聚硅氧烷嵌段聚碳酸酯改性对聚碳酸酯材料耐候性能的影响

何元锦，莫锦鹏，麦伟宗，王春江

（广州合成材料研究院有限公司，广东广州510665）

聚碳酸酯（PC）广泛应用于电子电气、家电外壳、轨道交通、汽车部件等领域，其产量逐年增大，目前已成为世界用量第二大的工程塑料[1-2]。然而随着应用领域的拓展，PC 在实际应用中暴露出各种不足。PC 主链上刚性苯环结构限制了PC 分子链间的取向，受到外力作用后，取向不容易松弛，分子链残余内应力难以消除，内应力被冻结，使PC 制品容易产生应力开裂的现象。此外，PC 主链上的酯基在紫外光作用下容易发生光老化，并在湿热的环境下发生水解，从而使其综合性能下降，从而制约其在高温高湿及低温等极端环境的应用。因此，对聚碳酸酯的耐候耐老化改性已成为了产业界的焦点。

将有机硅低聚物与聚合物（特别是PC）共聚制备聚硅氧烷嵌段共聚物也可用于增韧改性高聚物[3]。与一般有机硅材料相比，聚硅氧烷- 聚碳酸酯嵌段共聚物（硅PC）由于同时具备柔性的聚硅氧烷链段和刚性的聚碳酸酯链段，其耐候性远胜于一般的热塑性弹性体[4]。本文将硅PC 引入到传统的阻燃聚碳酸酯体系中，考察聚碳酸酯材料在沸水、氙灯等极端条件老化前后的热稳定性、力学性能、颜色稳定性的变化，为耐极端气候PC 材料的开发提供指导经验。

1 实验部分

1.1 原料

PC 树脂：熔融指数为 10g/10 min(300℃/1.2 kg)；硅PC 树脂：熔融指数为 5g/10 min(300℃/1.2 kg)；阻燃剂：全氟丁基磺酸钾(PFBS)，纯度＞99 %；抗滴落剂：聚甲基丙烯酸甲酯包覆的聚四氟乙烯，市售；抗氧化助剂：市售；抗紫外助剂。

1.2 仪器设备

双螺杆挤出机：ND-65，南京诺达机械有限公司；热重分析仪：TG209F3，德国耐驰公司；氙灯老化试验箱：LHS-XII-65，广州合成材料研究院有限公司。注塑机：HTF86/TJ，中国海天塑料机械有限公司；万能试验机: CMT6103，深圳新三思材料检测公司；冲击测试仪:BPI-5. 5STAC，德国Zwick /Roell 公司; 色差仪：CR10 plus，日本柯尼卡美能达公司。

1.3 样品制备

样品配方见表1。按配方称取相应各组分，然后经搅拌机充分混合后，喂入双螺杆挤出机，挤出温度从第一区到第九区分别为250℃、270℃、270℃、270℃、270℃、270℃、275℃、275℃、275℃，螺杆转速为500 r/min。挤出条切粒后在120℃充分干燥，然后用注塑机将样品注塑成为所需的样条以备测试。

表1 实验配方组分配比Table 1 Formula of different experiments

1.4 性能测试

根据UL794 标准，本研究将样品投入70℃沸水中水煮168h，随后对水煮前后样条的力学性能进行测试，拉伸测试速度为50mm/min，弯曲测试速度2mm/min，冲击摆锤动能为5.5J。采用色差仪检测老化前后样品的颜色变化。采用阻燃试验箱考察其阻燃性能。用热重分析仪（TGA）在氮气气氛下对水煮前后样品的耐热性能进行分析，温度范围为室温至700℃，升温速率为20℃/min。将样品投入氙灯老化试验箱分别老化500h 和1000h，随后对老化前后样品的力学性能进行测试，其力学性能测试与水煮实验相同。

2 结果与讨论

图1 所示为改性聚碳酸酯材料的热失重曲线。其中0-1# 和1-1# 分别为0# 和1# 水煮后样品。可见，0# 的起始降解温度高于1#，这表明硅PC 的引入会一定程度上降低PC 材料的热稳定性。可是，经过水煮168h 后，样品的起始降解温度发生了明显的下降，这表明PC 样品在沸水中发生了一定程度的水解，使其热稳定性有所下降。值得注意的是，0-1# 的起始降解温度明显低于1-1#，这与水煮前样品的情况有所不同。众周所知，硅氧烷链段具有较好的化学稳定性，这表明，硅PC 的引入会削弱聚碳酸酯水解后的热稳定性下降。

图1 改性聚碳酸酯材料的热失重曲线Fig.1 TG curves of modified polycarbonate

水煮前后不同样品的力学性能见表2。水煮前，0#和1# 的力学性能数值差异不大，仅1# 的弯曲强度和弯曲模量略低于0#，0# 的-40℃冲击强度明显低于1#，这是因为PC 主链上刚性苯环结构使得材料韧性不足，而引入的硅PC 的柔性硅氧烷链段使得样品的刚性有所下降韧性增加。然而，水煮后0# 和1# 的力学性能均出现了不同程度的下降。其中，0#的冲击强度下降极为明显，其下降幅度明显大于1#，这表明硅PC 的引入导致的韧性增加可对冲水解引起的材料抗冲击性能下降，这样的特性有助于材料应用于湿热或者高寒的极端环境。

由于氙灯老化箱同时具有喷淋、温度控制以及特有的氙灯提供的紫外照射等功能，能较好地模拟实际环境中湿热、日照等极端环境，所以本研究根据ASTM 采用氙灯老化箱对PC 样品的抗老化进行研究。氙灯老化前后不同样品的力学性能变化和色差见表3 和表4。可见，氙灯老化前后0# 和1# 的常温性能保持良好，这是因为我们所采用的抗紫外老化配方能抵御氙灯老化箱内复杂极端的环境所带来的老化，表明我们的PC 样品能应用于湿热日照等极端环境。氙灯老化后样品的-40℃冲击强度均有所下降，这是因为在湿热及紫外老化的复合作用下，PC 材料的大分子链会发生一定程度的断裂，从而影响其耐低温冲击性能。氙灯老化后样品的ΔE值均有所上升，这是因为氙灯老化使得样品发黄，使得Δb值上升并连带使ΔE值上升。但与0# 相比，1# 的ΔE值均小于1，这可能是因为1# 所具有的硅氧烷链段化学性质稳定，能较好地抵御紫外线的老化作用，使得样品的颜色变化较小。

3 结论

（1）热重分析表明，硅PC 的引入会一定程度上降低PC 材料的热稳定性，但其优良的化学稳定性会削弱聚碳酸酯水解后的热稳定性下降。

（2）在热水作用下，PC 样品会发生水解，分子链断裂，使得力学性能有所降低，但硅PC 的引入导致的韧性增加可对冲水解引起的材料抗冲击性能下降。

（3）在抗紫外助剂的作用下，PC 样品在氙灯老化的作用下力学性能和颜色稳定性在一定程度上得到保持。