光盘回收PC改性ABS树脂研究

来金雅,温变英

(北京工商大学材料与机械工程学院,北京100048)

光盘回收PC改性ABS树脂研究

来金雅,温变英＊

(北京工商大学材料与机械工程学院,北京100048)

用光盘回收的聚碳酸酯(PC)树脂制备了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)/PC合金,探讨了回收 PC含量、增容剂种类对合金力学性能的影响。结果表明,ABS/PC合金的拉伸强度随回收PC含量的增加而逐渐增大,冲击强度则呈先增长后下降的趋势,在回收PC含量为10%(质量分数,下同)时达到最大值;增容剂甲基丙烯酸甲脂-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)比甲基丙烯酸环氧丙酯接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-GMA)更能改善ABS和PC的相容性,显著提高合金冲击强度,当回收PC含量为5%时,用MBS增容的ABS/PC合金的冲击强度比纯ABS提高了42.8%。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物;回收聚碳酸酯;合金;相容剂;力学性能

0 前言

ABS/PC合金是最早工业化生产的一种 PC改性产品。ABS/PC合金在性能上可形成互补[1-2],既可提高ABS的耐热性、耐冲击性,又可提高 PC的流动性,加工性能,减小制品对应力的敏感性,是一种综合性能优良的复合材料[3]。近年来,ABS/PC合金在航海、航天、汽车、电子办公设备、家电等方面被广泛应用[4]。但是,目前应用的PC均为通用级产品,其熔融黏度高、流动性差、成型困难,价格也十分昂贵,在一定程度上限制了ABS/PC合金的发展[5]。光盘是以 PC为基材的信息储存产品,其含量占光盘总质量的98%,随着储存设备的升级以及信息的不断更新,大量废旧光盘产生并造成环境污染,所以,将光盘中的 PC回收再利用意义重大。并且,光盘级PC的流动性好,加工温度相对较低,弥补了通用级PC性能上的不足,如果用光盘级PC代替通用级 PC制备ABS/PC合金也可以达到同样的性能,不仅节省成本,还可以充分缓解环境压力。本文对回收PC含量和不同增容体系对ABS/PC合金力学性能的影响进行了探讨。

1 实验部分

1.1 主要原料

回收PC,通过化学法除膜回收光盘,自制;

ABS,GP-22,德国巴斯夫公司;

MBS,LB-J64,山东䜣源瑞高分子材料有限公司;

POE-g-GMA,自制。

1.2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机,L TE-20-40,瑞典Labtech工程公司;

注塑机,A-80-210-4,香港奥克阑有限公司;

组合式数显冲击试验机,XJ Z-50,承德试验机有限责任公司;

微机控制电子试验机,CMT6104,深圳市新三思计量技术有限公司;

扫描电子显微镜(SEM),VEGA ⅡXMH,捷克Tescan公司。

1.3 样品制备

实验配方采用总量为100份,固定增容剂含量为5份,采用改变回收PC含量和增容剂种类的方法进行设计,具体配方设计如表1所示。

表1 ABS/PC合金的组成Tab.1 The composition of ABS/PC alloy

实验工艺:首先,将回收PC在120℃下干燥12 h,ABS树脂在90℃下干燥10 h,充分冷却后,将ABS、回收PC、增容剂分别按表1所示配方进行共混;然后,使用双螺杆挤出机造粒,机筒温度控制在185～210℃,机头温度为190℃,螺杆转速为90 r/min;将所得粒料在90℃干燥12 h;最后,将粒料注射成型为拉伸和冲击标准样条,以备测试。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸性能按 GB/T 1040.2—2006进行测试,拉伸速率为10 mm/min;

冲击性能按 GB/T 1043—2008进行测试,简支梁无缺口,摆锤能量为5 J;

在试样冲击断口喷金后,用SEM观察其形貌并拍照。

2 结果与讨论

2.1 回收PC含量对ABS/PC合金力学性能的影响

ABS/PC合金的结构和性能受很多因素的影响,其中原料种类和用料配比的影响最大,选择恰当时合金的性能可产生加和效应,不恰当时则产生对抗效应[6]。从图1可以看出,ABS/PC合金的拉伸强度随回收PC含量的增加而逐渐增大,显示出回收 PC对ABS基体具有增强效应。这是因为回收PC自身具有较高的强度,当其被分散在ABS基体中时起到了增强粒子的作用,因此,拉伸强度随回收PC含量的增加呈上升趋势。

