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不同增容劑增容PC／PBT／GF三元復(fù)合材料
聚碳酸酯(PC)／聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)合金保持了結(jié)晶材料PBT的耐化學(xué)藥品性好、易加工成型的特點(diǎn)又結(jié)合了非結(jié)晶材料PC缺口沖擊強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)勢，PC與PBT合金的共混本質(zhì)上就是取長補(bǔ)短，具有很高的商業(yè)潛力，在汽車，家電以及電子電工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對于耐熱性和力學(xué)性能要求較高的領(lǐng)域，簡單的PC／PBT合金很難滿足要求，玻璃纖維(GF)由于其高強(qiáng)度、高模量且成本低廉，被廣泛地應(yīng)用在復(fù)合材料領(lǐng)域，利用GF增強(qiáng)PC／PBT合金，不僅可以提高復(fù)合材料的耐熱性與力學(xué)性能，而且可以提升復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性且降低生產(chǎn)成本。目前對于PC／PBT合金的研究報(bào)道較多，但對PC／PBT／GF三元復(fù)合材料的報(bào)道較少，上海日之升科技有限公司采用GF增強(qiáng)PC／PBT合金，研究了各組分含量以及增容劑對復(fù)合材料性能的影響，為工業(yè)應(yīng)用提供參考。
1 試樣制備
首先將PC和PBT原料放置于100℃烘箱中干燥6 h；然后按照一定配方，在高速混合機(jī)中混合30 min。將上述混合均勻的材料在雙螺桿擠出機(jī)上熔融擠出，各擠出段的溫度分別設(shè)置為230，230，240，240，240，240，240，240，240，230℃，喂料電機(jī)頻率12 Hz，螺桿轉(zhuǎn)速為400 r／min，擠出后的粒子經(jīng)過水冷，切粒，然后將粒子在100℃烘箱中干燥6 h后用注塑機(jī)注塑成樣條，注塑溫度為230～240℃。
2 不同比例下PC／PBT合金的性能
為了研究PC與PBT比例對合金力學(xué)性能的影響，按照表1的配方，制作出5種試樣，研究不同PC含量下的PC／PBT合金的拉伸與缺口沖擊強(qiáng)度。
2.1 PC／PBT合金的力學(xué)性能
圖1為不同PC含量的PC／PBT合金的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度。由圖1可知，隨著PC含量的增加，合金的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，當(dāng)PC含量為70份時(shí)，拉伸強(qiáng)度為71.6 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為10.21 kJ／m2，兩種力學(xué)性能都達(dá)到了最優(yōu)值。
在PC含量低時(shí)合金主要表現(xiàn)了PBT的性能，因此合金的力學(xué)性能相對較差，隨著PC含量的增加，合金中PC逐漸由分散相向連續(xù)相轉(zhuǎn)變，合金開始表現(xiàn)出PC的性能，由于PC的沖擊以及拉伸性能較高，所以力學(xué)性能開始增加，當(dāng)PC含量超過70份時(shí)性能開始下降，是由于PC與PBT結(jié)構(gòu)上都含有酯基，理論上有一定的相容性但是畢竟有限，而且在共混加工的過程中，大量的反應(yīng)性酯基很容易導(dǎo)致酯交換反應(yīng)，使得材料從簡單的物理共混變成嵌段共聚物，所產(chǎn)生的共聚物也會(huì)抑制兩者的相容，因此PC與PBT只是部分相容且存在相容性最優(yōu)比例，當(dāng)PC含量超過70份時(shí)相容性下降，因此PC／PBT合金的力學(xué)性能降低。
2.2 ?PC／PBT合金的DSC分析
