硫酸钙晶须对PBT玻纤增强材料的翘曲改善研究

胡志刚，张作宁，郭海涛，温玉清

（银禧工程塑料（东莞）有限公司，广东东莞 523187）

PBT是一种性能优越的工程塑料，其合成技术在国内已经日趋成熟，2019年我国PBT产能高达100万吨/年，全球产能大约200万吨/年。并在许多领域获得了广泛应用［1］。

PBT树脂力学性能低，线膨胀系数也较大，成型收缩率为1.5%～2.0%，易翘曲变形，影响产品外观，这些缺陷限制了PBT的应用［2-3］。由于PBT分子链相对容易移动，大分子链易取向结晶，使产品容易产生翘曲［4］。

硫酸钙晶须，是一种纤维状的无水硫酸钙单晶体。其尺寸稳定,长径比为80 ，具有耐高温、耐腐蚀、韧性较好、强度非常高，容易进行表面处理、与高分子聚合物的亲和力强等优点［5］。它可以部分替换玻纤［6］。本研究通过加入硫酸钙晶须改善玻纤增强PBT体系的翘曲现象，同时尽可能保持较好的机械性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

PBT：2087，恒力集团；玻璃纤维：534，巨石集团；硫酸钙晶须：市售；抗氧剂：1010、168，利安隆；润滑剂：LUT-30，市售。

1.2 主要仪器与设备

双螺杆挤出机：TSE-35B，金鸿挤出设备有限公司；注塑机：K120VT，佛山市凯迪威机械有限公司；数字鼓风干燥箱：IAT-216，巨孚精密仪器有限公司；电子万能试验机：TS-2000M，剑桥检浊设备有限公司；冲击试验机：ZBC-4，美特斯仪器设备有限公司；光泽度仪：GL0030，GLOSSMETER；游标卡尺：CD-20AX，广陆精密量仪有限公司。

1.3 试样制备

按表1配方称量各种材料，用高速混拌机将材料混匀,通过挤出机挤出、造粒,注意玻璃纤维从螺杆中部侧喂料机加入。从1～8区到机头挤出温度分别为220、230、240、250、250、240、240、230、250 ℃。

表1 玻纤增强PBT配方(%)Table 1 Formula of glass fiber reinforced PBT(%)

粒料在115℃进行3h干燥，通过注塑机注塑成型，1～5区温度分别为210、220、230、240、250 ℃。

1.4 性能测试

拉伸强度：按ISO 527-2浊试；弯曲模量：按 ISO 178浊试；缺口冲击强度：按ISO180浊试；熔体流动速率：按GB/T 3682浊试，条件为250℃*2.16kg。

1.5 翘曲度评估方法

注塑200mm×200mm×3mm方板，将方板放置于水平桌面上，取变形较大两个对角，按住其中一个角浊量对角离桌面的距离。

1.6 表面光泽度评估方法

注塑50mm×80mm×3mm色板，用光泽度仪浊试进胶口附近的光泽度。

2 结果与讨论

2.1 硫酸钙晶须含量对机械性能的影响

由表2可以看出，玻璃纤维的加入可以大大提高PBT的拉伸强度和弯曲模量，因为玻璃纤维具有较长的长径比，起到骨架树脂的作用，同时刚性纤维玻璃化能有效地抑制分子链的运动。从3#配方的性能可以看出，加入5%的硫酸钙晶须对体系性能影响不大，因为硫酸钙晶须本身具有一定的长径比，和玻纤起到类似的作用，少量加入不会影响性能。4#～8#配方中，加入硫酸钙晶须的抗拉强度、弯曲模量和冲击力呈下降趋势，说明硫酸钙晶须末的长径较短，增强效果不如玻璃纤维。另外，作为无机填料，会加大玻璃纤维在体系中的剪切力，缩短玻璃纤维的保留长度，从而降低其性能。

表2 硫酸钙晶须含量与机械性能的关系Table 2 Relationship between calcium sulfate whisker content and mechanical properties

2.2 硫酸钙晶须含量对熔体流动速率的影响

由图1看出，PBT材料加入玻璃纤维后，熔体流动速率大幅降低，是因为长纤维在熔体中对分子链移动起到阻碍的作用。随着硫酸钙晶须的加入，熔体流动速率会有一定的提高，因为硫酸钙晶须的长径比不高，对分子链移动影响较小。 较高的流动速率，有利于注塑成型，同时可以降低注塑压力，较小的注塑压力对改善产品翘曲也有正面的影响。

图1 硫酸钙晶须与熔体流动速率的关系Fig. 1 Relationship between calcium sulfate whisker and melt flow rate

2.3 硫酸钙晶须含量对表面光泽度的影响

由表3看出，玻璃纤维的加入，大幅降低PBT材料的表面光泽度，因为玻璃纤维流动性较PBT树脂差，容易在进胶口位置堆积，形成浮纤，影响表面光泽度。随着硫酸钙晶须的加入，表面光泽度先提高后降低，在4#配方中达到最高。因为硫酸钙晶须替代了部分玻纤，提高了体系熔体流动速率，但是硫酸钙晶须容易吸潮，形成结晶水，在挤出造粒过程中，无法通过抽真空方式抽出结晶水，该水分在注塑过程中会促进材料降解在表面形成银丝状不良，导致光泽度降低。光泽度的变化，间接地反映出硫酸钙晶须对改善浮纤有一定帮助。

表3 硫酸钙晶须含量与表面光泽度的关系Table 3 Relationship between calcium sulfate whisker content and surface gloss

2.4 硫酸钙晶须含量对翘曲度的影响

如图2所示，玻璃纤维的加入，使PBT材料产生了较大的翘曲变形，因为玻璃纤维长径比较大，使体系产生各向不对称收缩，产生翘曲。硫酸钙晶须含量的增加，翘曲度减小，因为其小长径比的特性，减弱了各向不对称收缩。

图2 硫酸钙晶须与翘曲度的关系Fig. 2 Relationship between calcium sulfate whisker and warpage

3 结论

（1）玻璃纤维增强PBT材料中添加硫酸钙晶须对其力学性能有负面影响，但当硫酸钙晶须含量为5%时，其负面影响较小。

（2）硫酸钙晶须的加入，可以提高玻纤增强PBT材料的熔体流动速率。

（3）添加硫酸钙晶须对材料表面光泽度有影响。硫酸钙晶须含量为10%时，光泽度最高。

（4）硫酸钙晶须替代部分玻璃纤维，能明显改善PBT材料的翘曲变形性能。

（5）在该复合材料加入5%～10%的硫酸钙晶须，可以较好地保留机械强度及表面光泽度，同时可以改善翘曲变形。