增容剂种类对PC／ABS 合金材料适用环境的影响

陈家锋，肖敏，陈福双，黄珂伟，徐宏健，陆超超，潘利明

(杭州金州高分子科技有限公司，杭州 310018)

聚碳酸酯(PC)／丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)具有优异的力学性能、高韧性和高流动性，因此广泛应用在汽车、家电、航空、船舶等行业。近年来，随着我国家电产业、汽车产业的发展和日益更新，引进了大量的产品生产线，这些产业需要大量的热变形温度高、高光泽、耐低温开裂、高应力开裂、耐刮擦的 PC／ABS 树脂产品[1–3]。崔晋恺等[4]、丁志超等[5]、李欣达等[6]综述了用于改善PC／ABS 合金相容性的增容剂主要包括马来酸酐接枝类、甲基丙烯酸甲酯接枝类及胺基苯乙烯–丙烯腈反应型增容剂；吴倩倩等[7]，邵佳丽等[8]研究了以甲基丙烯酸－丁二烯－苯乙烯共聚物(MBS)为增容剂，采用熔融共混的方法制备PC／ABS 合金和PC／ABS／MBS 合金，研究了不同原料配比以及增容剂对物理性能和外观形态的影响；毕静利[9]研究了以MBS为增容剂，不同 PC 含量对 PC／ABS 和 PC ／ABS／MBS 合金力学性能和热变形温度的影响；刘擂文等[10]制备了一系列不同MBS 含量的PC 回收料／ABS 合金，研究了 MBS 对 PC 回收料／ABS 合金力学性能的影响。曾德明等[11]研究了SAM 对PC进行增韧改性，改善PC 的缺口敏感，提高PC 韧性特别是低温冲击性能；杨海民等[12]对比研究了不同类型增韧剂[ABS 高胶粉、MBS、含硅增韧剂、乙烯－甲基丙烯酸酯(EMA)]及用量和不同阻燃剂对PC 的力学、低温缺口冲击强度、阻燃性能的影响，进一步优选耐寒增韧剂和阻燃剂研究了不同用量配比对低温落球性能和阻燃性能的影响。段浩等[13]研究了苯乙烯–丙烯腈–甲基丙烯酸缩水甘油酯结构的三元共聚物对PC／ABS 合金物理性能和相态结构的影响；陆波等[14]研究了丙烯酸酯类对PC／ABS 合金力学性能和熔体流动性能的影响。

但是很少有文章研究增容剂种类对PC／ABS性能的影响及差异，笔者主要以苯乙烯–丙烯腈–GMA，MBS，苯乙烯和马来酸酐无规共聚物，乙烯与丙烯酸甲酯的共聚物，PC 液体增韧剂等不同种类增容剂来研究它们在PC／ABS=7 ∶3，PC／ABS=3 ∶7 的比例下的高低温性能，并确认不同种类增容剂使用的最佳场合，并确认增容剂的合适的添加比例。

1 实验部分

1．1 主要原材料

PC：110，台湾奇美实业股份有限公司；

ABS：PA–757K，镇江奇美化工有限公司；

苯乙烯–丙烯腈–甲基丙烯酸缩水甘油酯：SBG–001，佳易容相容剂江苏有限公司；

甲基丙烯酸甲酯–丁二烯–苯乙烯三元共聚物(MBS)：M701，核壳型，日本钟渊化学工业株式会社；

苯乙烯和马来酸酐无规共聚物：SMA–700，嘉兴华雯化工有限公司；

乙烯与丙烯酸甲酯的共聚物(EMA)：市售；

MBS：S050，广州华生塑料有限公司；

PC 液体增韧剂：SR270，市售；

抗氧剂：1076，168，巴斯夫(中国)有限公司；

分散剂：PETS，巴斯夫(中国)有限公司。

1．2 主要设备及仪器

平行双向螺杆挤出机(侧喂料)：CTE35 型，Ø35.6，科倍隆(南京)机械有限公司；

注塑机：HDX–50 型，海达(宁波)塑料机械有限公司；

电子悬臂梁冲击试验机：XJUD–5.5 型，承德市金建检测仪器有限公司；

万能试验机：AGS–X 型，岛津企业管理(中国)有限公司；

密度计：ED–1000 型，上海图新电子科技有限公司；

恒温恒湿试验箱：MHK–408AK 型，泰琪科技(苏州)有限公司；

维卡／热变形测试仪：ZWK1302–A 型，美特斯工业系统(中国)有限公司；

熔体流动速率 (MFR)仪：MFI–1211 型，承德市金建检测仪器有限公司。

1．3 样品制备

将 PC，ABS 分别于 110℃，90℃干燥 4 h 后，按照一定的比例与增容剂、抗氧剂、润滑剂等在高速混合机中混合10 min，再由双螺杆挤出机挤出造粒。其各段温度为：1 区：230℃；2 区：240℃；3 区：245℃；4 区：245℃；5 区：250℃；6 区：250℃；7 区：250℃；8 区：250℃；9 区：250℃；10 区：250℃；机头：245℃。挤出机主机转速为300 r／min，主喂料转速为20 r／min，根据不同的配比，得到多组PC／ABS塑料。