圖2為不同比例下PC／PBT合金的DSC升溫的曲線。圖2反映了合金的熔融行為，從圖2可以看出，純PBT的熔融峰為231℃，當(dāng)PC與PBT熔融之后，合金材料的熔融峰值開始向低溫偏移，當(dāng)PC含量從10份增加到70份時(shí)，熔融峰值幾乎不變，基本都保持在208℃左右，并且PC含量為70份時(shí)，合金出現(xiàn)了不太明顯的冷結(jié)晶峰，PC含量超過70份時(shí)，合金的升溫曲線中不再出現(xiàn)明顯的熔融峰。
圖3示出了不同比例下PC／PBT合金的DSC降溫曲線，純PBT的結(jié)晶峰為176℃，當(dāng)PC與PBT比例為1／9，3／7，5／5時(shí)結(jié)晶峰值分別為174℃，168℃和160℃。從圖3可以看出，隨著PC含量增加，合金的結(jié)晶峰逐漸降低，當(dāng)PC含量達(dá)到90份，圖像中無法看出明顯的結(jié)晶峰。
3 PC／PBT／GF三元復(fù)合材料的性能
通過上述分析，可以知道PC∶PBT=7∶3時(shí)，PC／PBT合金材料既可以保持一定結(jié)晶性聚合物的特征，力學(xué)性能又較為優(yōu)異，因此選擇在該比例下研究GF含量的變化對PC／PBT／GF三元復(fù)合材料性能的影響，為了體現(xiàn)配方的合理性，更加結(jié)合實(shí)際地反應(yīng)GF含量對PC／PBT／GF材料的影響，因此在配方中加入2份的硅烷偶聯(lián)劑作為增容劑，其配方見表2。
3.1 GF含量對PC／PBT／GF三元復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
圖4為不同GF含量的PC／PBT／GF復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能。從圖4可以看出，沒有添加GF時(shí)PC／PBT合金的彎曲強(qiáng)度為2500 MPa，隨著GF含量的增加，PC／PBT／GF復(fù)合材料的彎曲彈性模量增加，當(dāng)GF含量達(dá)到50份時(shí)彎曲彈性模量達(dá)到8.5 GPa。隨著GF含量的增加，PC／PBT／GF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增加后減少最后趨于穩(wěn)定，在GF含量為20份時(shí)，拉伸強(qiáng)度最高為82 MPa。
圖5為不同GF含量的PC／PBT／GF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度。從圖5可以看出，隨著GF含量的增加，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度先減小后增大，在沒有加入GF時(shí)，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度為10.21 kJ／m2，當(dāng)加入10份的GF后，PC／PBT／GF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度迅速下降到3 kJ／m2，之后隨著GF含量的增加缺口沖擊強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)GF含量為50份時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到11 kJ／m2。
3.2 不同GF含量下PC／PBT／GF三元復(fù)合材料的DSC降溫曲線
當(dāng)PC∶PBT=7∶3時(shí)，圖6為不同GF含量的PC／PBT／GF復(fù)合材料的DSC降溫曲線。從圖6可以看出，隨著GF含量的增加PC／PBT／GF復(fù)合材料的DSC曲線的結(jié)晶峰從不明顯逐漸出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)晶峰，當(dāng)GF含量為40份時(shí)在123℃和161℃出現(xiàn)了雙結(jié)晶峰。由于PC抑制了材料的結(jié)晶性能，使得DSC降溫曲線的結(jié)晶峰不明顯，隨著GF含量的增加結(jié)晶峰逐漸明顯，說明材料的結(jié)晶性能有所提高，結(jié)晶速度加快。這是因?yàn)镚F在樹脂結(jié)晶的過程中可以充當(dāng)成核劑的作用，促進(jìn)異相成核且誘導(dǎo)復(fù)合材料的結(jié)晶，提高了結(jié)晶速度。但是PC對結(jié)晶的抑制作用依然存在，因此在GF含量為40份時(shí)，由于復(fù)合材料的結(jié)晶性能依然受到了部分抑制，所以出現(xiàn)了雙結(jié)晶峰。
