ACR改性PC/PLA共混合金及性能研究

王濤，沈欽珍，鄭燕，林潤雄

(青島科技大學高性能聚合物研究院，山東 青島 266042)

聚碳酸酯（PC），是一種主鏈上帶有碳酸酯鍵的無定型聚合物，是五大工程塑料之一，具有韌性好、沖擊強度高、使用的溫度范圍廣、成型收縮率低、透明度高、無毒無味等優點，無論是在日常生活中還是在某些有特殊需求的領域都有涉及。但是聚碳酸酯的熔體黏度高，導致其加工流動性較差，不僅給擠出過程帶來困難，還容易造成擠出機的堵塞。由聚碳酸酯制得的產品缺口敏感，容易應力開裂，影響最終產品的使用。并且聚碳酸酯不可降解，廢棄之后對生態環境的負擔較大[1～2]。

聚乳酸（PLA），也稱聚丙交酯，屬線性脂肪族熱塑性聚酯，因其本身具有優良的生物相容性和可完全生物降解的特性，得到越來越多的重視。作為一種環境友好型材料，PLA來源于玉米等農作物，可完全降解，降解產物是CO2和H2O，對環境完全無害，另一方面聚乳酸與生物體的組織器官相容性良好，所以在很多領域尤其是醫學上得到廣泛應用。并且生產聚乳酸所需的能耗低，不同于其他的熱塑性樹脂，聚乳酸在180℃的條件下就能從擠出機的機頭擠出。但其性脆、斷裂伸長率低、耐熱性差、生產成本高等缺點限制了PLA的發展前景[3～4]。

把耐熱性、韌性均優異的聚碳酸酯和具有生物可降解性的聚乳酸進行共混，不僅賦予了聚碳酸酯生物降解性，而且也拓寬了聚乳酸的應用范圍。但是聚碳酸酯和聚乳酸的相容性不好，需要進行改善。通常采用的方法是在共混擠出時添加增韌劑，具有代表性的增韌劑是丙烯酸類樹脂（ACR），ACR的加入在提高了PC/PLA合金的相容性的同時，也使合金的力學性能和加工性能得到提高。

1 實驗部分

1.1 原材料

PC，臺灣奇美實業股份有限公司；PLA，博立生物材料有限公司；ACR-61，瑞豐高分子材料有限公司；ACR-401，瑞豐高分子材料有限公司；ABS-181，奇美實業。

1.2 實驗設備

雙螺桿擠出機（SHJ-30），南京杰思特機電公司；注塑機（F2V-130），東華機械公司；洛氏硬度計（XHR-150），上海材料試驗機廠；拉伸強度測試儀（GT-TCS-2000），高鐵科技股份有限公司；彎曲強度測試儀（GT-TCS-2000），高鐵科技股份有限公司；沖擊強度測試儀（GT-7045-HDH），高鐵科技股份有限公司；熔融指數儀（GT-7100-MⅠ），高鐵檢測儀器有限公司；負載熱變形溫度測定儀（GTHV2000A-C6W），高鐵科技股份有限公司。

1.3 樣品制備

首先將需要用到的原料PC 、PLA、ACR-61、ACR-401、ABS-181分別在烘箱中80℃干燥12 h，然后按照事先擬好的配方進行配料：分別稱取PC900 g，PLA100 g各7份混合裝入密封袋中備用，留出1份不添加相容劑的PC/PLA樣品，再依次稱取20 g、40 g、60 g、80 g的ACR-61，60 g的ACR-401，60 g的ABS-181分別裝入6份待用的PC/PLA樣品中搖晃均勻，編號。混合均勻后經過雙螺桿擠出機（擠出溫度從200℃～225℃每5℃遞增）進行熔融共混改性、造粒，并將得到的物料顆粒干燥后注塑成標準樣條。（注塑溫度從210℃上升到230℃，注塑最大壓力設定為75 MPa，注塑最大速度設置為80%）

1.4 性能測試

拉伸強度測試：采用啞鈴型標準試樣，試驗溫度為室溫，每組5條，拉伸速率20 mm/min，單位MPa。試驗標準：GB/T 1040.2—2006。

彎曲性能測試：試驗溫度為室溫，每組5條，單位MPa。試驗標準：GB/T 9341—2008。

缺口沖擊性能的測試：試驗溫度為室溫，每組5條，缺口深度2 mm，單位kJ/m2。樣條規格：80 mm×8 mm×4 mm。試驗標準：GB/T1843—2008。

洛氏硬度：XHR-150型塑料洛氏硬度計，每組5個。試驗標準：GB/T230.2—2012。

溶體流動速率測試：測試溫度220℃，負荷10 kg，按時間稱取流出的質量，單位g/10 min。試驗標準 ：GB/T3682—2000。

維卡軟化溫度測試：高速鐵檢驗公司生產的GT HV2000A-C5W型維卡變形測試儀。樣品規格：10 mm×10 mm×4 mm，每個樣品不少于3份。試驗標準：GB/T 1633—2000。

2 數據結果及討論

2.1 ACR-61用量對PC/PLA合金拉伸性能的影響

從圖1可以看出，隨ACR-61用量的增加，PC/PLA合金的斷裂伸長率增加明顯，拉伸強度有小幅下降，表明ACR-61能顯著提高PC/PLA合金的延展性能的同時又不太影響合金的強度，這是ACR-61對PC/PLA合金增韌的直接表現。但是，隨著ACR-61含量的進一步提高，合金的斷裂伸長率又逐漸降低，所以ACR-61的用量不宜過高，在4%左右為宜。

