提高玻璃纤维/聚碳酸酯复合材料流动性能的方法研究*

肖 一，甘梦雨，魏 铮，林炜煌，杨 勇

(厦门理工学院材料科学与工程学院，福建 厦门 361021)

聚碳酸酯(PC)由于具有良好的透光性和优异的力学性能，能够广泛应用于各个领域。聚碳酸酯分子链段上的苯环结构使分子链彼此缠结强烈，不易滑脱，它在外力的作用下不易变形，具有很高的尺寸稳定性，同时聚碳酸酯具有良好的耐热性、优异的耐老化性、良好的机械性能。由于PC结构的特殊性，成为了五大工程塑料中增长最快的通用工程塑料[1]。

虽然PC具有许多优点，但由于PC熔体粘度高，流动性差，易应力开裂，耐溶剂性差，在溶剂和碱性环境中易应力开裂和膨胀，限制了其应用[2]。

玻璃纤维(GF)作为一种无机非金属材料，具有优异的机械强度，是一种良好的增强材料。用玻璃纤维改性PC虽然能够提高PC的耐热性、机械性能、尺寸稳定性[3]。但是增强体玻璃纤维的加入会进一步降低聚碳酸酯的熔体流动性。因此寻求一种改性剂，通过改性剂的添加来改善GF/PC的流动性，并且确保机械性能的稳定，显得十分必要。

聚烯烃弹性体(POE)是一类乙烯和辛烯基的热塑性弹性体。POE分子量分布集中，由于链段支链短，具有良好的加工性能和机械性能[4]。本实验采用POE对GF/PC复合材料进行改性以期望改善GF/PC的流动性能，并且探究出三者的最佳配比。同时选择LDPE、PP作为改性剂，探究并评价在相同配比下POE、LDPE、PP三种材料对GF/PC复合材料的性能影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHT35/600-18.5-40双螺杆挤出机，南京科瑞挤出机械有限公司；卧式注塑机，无锡海天机械有限公司；MTM1000熔融指数测定仪，深圳三思纵横科技股份有限公司；DSC214差示扫描量热仪、TG209F3热重分析仪，德国Netzsch仪器公司；ETM1048万能拉伸试验机、501J悬臂梁冲击试验机、501J简支梁冲击试验机，深圳万测试验设备有限公司；Sigma500扫描电子显微镜，德国卡尔蔡司公司。

双酚A型聚碳酸酯(L-1250Y)，帝人聚碳酸酯有限公司；短切玻璃纤维(5 mm)，江苏康达夫新材料科技有限公司；聚烯烃弹性体(6202)，美国埃克森公司；低密度聚乙烯(N150)，中国石化上海石油化工股份有限公司；聚丙烯(T30S)，中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司。

1.2 实验方法

将PC、GF、POE、LDPE、PP置于鼓风烘箱中，在80 ℃烘干12 h。将烘干的原料按照配比，使用双螺杆挤出机共混挤出。使用卧式注塑机注塑成型，测试性能。

1.3 测试表征

使用熔融指数测定仪在一定条件下(设定温度：260 ℃，砝码质量：2.16 kg)测量复合材料的熔融指数[5]；使用万能试验机及冲击试验机测试注塑样条的机械性能[6]；使用差示扫描量热仪(DSC)测试复合材料的玻璃化转变温度[7]，设定起始温度20 ℃，终点温度270 ℃，升温速率10 K/min，采用二次升温数据；使用热重分析仪(TG)测试复合材料的分解温度，设定起始温度35 ℃，终点温度600 ℃，升温速率为10 K/min，氮气氛围；使用扫描电子显微镜表征拉伸断面的微观形貌。

2 结果与讨论

将POE、LDPE、PP作为改性剂按表1所示配比添加在GF/PC中制备三元复合材料[8]。

表1 样品编号及比例

2.1 改性剂种类对复合材料熔融指数的影响

在复合材料GF/PC中分别添加2份的POE、LDPE、PP，制备三元复合材料。测得的熔融指数如图1所示。玻璃纤维的加入导致PC的流动性降低。POE、LDPE、PP的添加均可以改善GF/PC复合材料的加工流动性，其中LDPE对GF/PC的流动性提高最多，PP对GF/PC的流动性提升最低。添加2份的POE可以将GF/PC的流动性从6.09 g/10 min提高到10.82 g/10 min，提升77.67%。

图1 改性剂种类对GF/PC熔融指数的影响

2.2 POE添加量对复合材料熔融指数的影响

图2中显示了改性剂POE的添加量与复合材料熔融指数的关系。我们可以看到由于玻璃纤维为无机纤维填料，在加工温度下不能熔融，作为增强材料添加后，聚碳酸酯熔体粘度进一步提高，加入玻璃纤维后聚碳酸酯的熔融指数由8.01 g/10 min下降到了6.09 g/10 min，下降了23.97%。加工性能变差。