添加不同增容剂的不同PC 和ABS 比例(70／30；30／70)的PC／ABS，添加的增容剂分别为：无增容剂，SBG–001，M701，EMA，S050，SMA–700，SR–270，各组材料在110℃下烘干4 h 后注塑成标准样条，后放置24 h 后检测。

通过注塑机，制备不同配方的PC／ABS 样条。注塑工艺：1 区温度 240℃；2 区温度 250℃；3 区温度 250℃；1 段压力 60 MPa；2 段压力 65 MPa；3段压力65 MPa；4 段压力60 MPa；1 段速度55%；2 段速度60%；3 段速度55%；4 段速度45%。

1．4 性能测试

拉伸性能：按照 GB／T 1040.2–2006 测试，拉伸速率为10 mm／min。

弯曲性能：按照GB／T 9341–2008 测试，弯曲速率为2 mm／min。

悬臂梁缺口冲击强度(常温，低温–30℃／24 h，高温 110℃／168 h)：按照 GB／T 1843–2008 测试，冲击摆锤能量为2.75 J／5 J。

密度：按照 GB／T 1033.1–2008 A 法测试。

MFR：按照 GB／T 3682–2008 测试，温度为260℃，砝码质量5 kg。

热变形温度：按照 GB／T 1634.2–2004 测试，载荷1.8 MPa，升温速率为120℃／h。

2 结果与讨论

2．1 不同增容剂对PC／ABS 材料力学性能的影响

分别在PC／ABS(70／30)和PC／ABS(30／70)两个体系中添加不同种类增容剂，添加比例为5%，探讨不同增容剂对PC／ABS 合金性能的影响。

(1)不同增容剂对PC／ABS(70／30)力学性能的影响。

表1 为增容剂添加比例为5%，不同增容剂种类时PC／ABS(70／30)材料力学性能。

表1 不同增容剂种类时PC／ABS(70／30)力学性能

对拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度、低温缺口冲击、热老化缺口冲击、熔体流动速率、热变形温度分别作图，见图1～图7。

图1 不同增容剂时PC／ABS(70／30)材料拉伸强度

从图1 可以看出，添加增容剂后，材料的拉伸强度均有不同程度的下降，其中添加S050 和SMA 的材料拉伸强度下降幅度较小，分别为54.28 MPa 和53.60 MPa；添加EMA 的材料拉伸强度下降幅度最大，为 46.69MPa。

图2 不同增容剂时PC／ABS(70／30)材料弯曲强度

从图2 可以看出，添加增容剂SR270 后，材料的弯曲强度为96.70 MPa，比未添加增容剂的材料有所上升，而添加其它增容剂的材料的弯曲强度均有下降，其中EMA 的强度下降幅度最明显，为78.36 MPa。

图3 不同增容剂时PC／ABS(70／30)材料缺口冲击强度

从图3 可看出，添加增容剂后，材料的缺口冲击强度均会有较大幅度的增加，其中添加SMA 的材料的缺口冲击强度提升效果最佳，为75.90 kJ／m2。

图4 不同增容剂时PC／ABS(70／30)材料低温缺口冲击强度

从图 4 可以看出，添加 SBG，M701，SMA 的材料的低温缺口冲击强度相对较好，其中添加SMA的材料强度达到74.24 kJ／m2；而添加EMA 的材料，反而下降，强度仅有24.02 kJ／m2。由此可以看出，对PC／ABS(70／30)材料，添加SBG，M701和SMA 可使材料更好的适用于低温环境，而添加EMA 不适用于低温环境。

图5 不同增容剂时PC／ABS(70／30)材料热老化后缺口冲击强度

从图 5 可以看出，添加 SBG，M701，EMA 的材料的热老化缺口冲击强度提升效果更好，其中添加EMA 的材料强度达到44.07 kJ／m2。由此可以看出，对 PC／ABS(70／30)材料，添加 SBG，M701 和EMA 可使材料更好的适用于高温环境。

图6 不同增容剂时PC／ABS(70／30)材料的MFR

从图6 可以看出，添加增容剂后，材料的MFR均下降，相对而言，SR270 的影响较小，可以使得PC／ABS 材料具有较宽的加工范围。

图7 不同增容剂时PC／ABS(70／30)材料的热变形温度

从图7 可以看出，各种增容剂对PC／ABS 材料的热变形温度影响不大，热变形温度的数值主要由体系中PC 的含量决定。

综上所述，对PC／ABS(70／30)体系，当材料只在常温环境下使用时，各类增容剂均能使得材料的缺口冲击强度达到60 kJ／m2以上，其中SMA 的提升效果最佳；当材料具有低温使用要求时，可以选择添加SBG，M701，SMA，但是不能使用EMA；当材料具有高温要求时，可以选择添加SBG，M701，EMA，其中EMA 效果最佳。