4 增容劑對PC／PBT／GF三元復(fù)合材料性能的影響
PC／PBT／GF三元復(fù)合材料中，由于PC屬于非結(jié)晶聚合物，PBT屬于結(jié)晶性聚合物，GF屬于無機(jī)非金屬材料，材料的界面粘結(jié)不良，因此需要加入增容劑提高復(fù)合材料的結(jié)合力。上海日之升科技有限公司采用了兩種雙官能團(tuán)化的乙烯類彈性體(AX8900和PTW)，硅烷偶聯(lián)劑(KH–550)作為增容劑，研究了它們的含量對PC∶PBT=7∶3且GF含量為30份時(shí)的PC／PBT／GF三元復(fù)合材料性能的影響，配方見表3。
4.1 增容劑對PC／PBT／GF三元復(fù)合材料彎曲性能的影響
圖7為不同增容劑含量的PC／PBT／GF復(fù)合材料的彎曲彈性模量。從圖7可以看出，隨著3種增容劑含量的增加，彎曲彈性模量先增大后減少，且在含量為1份時(shí)，PTW和AX8900增容的復(fù)合材料的彎曲彈性模量都達(dá)到最大值，分別是未添加增容劑的1.1倍與1.13倍，當(dāng)KH–550含量為2份時(shí)PC／PBT／GF復(fù)合材料的彎曲彈性模量最高，是未添加增容劑的1.09倍，當(dāng)AX8900和PTW含量為3份時(shí)，PC／PBT／GF復(fù)合材料的彎曲彈性模量都出現(xiàn)明顯下降，比未添加增容劑的PC／PBT／GF復(fù)合材料更低。相比而言，AX8900可以在更低的含量下使PC／PBT／GF復(fù)合材料的彎曲彈性模量更好。
4.2 增容劑對PC／PBT／GF三元復(fù)合材料沖擊性能的影響?
圖8為不同增容劑含量的PC／PBT／GF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度。從圖8可以看出，三種增容劑都可以使得PC／PBT／GF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度有所上升，其中PTW和AX8900的增韌效果明顯，PC／PBT／GF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度與它們的強(qiáng)度呈現(xiàn)出正相關(guān)，在PTW和AX8900含量為1份時(shí)，PC／PBT／GF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度，分別是未添加增容劑的1.79倍和2.11倍，在PTW和AX8900含量為3份時(shí)，分別是未添加增容劑的2.86倍和2.92倍。加入KH–550后，PC／PBT／GF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度略有增加，當(dāng)含量超過2份后逐漸趨于穩(wěn)定，其含量為2份時(shí)的缺口沖擊強(qiáng)度是未加增容劑的1.14倍左右。
5 結(jié)論
(1) PC對PBT的結(jié)晶存在抑制效果，含量越高阻礙越大，PC∶PBT=7∶3時(shí)PC／PBT合金綜合力學(xué)性能最優(yōu)，拉伸強(qiáng)度為71.6 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為10.21 kJ／m2。
(2) PC／PBT／GF三元復(fù)合材料中，隨著GF含量的增加，彎曲彈性模量增加，拉伸強(qiáng)度先增加后下降再趨于穩(wěn)定，缺口沖擊強(qiáng)度先下降后上升。GF可以起到異相成核的效果，提高三元復(fù)合材料的結(jié)晶速度且含量越高效果越明顯。
(3)三種增容劑中，KH–550含量為2份時(shí)效果最佳，PTW和AX8900在含量為1份時(shí)效果最佳，在含量低于1份時(shí)主要起到增容的效果，當(dāng)超過1份時(shí)增韌效果明顯，會(huì)導(dǎo)致PC／PBT／GF三元復(fù)合材料的剛性下降，綜合比較加入增容劑AX8900的PC／PBT／GF三元復(fù)合材料的增韌效果最好。
該內(nèi)容摘自:梁偉成，阮靜，張浩.組分對PC／PBT／GF三元復(fù)合材料的影響[J].工程塑料應(yīng)用，2020，48(2)：108–113.