2.2 ACR-61用量對PC/PLA合金彎曲性能的影響

圖1 ACR-61用量對拉伸性能的影響

彎曲強度的大小反映了材料抵抗彎曲應力而發生變形的能力，主要和分子鏈的柔順性有關。從圖2可以發現，隨著ACR含量的增加，PC/PLA合金的彎曲強度和彎曲模量曲線呈現出逐漸降低的趨勢，不過降低的幅度并不大，并不影響其實際使用。合金彎曲強度和彎曲模量降低的主要是ACR的增韌效果造成的，與拉伸強度降低的原因一樣。

圖2 ACR-61用量對彎曲性能的影響

2.3 ACR-61用量對PC/PLA合金缺口沖擊強度的影響

從圖3可以看出：ACR-61的加入能夠在一定范圍內明顯提高PC/PLA合金的缺口沖擊強度，當ACR-61的加入量在 4%的時候，沖擊強度提高的程度最大；當加入量大于4%時則缺口沖擊強度下降。ACR-61用量對合金沖擊強度的影響和對合金斷裂伸長率的影響非常一致，主要原因是：ACR-61的增韌機理跟其結構有關，起到增韌效果的是其核層，即聚丙烯酸丁酯橡膠層，增韌的機理和橡膠增韌塑料的機理一樣，為多重銀紋化-剪切帶理論。裂紋產生時，由于ACR-61的存在能吸收大部分沖擊產生的能量，并形成銀紋和剪切帶阻止裂紋進一步擴展而導致材料的斷裂，所以ACR-61的加入能夠明顯提高合金的沖擊強度和斷裂伸長率。但是，ACR-61的用量過多，會出現團聚現象，以小球的形式分散在PC中，使合金呈現兩相結構，在力學性能上就表現為沖擊強度和斷裂伸長率的下降。

圖3 ACR-61用量對沖擊強度的影響

2.4 ACR-61用量對PC/PLA合金硬度的影響

從圖4可以看出，由于ACR-61的增韌作用，隨著其含量的增加，PC/PLA合金的洛氏硬度值略有降低，但是降低的非常少，這種硬度上的微小變化并不會對合金性能造成影響。

圖4 ACR-61用量對硬度的影響

2.5 ACR-61用量對PC/PLA合金溶體流動速率的影響

熔體流動速率，原稱熔融指數，其定義為：在規定條件下，一定時間內擠出的熱塑性物料的量，也即熔體每10 min通過標準口模毛細管的質量，用MFR表示，單位為g/10 min。其測試方法是先讓PC/PLA合金粒料在一定時間（10 min）內、一定溫度及壓力（各種材料標準不同）下，融化成塑料流體，然后通過一直徑為2.095 mm圓管所流出的克（g）數。其值越大，表示該塑膠材料的加工流動性越佳，反之則越差。

圖5 ACR-61用量對溶體流動速率的影響

由于PC的熔融溫度高，加工過程中容易出現流動性差擠出困難的現象，讓PC與PLA共混來改善PC的加工性能，但兩者間的相容性不好，所以需要加入相容劑來提高相容性。從圖5可以看出隨著ACR-61用量的增加，PC/PLA合金體系的熔融指數增大明顯，當ACR-61的含量達到6%時，熔融指數也達到最大。這就說明，ACR-61對PC/PLA合金體系起到增韌作用，它能提高兩者間的相容性，使得PLA改善PC加工流動的效果更加明顯。本次實驗中PC/PLA的比例為90/10，PLA所占的比例小，所以熔融指數上升不多，繼續增加PLA的比例能使PC的加工流動性得到更大的改善，但同時會造成力學性能方面的損失。

2.6 ACR-61用量對PC/PLA合金維卡軟化溫度的影響

維卡軟化溫度是指將熱塑性塑料放于液體傳熱介質中，在一定的負荷和一定的等速升溫條件下，試樣被1 mm2的壓針頭壓入1 mm時的溫度。維卡軟化溫度越高，表明材料受熱時的尺寸穩定性越好，熱變形越小，即耐熱變形能力越好，剛性越大，模量越高。PLA 的熱變形溫度很低，大約只有 55℃左右；PC 的耐熱性很好，熱變形溫度在 140℃左右。通過兩者共混后，復合材料的耐熱性得到改善，這使得 PLA 的應用范圍增加。隨著ACR-61的加入，PC/PLA合金的維卡軟化溫度變化并不大，這說明ACR-61在改善PC/PLA合金的加工流動性的同時，并沒有降低材料的耐熱性能。

圖6 ACR-61用量對維卡軟化溫度的影響

2.7 ACR-61、ACR-401、ABS-181 對PC/PLA合金的增韌效果比較

從表1中的數據可以看出ACR-61和ACR-401對PC/PLA合金具有相近的增韌效果，添加了ACR-61的樣品，其拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量和硬度稍低于添加了ACR-401的樣品，但其斷裂伸長率和缺口沖擊強度稍高。從樣條的外觀上看，添加了ACR-401的樣品顏色潔白，而添加了ACR-61的樣品輕微的泛黃。ABS-181對PC/PLA合金的增韌效果比較差，各項力學性能都不如ACR-61和ACR-401。

3 結論

（1）ACR-61能夠顯著提升PC/PLA（90:10）合金的斷裂伸長率和沖擊強度，表明了PC和PLA的相容性得到改善，PC/PLA合金的韌性提高，并且在ACR-61加入量為合金質量的4%時達到最優。

表1 三種增韌劑的效果比較

（2）ACR-61能夠顯著提升PC/PLA合金的加工流動性，并且在ACR-61加入量為合金質量的6%時達到最優。

（3）ACR-61和ACR-401對PC/PLA合金都能起到良好的增韌效果，而ABS-181的增韌效果比較差。