邓爵安

(广州市聚赛龙工程塑料股份有限公司，广州 510900)

聚碳酸酯(PC)材料是近年来增长速度最快的通用工程塑料。PC 具有非常优异的物理力学性能和应用性能，其中包括：优异的冲击韧性、尺寸稳定性、电气绝缘性、耐蠕变性、耐候性、透明性和无毒性等优点，目前广泛应用于汽车制造、电子电气、建筑建材、办公设备、包装运输、运动器材等领域[1–2]。由于其优异的应用性能和广泛的市场应用前景，对PC的产业化开发一直都是国内外研究的重点。当前，PC 原材料的主要国外生产厂家包括科思创、沙伯基础创新、日本帝人等，国内近几年也有许多厂家生产了PC。主要的生产厂家为烟台万华、浙铁大风、鲁西化学、山东利华益等[3–4]。

然而，由于其固有的结构特点，在实际应用过程中也存在加工性能差、耐化学药品性差、具有较强的应力敏感性等缺陷，限制了其在某些特殊领域的应用。当今，随着电子电器设备尤其是便携式电子产品对塑料产品的轻薄化、高性能化的要求不断提高，对于应用于该场景的材料的韧性和流动性的平衡要求不断提高。按照常规的改性方案，在提高PC流动性的同时会带来PC 的韧性的损失，难以实现PC 流动性和韧性的平衡[5–6]。因此，通过对PC 的配方体系进行系统研究，提出一种实现物理力学性能和加工性能均衡的PC 材料，应用于超薄高韧性需求，一直以来都是PC 行业关注的热点[7–9]。笔者将不同的增韧剂体系对PC 材料进行改性，获得兼具高流动性和高韧性的改性PC 材料。

1 实验部分

1.1 主要原材料

PC：PC1000R，熔体流动速率(MFR)为10 g／10 min，沙伯基础创新塑料有限公司；

PC：PC1301–EP，MFR 为35 g／10 min，韩国LG 化学公司；

丙烯酸酯类增韧剂(增韧剂A)：EXL2330，美国罗门哈斯公司；

甲基丙烯酸甲酯–丁二烯–苯乙烯三元共聚物(MBS)类增韧剂(增韧剂B)：EM500，韩国LG 化学公司；

甲基丙烯酸甲酯–苯乙烯–有机硅共聚物增韧剂(增韧剂C)：S–2001，日本三菱公司；

聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)：PBT1100，台湾长春企业集团；

抗氧剂：1076，168，瑞士汽巴精华化学(中国)有限公司；

润滑剂：PETS，广州龙沙有限公司。

1.2 主要仪器及设备

高速混合机：SHR–10A 型，张家港亿利塑料机械有限公司；

同向双螺杆挤出机：STS 35 型，长径比36／1，科倍隆(南京)机械有限公司；

注塑机：UN90SK 型，广东伊之密精密机械有限公司；

MFR 仪：ZRZ1452 型，深圳市新三思材料检测有限公司；

冲击试验机：GT–7045–MDL 型，高铁检测仪器有限公司；

二维影像仪：AH3020PC 型，东莞市德鑫光学仪器有限公司；

低温试验箱：B 35–50 COLD BOX 型，上海书俊仪器设备有限公司。

1.3 试样制备

将PC 基材在110℃下鼓风干燥2 h，然后按表1、表2 的配方分别在高速混合机中混合。

表1 不同增韧剂改性PC 材料的配方 %

表2 聚碳酸酯材料的流动性改性配方 %

混合好的预混料经过同向双螺杆挤出机熔融共混挤出、水冷、切粒，所得粒料再在100℃下鼓风干燥4 h 后注射成标准试样。测试试样在23℃，50%的湿度条件下进行4 h 的状态调节后进行物理力学性能测试。

材料的挤出工艺条件：螺杆转速为450 r／min，螺杆造粒温度为240～270 ℃，机头温度为260℃。

材料的注塑工艺条件：一区至三区温度分别为255，260，270℃，喷嘴温度为260℃，保压时间为8 s，冷却时间为15 s，注塑压力为10 MPa。

1.4 测试与表征

拉伸性能按 GB／T 1042–2006 测试，拉伸速度为50 mm／min。

常温和低温悬臂梁缺口冲击强度分别按 GB／T 1843–2008 在23℃和–30℃下测试，低温悬臂梁缺口冲击强度测试样条在打好缺口之后，在低温箱中放置4 h 后，马上取出进行测试，冲击试验需要在10 s 内完成。

