陳振嘉,宋湘怡,吳水珠,曾 鈁,趙建青,蔡彤旻

(1華南理工大學材料科學與工程材料學院,廣東廣州,510640; 2廣州金發科技股份有限公司,廣東廣州,510520)

高光澤 PC/PMMA共混體系的動態熱力學分析

陳振嘉1,宋湘怡1,吳水珠1,曾 鈁1,趙建青1,蔡彤旻2

(1華南理工大學材料科學與工程材料學院,廣東廣州,510640; 2廣州金發科技股份有限公司,廣東廣州,510520)

通過熔融共混法制備了高光澤聚碳酸酯(PC)/聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)復合材料,分析了其動態力學性能,探討不同相容劑、不同 PMMA組份等因素對復合材料的儲存模量 (E′)、損耗模量(E″)、損耗因子 (tanδ)等動態力學參數的影響。結果表明使用乙烯-丙烯酸甲酯共聚物和苯乙烯馬來酸酐無規共聚物組成的復合相容劑能夠較好地改善高光 PC/PMMA的相容性。在 PMMA 20份含量以下,當溫度超過 120℃時合金依然有較高的儲存模量,材料的耐高溫性能比較好。研究結果可為進一步優化高光PC/PMMA產品配方提供依據。

PC/PMMA;相容劑;動態力學

聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)是脆性高聚物之一,在拉伸過程中呈現典型的脆性斷裂,聚碳酸酯(PC)為韌性材料[1-4],拉伸過程中呈現屈服和細頸,兩者具有一定的相容性[5-7],同時合金因具有透光率好、表面平整光潔、具有美麗的珍珠光澤和金屬亮光而被人青睞[8-9]。PC和 PMMA是由長鏈分子組成,分子運動具有明顯的松弛特性的緣故,導致高聚物的力學性質對溫度和時間的依賴性直接影響聚合物的力學行為,其主要表現為高聚物材料的粘彈性行為即同時具有粘性液體和純粹彈性固體的力學特性[10-13],因此對 PC/PMMA合金進行動態熱力學性能方面的表征顯得非常的必要。本實驗采用動態力學分析儀研究高光澤 PC/PMMA在不同相容劑和不同含量 PMMA下動態力學性能的差異。通過探討不同溫度下共混物儲存模量 (E′)、損耗模量 (E″)和損耗因子 (tanδ)的變化規律,明確聚合物結構和性能的關系,為進一步優化合金配方提供實驗依據。

1 實驗部分

1.1 原料與助劑

聚碳酸酯 (PC),1250Y,日本帝人公司; PMMA,CM-207,奇美實業股份有限公司;ABS-2,GP22,巴斯夫公司;苯乙烯馬來酸酐無規共聚物 (SMA),接枝率 (18±2)%,PC-18,柏晨高分子新材料有限公司;甲基丙烯酸縮水甘油酯、丙烯酸樹脂和乙烯的三元共聚物,Lotader 8900,阿科瑪甬興化工有限公司;乙烯-丙烯酸甲酯共聚物, Elvaloy 1125,美國杜邦公司;苯乙烯-丙烯腈共聚物 (SAN),ICE-80HF,寧波樂金 (LG)甬興化工有限公司;乙烯-丙烯酸共聚物 (EAA),5980 I,陶氏化學;磷酸酯 (RDP),PX200,翰塑貿易有限公司;抗氧劑,B 900,瑞士汽巴公司。

1.2 儀器與設備

雙螺桿擠出機,LTE26-40,Lab tech Engineering公司;注塑機,EC75N2,日本東芝公司;萬能材料試驗機,Zw ick/ro ll Z010,德國 Zw ick;懸臂梁沖擊試驗機,Zw ick/ro ll5113,德國 Zw ick;動態熱機械分析儀 ,DMA 242C,NETZSCH;鼓風烘箱,瑞士 Salvislab。

1.3 制備工藝

將 PC置于烘箱中,在 120℃下干燥 5h,PMMA在 80℃下干燥 5h,其他試劑在真空 45℃下干燥 7h;利用雙螺桿擠出機造粒;然后在 80℃下干燥 8 h以上,注塑成型。

