金屬色復合型聚甲醛的制備研究

（天津渤化永利化工股份有限公司研究所，天津300452）

近幾年，國內聚甲醛(POM)行業發展十分迅速。產能也隨之逐漸增大，為了能使聚甲醛進入更高端的市場，國內POM企業紛紛開始從事研發其改性產品。汽車行業是改性POM最大的應用市場，由于POM具備良好的強度、耐磨性、自潤滑性，因此，可替代一些金屬零部件在汽車上廣泛使用[1,2]，同時，更有利于汽車行業向環保、輕量化的方向發展，然而，隨著更多的客戶對汽車外觀的要求越來越高，缺少金屬光澤的塑料顯然不能滿足人們對產品外觀的需求，因此，金屬色POM是近幾年興起的一種改性產品[3,4]，由于金屬色POM材料本身具有金屬顏色，可以一次成型免去零部件的涂裝工序，同時減少環境污染帶來的負擔而深受眾多客戶的喜歡，這種新型改性產品在未來制作汽車內把手、換擋器、家電把手、游戲機手柄等方面有取代ABS的趨勢[5,6]。

本文以POM(90)為載體，納米碳酸鈣與聚氨酯復合體作為增強增韌填充物，珠光粉為染色劑，通過選用適當相容劑，利用雙螺桿擠出機制備了金屬色復合型POM，當配方為10%CaCO3+50%TPU+10%珠光粉、10%CaCO3+50%TPU+12%珠光粉時，其缺口沖擊強度仍能達到180 J/M以上，并且其拉伸、彎曲等力學性能改變不大，滿足當今市場上金屬色復合型POM的性能要求。

1 實驗部分

1.1 實驗原料、儀器與設備

原料：POM，永利鋼M90，永利化工；熱塑性聚氯脂彈性體橡膠（TPU），250，德國拜耳；珠光粉，600目，深圳麗科；碳酸鈣，納米級，常州樂環。

儀器與設備：雙螺桿擠出機，SHJ-20B，南京杰恩特機電有限公司；塑料注塑成型機，VC200/80，上海恩格爾機械有限公司；高速混料機，SHR-10A，張家港神馬塑料機械廠；萬能材料試驗機，Zwick/Roell Z020，德國Zwick公司；懸臂梁沖擊試驗機，HIT系列，德國Zwick公司；熔融指數測定儀，Zwick4106，德國Zwick公司。

1.2 試驗的基本過程

1.2.1 改性POM的制備

首先對碳酸鈣進行表面處理，然后通過相容劑將其與POM、聚氨酯、珠光粉三種物料經過高速混料機進行共混20 min，溫度范圍控制在35℃～40℃，取出混合料后，將其混合物放入失重喂料器中，其雙螺桿擠出機各段溫度控制在170℃～180℃之間，螺桿轉速根據擠出速度確定在150r/min，制備出的粒料裝入托盤中并放入鼓風干燥箱內，溫度控制在70℃～80℃之間，干燥1.5～2h，取出后通過篩選去除粉末及不規則粒子，涼置常溫后裝入自封袋保存備用。

1.2.2 改性POM的配方配比

珠光粉的加入可實現產品顏色具備金屬光澤，降低其他添加劑的加入量，實現成本的節省，在本文中，根據珠光粉加入量的不同，確定了五種不同添加比例的配方。如表1所示：制備后的粒子通過注塑機制備出樣條，并通過萬能材料試驗機等設備進行性能測試，確定最優的產品配方。

表1 試樣序號對應的配方比例

1.2.3 改性POM的注塑

將改性后的粒料放入注塑機料倉中，注塑機各段溫度根據不同需求進行選擇（180℃～210℃），注塑壓力為80 MPa，分別制備拉伸、彎曲、缺口沖擊樣條通過萬能材料試驗機、硬度儀、懸臂梁沖擊等設備進行性能測試。

1.3 實驗測定方法

性能測試：彎曲性能按照ASTM D790方法測試，沖擊性能測試按照ASTM D256方法測試；拉伸性能按照ASTM D638方法測試，拉伸速度為50 mm/min。

2 實驗結果與討論

一般來講，珠光粉的加入可以使POM的外觀色彩更加多樣化，并可以降低生產成本，但如果加入量控制不當，不僅會使產品的力學性能受到極大的影響，同時也會對后期的注塑加工帶來困難。因此，合理配比的選擇是改性產品配方制備的關鍵因素。

