PC/改性ABS复合材料的制备与性能

王雅群 李欣 宋任展 朱坤良 林润雄

(青岛科技大学高性能聚合物研究院,山东 青岛,266045)

聚碳酸酯(PC)具有良好的力学性能、介电性能、高热变形性能,但存在加工流动性差、耐应力开裂性能差、缺口敏感性高、耐化学药品性差、价格偏高等缺点,限制了其应用范围[1]。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)具有良好的加工性能和较好的力学性能,价格也较PC 低,被广泛应用于汽车、电器、机械等领域[2-3]。PC与ABS共混不仅可以降低材料的内应力,减少对缺口的敏感性,也可降低PC 熔体的黏度,提高材料的加工性能,还可以节约材料的成本[4]。PC/ABS复合材料在性能上弥补了单一材料的不足,达到了取长补短的效果[5]。随着家电行业、汽车工业、电子电器制造业的发展,PC/ABS 复合材料的需求将会日益增加。

要进一步提高PC/ABS 复合材料性能,核心问题是提高两相相容性。有研究者开发了不同的相容剂,用来提高PC/ABS复合材料相容性以及性能[6-11],如在PC/ABS体系中加入马来酸酐-苯乙烯共聚物(SMA)、聚乙烯接枝物或甲基丙烯酸甲酯(MMA)-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)等相容剂,这些组分的加入在一定程度上改善了两者的相容性,提高了复合材料的性能,但增容效果有限。与加入相容剂相比,直接将有利于改善界面结合力的组分(如MMA)以接枝共聚的方法添加到ABS中,ABS在PC树脂中更容易分散,且界面结合力更强[12-13]。

下面采用氧化-还原引发体系,以MMA 为第三种接枝单体,通过乳液聚合法制备了改性ABS,然后与PC 共混挤出,制备了PC/改性ABS 复合材料,研究了ABS乳液接枝共聚物中MMA 用量对PC/改性ABS复合材料熔体流动速率(MFR)、维卡软化温度和力学性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料

丁二烯胶乳,粒径为350 nm,山东颐工化学有限公司;苯乙烯(St),丙烯腈(AN),无水葡萄糖,焦磷酸钠,过氧化氢异丙苯(CHP),硫酸镁,MMA,油酸钠,化学纯,均为国药集团化学试剂有限公司;硫酸亚铁(FES),分析纯,天津博迪化工股份有限公司;叔十二碳硫醇(TDDM),分析纯,成都市科龙化工试剂厂;抗氧剂,1076,阿拉丁试剂(上海)有限公司;PC,PC-110,台湾奇美实业股份有限公司。

1.2 主要仪器设备

电热恒温鼓风干燥箱,DGG-9140B,上海森信实验仪器有限公司;双螺杆挤出机,SHJ,南京杰恩特机电有限公司;注塑机,TTI-60F2V,东华机械有限公司;万能试验机,GT-TCS-2000,熔体流动速率仪,GT-7100-MI,悬臂梁冲击试验机,GT-HV2000A-C6W,热 变形 维 卡测 试仪,GT-HV2000A-C5W,均为高铁检测仪器有限公司。

1.3 样品制备

在三口烧瓶中加入丁二烯胶乳,开启转子搅拌,往烧瓶中通入氮气,以排除空气。将焦磷酸钠(螯合剂)、无水葡萄糖(助还原剂)、硫酸亚铁(还原剂)、油酸钠(乳化剂)溶于一定质量去离子水中,加入三口烧瓶,搅拌10 min,开启加热,保持水浴温度65 ℃。然后将St,AN,MMA 的混合单体与引发剂过氧化氢异丙苯CHP、相对分子质量调节剂TDDM 混匀,采用连续滴加的方式加入烧瓶,滴加结束后继续反应1 h。反应完成后加入抗氧剂1076,搅拌30 min。乳液聚合完成后,使用浓度2%(质量分数)的硫酸镁溶液进行凝聚,脱水烘干,得到ABS粉料。乳液聚合时,MMA用量分别为混合单体质量的0,10%,20%,30%,40%,进行对比试验,其中,St/AN质量比为75/25。

将改性ABS和PC 按照20/80(质量比)混合均匀,使用双螺杆挤出机挤出造粒,得到PC/改性ABS复合材料,双螺杆挤出机各段温度分别为210,225,235,245,240 ℃(机头),主机转速为145 r/min。将粒料在60 ℃恒温干燥箱中干燥4 h,采用注塑机制得PC/改性ABS复合材料标准样条,注塑机各区温度分别为255,250,230 ℃,喷嘴温度260 ℃,注射压力7 MPa。