1.4 動態熱機械分析 (DMA)測試

采用動態熱機械分析儀進行動態力學分析。使用三點彎曲模式,升溫速率為 5℃/m in;測試溫度范圍為 30到 175℃;頻率為 1Hz,5Hz,10Hz。

2 結果與討論

2.1 PC和PMMA的動態力學分析

圖 1所示為純 PC和 PMMA的儲能模量、損耗模量及損耗角正切隨溫度的變化。由圖 1可以看出,在升溫過程中,當溫度升到 PMMA的 Tg以上時,表征剛度的儲能模量隨溫度的升高急劇下降,在120℃以后其儲能模量接近為 0,而 PC仍能在更高溫度保持一定的模量,說明 PC的熱穩定性高于PMMA。由PC和PMMA的損耗模量圖可知,PC和PMMA的玻璃化溫度分別為 148.9℃和 96.7℃。圖中的損耗角正切圖反映了兩種聚合物在升溫過程中由于分子鏈之間的摩擦引起的內耗隨溫度的變化。從圖中可知,在升溫過程中,溫度對 PMMA分子間內耗相對大小的影響大于 PC。

圖1-A PMMA的動態力學性能Fig.1-A Dynamic Mechanical Properties Analysis of PMMA

圖1-B PC的動態力學性能Fig.1-B Dynamic Mechanical Properties Analysis of PC

2.2 相容劑對 PC/PMMA合金動態力學的影響

圖 2和圖 3是 PC/PMMA合金中,含不同種類相容劑時的儲存模量、損耗模量和溫度的關系圖。從圖 2中可看出 PC/PMMA合金中,添加了相容劑之后,材料儲存模量 E′相對于純 PC下降不多,這意味著材料的粘彈性中的彈性成分只下降一點,材料抵抗變形能力基本保持不變。同時材料出現轉折點的溫度比較高,相比如純 PMMA來說,材料的耐高溫性能提高很多。

如圖 3所示在添加相容劑后,玻璃化溫度相互靠攏,這表明 PC和 PMMA之間在相容劑作用下,存在一定的相容性;同時兩個峰的高度都降低了,這主要是因為在添加了相容劑之后,改善了 PC/ PMMA之間的界面相容性,在玻璃化溫度附近材料的粘度下降,鏈段運動阻力減弱,逐漸跟上外力的變化,損耗模量也相對減少。

圖2 相容劑含量對PC/PMMA體系E′的影響Fig.2 Influence of Compatilizerson E′of PC/PMMA B lends

圖3 相容劑含量對PC/PMMA體系E″的影響Fig.3 Influence of Compatilizerson E″of PC/PMMA B lends

添加不同相容劑 PC/PMMA合金的損耗角因子對溫度的DMA如圖 4所示。在研究聚合物材料的動態力學性能時,Tanδ峰是材料性能的重要表征,因為 Tanδ=E″/E′,所以 Tanδ值表示了損耗能量的相對大小。體系中峰值越大,表明鏈段松弛運動導致的大分子內摩擦越大,相對損耗能力越大。由圖 4可知,在 PC和 PMMA中引入相容劑之后, tanδ峰值都有所降低,這主要是因為一方面在高溫下 PMMA相的部分降解產生一定量的較低分子量PMMA,這部分 PMMA有助于合金的分子鏈段運動;另一方面,相容劑的加入改善了界面相容性,減少了運動過程中產生的內摩擦,因此導致相對損耗能力下降。在添加相容劑之后損耗因子波峰所對應溫度明顯發生偏移,介于 PC和 PMMA的溫度之間。從圖 4中還可以看出 PMMA所對應的損耗因子波峰非常的微弱,相容劑的加入,有效地改善了體系的相容性能,而其中 SAN/1125的效果最好。

圖4 相容劑含量對 PC/PMMA體系損耗因子的影響Fig.4 Influence of Compatilizerson tanδof PC/PMMA B lends

2.3 PMMA含量對 PC/PMMA合金動態力學的影響

圖 5是在固定相容劑 SAN/1125組分為 3%/ 3%下,不同含量 PMMA組份與 PC/PMMA復合材料儲存模量和溫度的關系圖。從圖 5中可以看出在低溫下各種組份的儲存模量都比較高,而且基本一致,表明合金材料在低溫下,剛性比較好,強度大。隨著溫度的升高,合金的儲存模量出現了不同程度的下降,PMMA 20份含量以下,超過 120攝氏度時依舊有較高的儲存模量,材料的耐高溫性能比較好,而當添加量達到 40%左右,儲存模量急劇下降,并且不存在明顯的轉折點。這主要是因為PMMA為剛性材料,低溫儲存模量很高,同時由于PMMA耐高溫性能差,因此在高溫條件下隨著含量的增加,體系的儲存模量減少。PMMA含量 20%以下,其耐高溫性能和 PC比較接近,這主要是因為此時合金體系的粘度和純 PC相比較,變化不大,因此轉折點也接近。