图2 POE添加量对GF/PC熔融指数的影响

添加改性剂POE后复合材料的流动性得到了明显的加强，随着POE含量的增加，复合材料的流动性持续提高。添加2份的POE时，熔融指数由原来的6.09 g/10 min增加到13.81 g/10 min，提高了126.77%。POE的添加可以极大地提高了GF/PC复合材料的加工性能。

2.3 POE添加量对复合材料机械性能的影响

如图3a所示，加入玻璃纤维后，聚碳酸酯树脂和玻璃纤维发生交联反应及界面结合，由于纤维的弹性模量比树脂基体大得多，因此在拉伸过程中可以承担很大一部分的应力，在拉伸试验中，一方面玻璃纤维增加了与基体之间的摩擦力，另一方面玻璃纤维在抽出时要克服缠绕在其表面上的大分子链之间的作用力，从而使得PC/GF 复合材料的拉伸强度大幅度提高。添加1份的玻璃纤维后聚碳酸酯材料的拉伸强度有明显的改善，复合材料GF/PC的平均拉伸强度由原来的21.11 MPa增强到34.58 MPa，增加了63.81%。弹性模量由0.65 GPa提高到了1.64 GPa，增长了1.52倍，材料发生一定弹性变形所需的应力提高，材料的刚性增加。

图3 POE添加量对GF/PC机械性能的影响

添加POE后，复合材料的拉伸强度和弹性模量有所降低，并且随着POE添加量的增多，下降趋势更明显。添加2份的POE时，复合材料的拉伸强度、弹性模量与PC相差不大。

复合材料的弯曲强度、弯曲模量随POE添加量的变化关系如图3b所示。从图3b上可以发现玻璃纤维增强后的聚碳酸酯其弯曲强度与弯曲模量同样得到了明显的提高。添加POE后，弯曲强度由原来的1094.84 MPa提高到1268.41 MPa，提升了15.85%。弯曲模量由11.61 GPa提高到了13.21 GPa，提升了13.78%。

随着POE添加量的增加，复合材料的弯曲强度及弯曲模量逐渐降低。弯曲强度降低较为明显，弯曲模量随POE添加量增加而降低幅度有限。

2.4 POE添加量对复合材料热性能的影响

定义Td5%(℃)为复合材料的质量损失5%时的温度，即聚合物的分解温度。结合图4我们可以得知，聚碳酸酯在391 ℃时开始分解，分解温度为448 ℃。在添加玻璃纤维后，GF/PC复合材料在405 ℃开始分解，提高了耐热温度。POE的加入使得GF/PC的分解温度有所降低，这是由于POE属于短链高聚物分解温度较低导致的。但是由于POE中存在结晶，升温过程中，晶区熔融吸热消耗了部分热量，随着POE添加量的增加，复合材料的分解温度缓慢提升，与聚碳酸酯分解温度相差不大。

图4 POE添加量对GF/PC热稳定性的影响

图5呈现了三元复合材料玻璃化转变温度与POE添加量的关系，聚碳酸酯的玻璃化转变温度Tg为153 ℃，而添加玻璃纤维后的材料Tg为149 ℃。随着POE添加量的增多，复合材料的玻璃化转变温度缓慢降低，但均保持在140 ℃以上，与聚碳酸酯相差不大。同时也在A3、A4、A5曲线上观察到了POE的晶区熔融吸热峰。

图5 POE添加量对GF/PC玻璃化转变温度的影响

2.5 POE添加量对复合材料微观形貌的影响

图6是添加POE后，三元复合材料扫描电镜微观形貌图。从图6中可以观察到聚碳酸酯与POE未出现明显相分离现象，两相容和良好。玻璃纤维及拔出后留下的空穴分布均匀，说明共混挤出时玻璃纤维分散均匀。

图6 POE添加量对GF/PC微观形貌的影响

同时在A1中能观察到聚碳酸酯拉伸断面光滑平整，发生了明显的脆性断裂。随着POE添加量的增多，基体形貌逐渐变得不平整甚至出现拉拔现象，复合材料基体韧性逐渐增强，复合材料逐渐向韧性转变。

3 结 论

三种改性剂POE、LDPE、PP均能明显降低GF/PC复合材料的加工粘度，添加2份的POE可以将GF/PC复合材料的加工流动性提高77.67%。随着POE添加量的增多，POE/GF/PC三元复合材料的加工流动性逐渐提高，熔融指数由原来的 6.09 g/10 min增加到13.81 g/10 min，提高了126.77%。复合材料的机械性能会受到POE的影响，添加2份的POE，复合材料的机械性能与聚碳酸酯相差不大。改性剂的添加对复合材料的热稳定性能影响不大，改性剂POE可以与聚碳酸酯基体具有良好的相容性，并且随着POE添加量的增多，复合材料韧性增强。