聚碳酸酯/苯乙烯熱塑性彈性體共混物的制備與表征

唐若谷

(1.青島長峰塑料有限公司 山東青島 266042；2.馬薩諸塞大學洛厄爾分校化學系 美國 01854)

聚碳酸酯（PC）是一種應用極其廣泛的工程塑料，具有較好的機械強度，但也存在需要較高加工溫度的缺陷[1-3]，故在工業上常與丙烯腈-苯乙烯-丁二烯樹脂（ABS）共混形成PC/ABS共混物[4-7]。目前有關PC/ABS以及衍生物已有較為廣泛的應用和研究，但是有關基于ABS樹脂的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯熱塑性彈性體（SBS）和聚碳酸酯的二元和多元共混物的報道相對較少。與ABS樹脂相比，SBS熱塑性彈性體去除了丙烯腈成分，提高了苯乙烯成分，故拉伸強度、韌性、耐化學性和相容性較好，有較大的研究和應用潛力。

本研究著重于聚碳酸酯和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯共混物的制備與表征，通過擠出成型和注射成型制備了一系列PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物，并測試了其力學和熱力學性能，研究了共混物的成分和組成比例對共混物力學和熱力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

原材料：聚碳酸酯，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚甲基丙烯酸甲酯。

設備：鼓風型恒溫恒濕干燥箱、雙螺桿擠出機、雙螺桿注塑機、智能電子拉力試驗機、（擺錘型）簡支梁沖擊試驗機、邵氏D型硬度計、掃描電鏡。

1.2 共混物的配方設計

PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物的配方設計如表1所示。

1.3 共混物的制備

本實驗中采用擠出成型對共混物進行造粒，并通過注射成型制備標準樣品。具體加工步驟如下。

（1）干燥：所有原料均置于恒溫恒濕干燥箱內，95℃下烘干4h。

（2）造粒：采用雙螺桿擠出機造粒，擠出機的機頭溫度250℃，熔體溫度230℃，一區溫度235℃，二區溫度238℃，三區溫度245℃，四區溫度250℃。

（3）注塑：采用雙螺桿注射機成型，注射機的機頭溫度為260℃～270℃，一區溫度為240℃～250℃，二區溫度為245℃～255℃，三區溫度為248℃～260℃，四區溫度為250℃～265℃，模具溫度95℃，注射壓力10.5MPa，保壓壓力11.5MPa，持續保壓15s。

1.4 共混物的性能表征

拉伸強度測試：按照GB/T 1040.1-2006標準進行測試，采用1A型試樣，保持拉伸速率為60mm/min；

邵氏D硬度測試：按照GB/T 2411-2008標準進行測試，測試15s后讀數；

彎曲強度測試：按照GB/T 9341-2008標準進行測試，保持彎曲速率2mm/min；

簡支梁缺口沖擊強度測試：按照GB/T 1043.1-2008標準進行測試，采用A型缺口的1型試樣，沖擊方式為側向沖擊，擺錘沖擊能量為7.5J，對純PC，PC/SBS（80:20），PC/SBS（80:20:10）試樣的沖擊斷面分別進行掃描電鏡觀察；

表1 不同配比的PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物 （單位：g）

表2 PC/SBS和PC/SBS/PMMA的力學性能

表3 PC/SBS和PC/SBS/PMMA的熱學性能（單位：℃）

維卡軟化點測試：按照GB/T 1633-2000標準進行測試，保持升溫速率為120℃/h，保持負荷為10N；

熱重分析：按照GB/T 27761-2011標準進行測試，測試溫度包括起始分解溫度和50%分解溫度；

差示掃描量熱法（DSC）：按照GB/T 13464-92標準進行測試，控制升溫/降溫速率為20℃/min。

2 結果與討論

本實驗采用了擠出成型和注射成型兩種方式[8]。目前工業上應用的較多的是芳香族雙酚A型聚碳酸酯，分子鏈中含有苯環，故分子鏈剛性較大，導致聚碳酸酯的黏度-溫度敏感性要大于黏度-剪切速率敏感性，因此適度提高加工溫度可以有效降低其黏度。另一方面，聚碳酸酯剛性較大導致其玻璃化轉變溫度正好處在加工溫度區間范圍內，因此在加工過程中的快速升溫-降溫過程有可能使聚碳酸酯反復處在玻璃態-高彈態-玻璃態轉變中，當聚碳酸酯分子鏈的鏈段開始運動后又來不及松弛便被凍結時，分子鏈會迅速產生較大的內應力，造成產品加工困難，因此本實驗中在保證樣品穩定和設備安全的前提下，盡可能地提高熔體溫度和模具溫度。此外，為保證避免在加工中水分會引起聚碳酸酯酯基的降解，所有原料須在加工前充分干燥。

圖1為PC、PC/SBS和PC/SBS/PMMA和掃描電鏡照片，圖像表明純碳酸酯表面的形貌均一，PC/SBS共混物的表面分布較為均勻，表明PC和SBS相容性較好，這與兩者之間的表面張力差異不大有關，也證明SBS具有較好的相容性。而對于PC/SBS/PMMA三元共混物而言，由于組分過多導致出現相分離的“海/島”結構。

圖1 掃描電鏡圖片

圖2 DSC曲線

圖2為PC、PC/SBS和PC/SBS/PMMA的DSC曲線，從中可以發現二元共混物的吸熱峰比純聚碳酸酯的略高，說明其玻璃化溫度比純聚碳酸酯有略微提升，而三元共混物則出現兩個吸熱峰，表明三元共混物中已出現相分離且有兩個不同的玻璃化轉變溫度。

表2為PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物的力學性能。結果表明，隨著SBS的加入，產品的各項力學性能均有不同程度的提升，但SBS對共混物力學性能的提升來自于不同方面：（1）SBS的苯乙烯成分較高，剛性較大，因此能提升共混物的拉伸強度和彎曲強度；（2）SBS含有丁二烯（能提供雙鍵）成分，因此SBS可作為一種彈性體提升共混物的沖擊強度；（3）SBS兼具樹脂和彈性體的特性，因此它與聚碳酸酯的相容性較好，故加入SBS后共混物的均一性并未受到嚴重破壞，但當SBS用量過大時各項力學性能略有降低，這可能是由于過多的SBS會形成團聚并單獨形成一相，導致共混物的均一性有所下降。對PC/SBS/PMMA三元共混物而言，加入PMMA后共混物的沖擊強度能得到明顯提高，而拉伸強度、彎曲強度和邵氏D硬度較純PC有所提升，但較PC/SBS而言略有下降，這是由于PMMA本身機械強度尤其是抗沖擊強度較為優良，但如果共混體系內組分過多，會破壞體系的均一性導致力學性能有所降低。

表3為PC共混物的熱學性能，結果表明絕大多數情況下SBS和PMMA的加入會降低體系的熱力學穩定性，除了因為共混后體系均一性下降外，SBS中的丁二烯鏈段對熱氧較為敏感，在高溫下容易首先裂解。只有當SBS含量較低時，共混物的熱分解溫度略有提升，因為此時SBS與PC有較好的相容性，且少量剛性的苯乙烯能提升共混物的耐熱性。

3 結語

本文制備了PC/SBS和PC/SBS/PMMA共混物并研究了其結構與力學和熱學性能。多項實驗結果表明，SBS具有一定的相容性，若能和聚碳酸酯以適當的比例共混有助于提高產品的力學和熱力學穩定性能，且共混體系的組分和比例對材料的性能有較大影響，在實際生產中需引起足夠重視。