(2)不同增容剂对PC／ABS(30／70)力学性能的影响。

考虑到成本及加工性能等因素，确定了PC／ABS(30／70)的比例配方，并在PC／ABS(30／70)体系中添加5%的不同种类的增容剂，测试其力学及热性能，见表2。

表2 不同增容剂种类时PC／ABS(30／70)力学性能

由于PC／ABS(30／70)材料的拉伸强度、弯曲强度、热变形温度的总体趋势与PC／ABS(70／30)基本相同，在此不再赘述。对缺口冲击强度、低温缺口冲击、热老化缺口冲击、MFR 作图，分别见图8～图10 所示。

图8 不同增容剂时PC／ABS(30／70)材料的热变形温度

图9 不同增容剂时PC／ABS(30／70)的低温和热老化缺口冲击强度

图10 不同增容剂时PC／ABS(30／70)材料的MFR

从图 8 可以看出，添加SBG 和S050 对材料的缺口冲击强度提升效果相对较好；而EMA 和SR270 对材料的强度几乎没有提升效果。

从图9 可以看出，添加增容剂对材料的低温和热老化缺口冲击强度几乎没有作用。由此可以看出，PC／ABS(30／70)不适用于低温或高温环境。

从图10 可看出，添加增容剂后，材料的熔体流动速率均下降，相对而言，SR270 的影响较小，可以使得PC／ABS 具有较宽的加工范围。可见，对PC／ABS(30／70)材料，可添加 SBG 和 S050，能有效提升材料的常温缺口冲击强度；但添加各增容剂均无法明显提升材料的低温及热老化缺口冲击强度，因此PC／ABS(30／70)不适用于低温或高温环境。

综合对比PC／ABS(70／30)及PC／ABS(30／70)两种材料，除了MFR，PC／ABS(70／30)其它各项性能均高于PC／ABS(30／70)材料。因此，当材料拥有较高性能要求时，则选用PC／ABS(70／30)体系，而当PC／ABS(30／70)材料的性能可以满足要求时，该材料拥有更好的成型加工性能，且该材料的成本更低。

2．2 不同增容剂含量对PC／ABS 力学性能的影响

选择综合性能较好的增容剂SBG，来探讨不同含量的增容剂对PC／ABS 力学性能的影响，分别在 PC／ABS (70／30)和PC／ABS (30／70)中添加1%，3%，5%，7%，对拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度分别作图，见图11～图13 所示。

图11 不同增容剂含量时PC／ABS(70／30)材料的拉伸及弯曲强度

图12 不同增容剂含量时PC／ABS(30／70)材料的拉伸及弯曲强度

从图11 和图12 可以看出，增容剂的添加会降低材料的拉伸强度和弯曲强度，但不同含量的性能差距均较小且无明显规律。在PC／ABS(70／30)体系中，当添加量为7%时，拥有最大的拉伸强度为50.39 MPa；当添加量为3%时，拥有最大的弯曲强度为83.43 MPa。在PC／ABS(30／70)体系中，当添加量为5%时，最大的拉伸强度为41.86 MPa；当添加量为1%时，最大的弯曲强度为73.55 MPa。

图13 不同增容剂含量时PC／ABS 材料的缺口冲击强度

从图13 可以看出，对于缺口冲击强度，无论是PC／ABS(70／30)还是 PC／ABS(30／70)材料，在增容剂添加量3%时效果最好，强度分别为69.14 MPa 和 32.77 MPa。

综上所述，无论是PC／ABS(70／30)还是PC／ABS(30／70)，在添加3%的增容剂SBG 时，其常温冲击性能最佳。

3 结论

(1)苯乙烯和马来酸酐无规共聚物(SMA–700)对PC／ABS(70／30)材料的低温缺口冲击强度的提升效果最佳，强度为74.14 kJ／m2；乙烯与丙烯酸甲酯的共聚物(EMA)对PC／ABS(70／30)材料的热老化缺口冲击强度提升效果最佳，强度为44.07 kJ／m2；PC 液体增韧剂 (SR270)使得 PC／ABS 材料具有最高的MFR，具有最宽的加工范围。

(2)在常温环境中，若PC／ABS(30／70)的性能可以满足要求，建议使用PC／ABS(30／70)材料，该材料拥有更好的成型加工性能和成本；在高温环境或者低温环境中不建议使用PC／ABS(30／70)的材料。

(3) 在常温环境中，PC／ABS(70／30)、PC／ABS(30／70)材料中添加3%比例的增容剂SBG–001 时，材料的常温冲击性能最佳。