2.1 不同珠光粉含量對復合型POM拉伸性能的影響

由圖1可見，配方1、2的拉伸強度均能夠達到39MPa以上，配方3、4、5拉伸強度下降嚴重。

2.2 不同珠光粉含量對復合型POM延伸率性能的影響

由圖2所示：配方1～5的延伸率變化情況，其中，配方3的延伸率性能最佳，能夠達到64%，其他配方的延伸率也在56%以上，均能滿足其產品延伸率的要求。

圖1 不同珠光粉含量下對復合型POM拉伸強度的影響

圖2 不同珠光粉含量下對復合型POM延伸率的影響

2.3 不同珠光粉含量對復合型POM彎曲性能的影響

圖3 不同珠光粉含量對復合型POM彎曲強度的影響

圖4 不同珠光粉含量對復合型POM彎曲模量的影響

由圖3、4中可見，配方1～3的彎曲強度能夠達到59MPa以上，彎曲模量在1500以上，符合增強增韌產品中彎曲性能的要求。

2.4 不同珠光粉含量對復合型POM沖擊性能的影響

從圖5中可以看出，配方1、2的缺口沖擊強度在175J/m以上，根據珠光粉加入越多，產品成本越低方面的考慮，配方2更經濟。

圖5 不同珠光粉含量對復合型POM沖擊強度的影響

3 金屬色復合型POM注塑參數的選擇

由于POM改性后，其添加劑的加入影響了產品內部成分的變化，珠光粉、碳酸鈣的加入必將導致其熔融指數MI的降低，因此，在對其進行樣條制備時，要充分考慮注塑行程、注塑溫度等因素的改變。

3.1 金屬色復合型POM注塑溫度的選擇

POM（M90）指的是 MI在 8～10g/min之間的產品，加工溫度在175℃～180℃之間，本文經過多次試驗，確定了其改性產品的注塑溫度，僅供讀者參考（見表 2）。

表2 金屬色POM的MI值和對應的注塑溫度

3.2 金屬色復合型POM注塑行程的選擇

通常來講，塑料產品的性能測試都是按照美國材料與試驗協會或者國際化標準組織規定進行檢測的，改性POM由于分子內部結構的變化，其注塑行程與通用POM相比會有明顯的變化，本試驗通過多次測試，確定了金屬色復合型POM的注塑行程，如表3所示。

表3 金屬色POM的注塑行程指標要求

3.3 金屬色復合型POM注塑時注意事項

金屬色POM在注塑成品時其樹脂合流處的熔接線很明顯，制品設計和模具設計時需要充分考慮澆口位置和壁厚平衡，當然，在壁厚不均勻或者壁厚發生極端變化時的地方也可能發生留痕的問題，最后，在注塑完成時，及時用模具清潔劑進行清潔處理。

4 結論

本文研究了不同珠光粉添加量的條件下對POM力學性能的變化情況，將配方1～5中的產品進行了性能檢測，根據對比，選出性能最佳的改性配方，結論如下：

（1）當配方為10%CaCO3+50%TPU+10%珠光粉、10%CaCO3+50%TPU+12%珠光粉時，其金屬色POM的力學性能最佳。

（2）本文中制備的金屬色復合型POM其力學性能未受到添加珠光粉的影響，其性能與未加入珠光粉復合型POM性能基本保持不變，同時，能夠滿足當今市場通用金屬色復合型POM的性能要求。表5為金屬色復合型POM、復合型POM及市場通用金屬色復合型POM之間的性能對比。

（3）金屬色復合型POM在進行注塑時，由于其產品含有珠光粉，會影響注塑參數的選擇，本文根據不同配方進行了多組注塑測試，通過優選對比，確定了相關注塑行程參數，對今后進一步的研發工作提供了相關參考依據。

表5

（4）在進行POM著色時，只需將珠光粉直接加入捏合機混合均勻即可。POM與碳酸鈣和聚氨酯在高速捏合機攪拌混合時間為30min，需要注意的是，在距離混合結束5min前加入珠光粉，這樣可以避免由于珠光粉在高轉速的剪切作用下，其自身結構發生破壞所造成的影響。

（5）在對金屬色POM進行樣條制備時，要適當提高背壓，進而提高鏍桿的混煉效果，使珠光粉分散均勻。在注塑溫度的范圍選擇時，要盡可能將溫度控制在180℃～200℃之間，溫度過高，產品內部結構將會裂解破壞，溫度過低，產品熔融后物料注塑行程過慢，導致無法保壓成型。此外，模具的溫度也要嚴格控制，要充分考慮其循環冷卻水的流量使模具溫度保持在50℃～60℃左右，以免影響樣條的成型。