1.4 测试与表征

MFR 测试按照GB/T 3682.1—2018进行,温度为220 ℃,载荷为10 kg。

维卡软化温度测试按照GB/T 1633—2000进行,样品尺寸为10 mm×10 mm×4 mm,升温速率为50 ℃/h,载荷为50 N。

拉伸强度测试按照GB/T 1040.2—2022 进行,拉伸速率为50 mm/min。

弯曲强度测试按照GB/T 9341—2008 进行,弯曲速率为2 mm/min。

缺口冲击强度测试按照GB/T 1843—2008进行,摆锤能量为2.75 J。

2 结果与讨论

2.1 MFR分析

图1为MMA 用量对PC/改性ABS复合材料MFR 的影响。

图1 MMA用量对PC/改性ABS复合材料MFR的影响

由图1 可以看出:随着MMA 用量的增加,PC/改性ABS复合材料的MFR 先升高后降低,在MMA 质量分数为 40% 时达到最小,为9.5 g/10 min,仍满足材料加工要求。这是因为聚苯乙烯赋予了ABS优异的流动性,且在制备改性ABS时,St/AN 质量比保持不变,MMA 质量分数由0增至40%,相应地,St和AN 的总质量分数由100%降至60%,即St的含量相应降低,导致PC/改性ABS复合材料的MFR 下降。

2.2 维卡软化温度

图2为MMA 用量对PC/改性ABS复合材料维卡软化温度的影响。

图2 MMA用量对PC/改性ABS复合材料维卡软化温度的影响

由图2 可以看出:当MMA 质量分数不高于30%时,与PC/ABS复合材料相比,PC/改性ABS复合材料的维卡软化温度更高。当MMA 质量分数为5%时,PC/改性ABS复合材料的维卡软化温度达到126 ℃,说明MMA 的加入使PC/改性ABS复合材料具有优异的耐热性能,使其能在更高温度下使用。当MMA 质量分数为40%时,PC/改性ABS 复合材料的维卡软化温度大幅下降。这是因为MMA 用量过多导致在聚合过程中形成凝胶,不但影响了接枝效果,而且使样条内部出现混合不均匀的现象。

2.3 力学性能

图3和图4 分别为MMA 用量对PC/改性ABS复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响。

图3 MMA用量对PC/改性ABS复合材料拉伸强度的影响

图4 MMA用量对PC/改性ABS复合材料弯曲强度的影响

由图3和图4可以看出:随着MMA 用量的增加,PC/改性ABS复合材料的拉伸强度和弯曲强度均先升高后降低,且在MMA 质量分数为20%时均达到最大值,分别为48.9 MPa和63.2 MPa。这是由于经过MMA 改性的ABS与PC有更好的相容性,两者的界面黏合力增大,但MMA 用量过多会降低改性ABS 中AN 的含量,使PC/改性ABS复合材料的拉伸强度和弯曲强度均降低。

MMA 用量对PC/改性ABS复合材料缺口冲击强度的影响如图5所示。

图5 MMA用量对PC/改性ABS复合材料缺口冲击强度的影响

由图5可以看出:当MMA 的质量分数由0增至30%时,PC/改性ABS复合材料的缺口冲击强度由36.7 kJ/m2升至41.0 kJ/m2,当MMA 的质量分数进一步增至40%时,PC/改性ABS复合材料的缺口冲击强度迅速降至5.1 kJ/m2。这是因为MMA 的分子极性较高,极性和溶度参数与PC均比较接近,所以改性ABS核壳结构的外层接枝链使橡胶相与PC树脂的界面作用力增加,使PC/改性ABS复合材料的冲击强度升高;但MMA 用量过多会影响接枝聚合时胶乳的稳定性,使接枝效果变差,改性ABS 难以在体系中分散均匀,使PC/改性ABS复合材料冲击强度大幅降低。

3 结论

a) 随着MMA 用量的增加,PC/改性ABS复合材料的MFR 先升高后降低。

b) 当MMA 质量分数不高于30%时,与PC/ABS复合材料相比,PC/改性ABS 复合材料的维卡软化温度更高。

c) 随着MMA 用量的增加,PC/改性ABS复合材料的拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度均先升高后降低。当MMA 的质量分数为20%时,拉伸强度和弯曲强度均达到最大,分别为48.9 MPa和63.2 MPa;当MMA 的质量分数为30%时,缺口冲击强度为41.0 kJ/m2。当MMA的质量分数增至40%时,接枝效果变差,PC/改性ABS 复合材料的缺口冲击强度迅速降低,为5.1 kJ/m2。