圖5 PMMA含量對PC/PMMA體系E′的影響Fig.5 Influence of PMMA on E′of PC/PMMA B lends

在固定相容劑 SAN/1125組分為 3%/3%下,不同含量 PMMA組份與 PC/PMMA復合材料的損耗模量和溫度的關系如圖 6所示。從損耗模量的曲線來看,復合體系 PMMA段顯示的損耗峰相對于純 PMMA來說變為一個峰寬很大的峰。分析其原因可能是因為 PMMA在復合體系加工過程中分解導致分子量降低,分子量的分布變寬。當溫度逐漸升高時,由于聚合物分子鏈之間的摩擦導致的力學損耗變化更早,而且由于 PMMA降解的不完全性,仍然存在的部分高分子量的 PMMA的力學損耗仍同未降解部分相同,即損耗峰出現的溫度較高,因此 PMMA的力學損耗峰是一個很寬的峰。

圖6 PMMA含量對PC/PMMA體系E″的影響Fig.6 Influence of PMMA on E″of PC/PMMA B lends

純 PC由于粘度大其損耗模量峰值比其他組份都大,成型加工困難。在添加 PMMA和相容劑之后,由于改善了分子間的纏結情況,混合物的粘性下降,所以損耗模量明顯降低。在添加 PMMA后都出現兩個損耗峰,且其值縮小超過一倍,這表明此時混合物粘度適中,較有效地改善了分子運動能力,分子內摩擦降低,損耗模量隨之降低。所有損耗模量都有一個上升和下降的過程,其變化趨勢基本一致。當溫度接近 Tg時,共混物仍處于玻璃態,體系內摩擦力大,損耗能量高;隨著溫度的升高由玻璃態轉化為高彈態,分子內摩擦降低,損耗模量隨之降低。

圖 7是在固定相容劑 SAN/1125組分為 3%/ 3%下,不同含量 PMMA組份與 PC/PMMA復合材料的損耗因子隨溫度變化的關系圖。從圖 7可知隨著 PMMA含量減少,PMMA段的波峰朝著高溫移動并且逐漸減弱,最后消失。

圖7 PMMA含量對PC/PMMA體系 tanδ的影響Fig.7 Influence of PMMA on tanδof PC/PMMA B lends

3 結論

(1)相容劑的加入,有效地改善了體系的相容性能,合金體系的轉變溫度基本上只有一個,而其中 SAN/1125的效果最好。

(2)由于 PMMA在加工過程中分解導致分子量降低,分子量的分布變寬,因此 PMMA的力學損耗峰是一個很寬的峰。

(3)在 PMMA添加量為 20份以下,當溫度超過 120攝氏度時合金依然有較高的儲存模量,材料的耐高溫性能比較好;而當添加量達到 40%,儲存模量急劇下降,并且不存在明顯的轉折點。同時由于 PMMA在高溫下分解,導致合金損耗峰的峰寬相比于純 PMMA變寬。

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Dynamic Mechanical Analysis of High Gloss PC/PMMA Composites

CHEN Zhen-jia1,SONG Xiang-yi1,WU Shui-zhu1,ZENG Fang1,ZHAO Jian-qing1,CAI Tong-min2
(1 College of Material Science and Engineering,South China University of Technology,Guangdong 510640, Guangdong,China;2 Guangzhou Jinfa Technology Co.Ltd.,Guangzhou 510520,Guangdong,China)

High gloss PC/PMMA composites were prepared by means of the melt blending method.The dynamic mechanical analysis(DMA)of PC/PMMA composites were studied,and the effects of compatibilizers and the different con tents of PMMA on the DMA parameters,such as dynamic storage modulus(E′),loss modulus(E″), loss factor(tanδ)were also investigated.The results showed that the acrylic resin and SMA as the compatibilizers was the best.W hen the content of PMMA is less than 20w t%,the alloys still have a high storage modulus under more than 120 degrees Centigrade,this means that the alloys have high temperature resistance.These results also can provide useful information for optimizing the high gloss PC/PMMA composites.

PC/PMMA;Compatibilizers;DMA

TQ 323.4+1

2010-06-23