MFR 按 GB／T 3682–2000 测试，测试条件为300℃，1.2 kg。样条缺口断面形貌用二维影像仪进行测试，放大倍数为400 倍。

2 结果与讨论

2.1 PC 的增韧改性

分别对比了三种不同增韧剂及不同含量对PC材料常温和低温悬臂梁缺口冲击强度的影响，具体结果如图1 所示。从图1 可以看出，对于不同增韧剂体系，其配方中增韧剂有效含量均对PC 材料的缺口冲击强度有非常大的影响。没有加入增韧剂的PC 材料常温和低温的缺口冲击强度较低，这可能是由于PC 材料对冲击缺口敏感，经过挤出机加工之后材料的缺口冲击强度明显降低。随着配方中增韧剂含量的增加，PC 材料的缺口冲击强度不断增加，当增韧剂质量分数达到5%以上时，PC 材料的缺口冲击强度基本达到稳态。这可能是由于增韧剂的逾渗效应，树脂基材中的海岛结构的有效分布能够有效吸收冲击破坏能量，从而在缺口冲击强度上表现出显著提升。而采用增韧剂C 作为增韧剂体系能够更好地提高PC 材料的低温冲击性能。当增韧剂C 的质量分数达到5%以上时，PC 材料的低温缺口冲击强度能达到35 kJ／m2以上，是所有增韧剂中低温性能最好的一种。这可能是由于增韧剂C 为有机硅系增韧剂，该增韧剂本身具有更低的玻璃化转变温度和更好的柔顺性，增韧剂在PC 基材中形成的岛相结构能够吸收更多的冲击能量[10–11]。

图1 不同增韧剂含量对材料缺口冲击强度的影响

对低温缺口冲击强度测试后的测试试样断面形貌进行了放大对比，结果如图2 所示。从断面的形貌可以看出，PC 基材经过3 种不同增韧剂体系增韧后均出现了明显抛物线形裂纹和应力发白现象，均属于韧性断裂。其中以增韧剂C 作为增韧剂的材料断面应力发白现象更加明显，这与增韧PC材料的低温缺口冲击强度测试数据结果一致。更大面积的抛物线裂纹和应力发白断面的出现说明试样在冲击破坏过程中吸收了更多的外界能量，从而在数据上体现出了更高的低温悬臂梁缺口冲击强度。

MFR 试验结果表明，随着PC 材料中增韧剂含量的不断增加，PC 材料的流动性逐渐降低。为了保证PC 材料的均衡物理力学性能，以增韧剂质量分数为5%为基础，对不同增韧剂增韧PC 材料的流动性进行了对比，具体结果如图3 所示。从图3可以看出，在同样添加量的条件下有机硅系增韧剂对PC 材料的流动性影响最小。当增韧剂质量分数达到5%时，PC 材料的MFR 仍然能达到12.2 g／10 min。基于不同增韧剂对PC 材料物理力学性能和流动性的综合影响，笔者选择有机硅系增韧剂S2001 作为增韧剂体系，对PC 进行进一步的配方优化。

图2 不同增韧剂改性的PC 低温缺口冲击强度测试后的断面形貌

图3 不同增韧剂对PC 材料MFR 的影响

2.2 PC 的流动性改性

分别采用高流动性PC 基材和PBT 树脂对PC材料的流动性改性进行了系统的研究，具体结果如图4 和图5 所示。

图4 不同配方体系的流动性对比

图5 不同配方体系的缺口冲击强度对比

从图4、图5 可以看出，通过在PC 材料中加入高流动性的PC 树脂以及加入PBT 树脂与PC 材料制成PC／PBT 合金，均能提高PC 材料的MFR，从而提高材料的加工性能[12–14]。其中，加入高流动性PC (PC1301EP，MFR 为35 g／10 min)的方式使PC 材料的流动性提高有限，当高流动性PC 的质量分数达到20%时，PC／PBT 合金的整体MFR为17.2 g／10 min。随着高流动性PC 质量分数的增加，PC／PBT 合金的缺口冲击强度明显降低，这可能是由于高流动性PC 树脂的缺口敏感性较强导致的。结果表明，以低熔点的PBT 树脂作为合金材料，能够有效地提高PC 材料的流动性，且对PC 材料的物理力学性能影响较小。当PBT 树脂的质量分数为10%时，PC／PBT 合金的MFR 为19.2 g／10 min，缺口冲击强度依然能够保持53.6 kJ／m2。这可能是由于PC 和PBT 树脂均属于聚酯类材料，结构上具有一定的相似性，且相互之间的酯交换反应能够进一步提高两种材料之间的相容性[15–16]。该PC／PBT 合金材料经过配方体系优化实现了高流动性能、高韧性的特点，适合于制造智能手机、笔记本电脑等超薄、高韧性型外壳产品。

3 结语

以PC 树脂为基材，分别通过对PC 材料的增韧剂体系和流动性改进体系进行了系统的研究。通过以上研究可以得出以下结论：

(1)有机硅系增韧剂C 对PC 材料具有更好的增韧效果，当增韧剂质量分数达到5%时，PC 材料的缺口冲击性能达到最优。

(2) PC 与PBT 树脂制成PC／PBT 合金能够有效地提高PC 材料的加工性能并保持PC 材料的冲击性能。当PBT 质量分数达到10%时材料的加工性能和冲击性能达到最优值。