公司。

1.2 试样制备

首先，将经过真空干燥的TGIC与POE经双螺杆挤出机挤出、造粒、干燥。TGIC的含量分别为0，1 phr和5 phr.挤出机各段温度分别为100℃，140℃，175℃，170℃.然后，将 POE/TGIC共混物与PBT按10/90(wt/wt)的比例再次经双螺杆挤出机进行挤出、造粒、干燥。挤出机各段温度分别为:170℃，220℃，245℃，240℃。最后，将PBT/POE/TGIC共混物在240℃下用压机热压成型。用作基本断裂功测试的样品厚度为0.5 mm，用作缺口冲击测试的样品厚度为4 mm.

1.3 基本断裂功测试

基本断裂功(essential work of fracture，EWF)方法[2-5]所用的试样为双边缺口拉伸试样(DENT)，如图1所示。当试样受到载荷后，断裂过程和塑性变形发生在两个不同的区域，分别为内部断裂过程区(inner fracture process zone，IFPZ)和外部塑性变形区(outer plastic deformation zone，OPDZ)[6]。因此，试样的总断裂功(Wf)被认为由基本断裂功和非基本断裂功两个部分组成。其中，基本断裂功(We)耗散在IFPZ区域，是一个表面能;非基本断裂功(Wp)耗散在OPDZ区域，是一个体积能量。三者之间的关系为:

研究表明，We与试样韧带长度(l)成正比，Wp与试样韧带长度的平方(l2)成正比。因此，公式(1)可以写成:

其中，Wf，We和Wp分别为材料单位韧带横截面积(tl)的比总断裂功，比基本断裂功和比非基本断裂功。β为塑性变形区的形状因子，仅与试样形状有关。已经证明，We在理论上是一个仅依赖于材料厚度的材料常数，反映材料抵抗裂纹扩展的能力，因而可以作为表征材料断裂韧性的指标[7]。

图1 DENT样品原理图Fig.1 Schematic of DENT specimen

EWF测试样条的制备方法为:将压板制得的厚度为0.5 mm的薄板裁成如图1所示DENT试样形状。用锋利刀片在光学显微镜下在所用试样缺口处预制不同韧带长度。然后用拉伸机(微机控制电子万能试验机，CMT4104，深圳市新三思材料检测有限公司)在室温下对试样进行拉伸，记录载荷-位移曲线，位移速率为5 mm/min.

1.4 缺口冲击性能测试

将压板制得的厚度为4 mm的薄板切割成长80 mm，宽10 mm的长方体冲击样条。按照 GB/T 1843-1996标准，在冲击样条的中部开出深度为2 mm的缺口，然后在悬臂梁冲击机(XJU-22冲击试验机，承德大华试验机有限公司)上进行冲击性能测试。每个体系测试5根样条，并计算平均值。

2 结果与讨论

2.1 拉伸韧性分析

图2所示为填加不同含量TGIC的POE与PBT共混物试样在拉伸过程中的载荷-位移曲线。从图中可以看出，各体系不同韧带长度的试样均被拉至断裂。但对于未填加TGIC体系(图2a)，某些韧带长度的试样在达到屈服后迅速断裂，塑性变形很小，表明在拉伸过程中出现了不稳定的裂纹扩展。随着TGIC含量的增加，载荷-位移曲线逐渐趋于稳定。当POE中TGIC含量达到5 phr时(图2c)，所有试样的载荷在达到最大值后均缓慢下降，显示出典型的韧性断裂行为。随着韧带长度的增加，试样的屈服强度、断裂位移及曲线下的面积(总断裂功，Wf)均随之增大，载荷-位移曲线具有良好的自相似性。

图2PBT/POE共混物含有(a)0 phr，(b)1 phr，和(c)5 phr TGIC的载荷-位移曲线Fig.2 Load-displacement curves of PBT/POE blends with(a)0 phr，(b)1 phr，and(c)5 phr TGIC in POE phase.

图3PBT/POE共混物含有(a)0 phr，(b)1 phr，和(c)5 phr TGIC的wf-l散点图;(d)we-TGIC含量散点图Fig.3 Plots of wf against l for PBT/POE blends with(a)0 phr，(b)1 phr，and(c)5 phr TGIC in POE phase;(d)Plots of we against TGIC contents.

将图2中各体系的载荷-位移曲线数据作进一步处理，可以得到韧带长度(l)与其对应的比总断裂功(Wf)的关系图(如图3所示)。可以看到，随着TGIC含量的增加，l与Wf的线性拟合相关系数(R2)逐渐增大，说明TGIC的加入有利于改善PBT/POE共混体系的韧性，使其更加符合预测比基本断裂功(We)的必要条件。而从线性拟合得到的We的结果显示(图2d)，POE中含有5 phr TGIC的PBT/POE(90/10，wt/wt)共混体系与未填加TGIC的体系相比，其 We从35.2 kJ/m2提高到了48.1 kJ/m2.这更为直接的说明，填加了TGIC的POE使材料抵抗裂纹扩展的能力得以增强。相比而言，各体系线性拟合的斜率变化较小，说明TGIC含量的增加对材料拉伸过程的塑性变形能力影响不大。

2.2 冲击韧性分析

图4所示为填加不同含量TGIC的PBT/POE共混物(90/10，wt/wt)试样的缺口冲击性能比较。可以看到，随着TGIC含量的增加，体系的缺口冲击强度逐渐提高。当POE中TGIC含量达到5 phr时，与未填加TGIC的体系相比，其冲击强度从7.2 MPa增加到10.5 MPa，提高了近47%.表明 TGIC的加入改善了体系的冲击韧性，这一趋势与其对体系拉伸韧性的影响是完全一致的。分析认为，TGIC对PBT/POE共混体系拉伸和冲击韧性的改善作用源于POE中的TGIC与PBT官能团间的化学反应提高了增韧相与基体相的界面粘接，使应力可以通过相界面传递到增韧相，进而达到吸收能量的目的。

图4PBT/POE/TGIC共混物冲击强度-TGIC含量散点图Fig.4 Plots of impact strength against TGIC contents for PBT/POE/TGIC composites.

3 结论

(1)TGIC的加入有利于提高PBT/POE共混体系的拉伸断裂韧性。随着其含量的增加，体系的比基本断裂功逐渐增大，抵抗裂纹扩展的能力得以增强。但比非基本断裂功变化较小，对材料拉伸过程的塑性变形能力影响不大。

(2)缺口冲击性能测试结果显示，随着TGIC含量的增加，PBT/POE共混体系的冲击强度逐渐提高。与未添加TGIC的体系相比，加入了5 phr TGIC的体系的缺口冲击强度提高了近47%.说明TGIC加入有利于提高POE与PBT的界面粘接，使应力可以通过相界面传递到增韧相，进而达到吸收能量的目的。

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