图1 回收PC含量对ABS/PC合金拉伸强度的影响Fig.1 Effect of recycled PC contents on tensile strength of ABS/PC alloy

纯ABS和纯PC的冲击强度都比较高,如图2(a)所示,纯ABS呈现相中相结构,均匀分散的丁二烯粒子起到吸收冲击能、终止裂纹的作用,发挥了很好的增韧效应。PC是因为分子间作用力比较强,在冲击破坏过程中产生大量剪切带吸收冲击能,因而具有很好的韧性。由图3所示,ABS/PC合金冲击强度随回收PC含量的变化呈先增加后下降的趋势,并且,在回收 PC含量为10%处达到最大值。这是因为,当 PC含量小于10%时,如图2(b)和图2(c)所示,回收 PC刚性粒子分散在ABS基体中成为应力集中点,由于含量太低,PC粒子孤立存在,不能形成彼此关联的平面应力球,而且破坏了基体的橡胶增韧机制,在冲击下很容易断裂,因此,冲击强度低于纯ABS。随着回收 PC含量增加,PC粒子变大,粒间距变小,在回收 PC含量为10%时,各自产生的平面应力球彼此关联,即分布在ABS基体中的回收 PC粒子间产生协同效应,应力得以均匀分散,使ABS/PC合金冲击强度达到最大,如图2(d)所示,断面有明显的牵伸痕迹,呈现韧性断裂特征。当回收PC含量大于10%时,较多的回收 PC因为较强的分子间相互作用团聚在一起,回收PC相畴尺寸加大,粒子间的协同效应减弱,界面失稳成为应力开裂的主要原因,因此,冲击强度急剧下降,从图 2(e)可以看出,在整个区域内牵伸痕迹减弱,图 2(f)则出现高低不平的脆性断裂特征。

图2 ABS/PC合金的SEM照片Fig.2 SEM photograph for ABS/PC alloy with different recycled PC contents

图3 回收PC含量对ABS/PC合金冲击强度的影响Fig.3 Effect of recycled PC contents on impact strength of ABS/PC alloy

2.2 增容剂对ABS/PC合金力学性能的影响

从以上数据可知,回收 PC使ABS/PC合金的拉伸强度有显著提高,而对冲击强度的提高作用不大,这主要是因为ABS与回收PC界面相容性较差导致的。为此,本文选用了MBS和 POE-g-GMA 2种增容剂,以考察他们对ABS/PC合金的界面增容效果,为了便于比较,本实验固定增容剂含量为5%。

如图4所示,合金拉伸强度随回收PC含量的增加依然呈上升趋势。但是,与纯ABS相比,加入 POE-g-GMA之后的拉伸强度反而下降,这主要是因为,POE为一种热塑性弹性体,其自身的拉伸强度远低于ABS和PC。虽然,MBS的加入没有提高ABS/PC合金的拉伸强度,但相比POE-g-GMA而言,ABS/PC/MBS合金的拉伸强度也没有明显下降,这主要是因为,MBS是一种核-壳结构的粒子,其刚性和强度都高于 POE,作为壳层的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与PC部分相容,作为核的BS与ABS结构相似,具有一定的相容性,因此,MBS的加入可以使ABS/PC合金相界面作用增强,拉伸强度提高。

图4 不同增容剂对ABS/PC合金拉伸强度的影响Fig.4 Effect of different compatilizers on tensile strength of ABS/PC alloy

从图5可以明显看出,MBS增容合金的冲击强度远大于POE-g-GMA增容的合金,这是由于在以ABS为基体的 ABS/PC合金中,虽然 POE-g-GMA中的GMA上的环氧基团能与PC分子链上的端羟基发生化学反应,增加与 PC的相容性,但是 POE却与 ABS存在较大的极性差异,导致在整个区域内形成的界面强度不高,所以冲击强度改善不明显。

图5 不同相容剂对ABS/PC合金冲击强度的影响Fig.5 Effect of different compatilizers on impact strength of ABS/PC alloy

与之相反的是,MBS的加入却显著提高了材料的冲击性能。这主要是因为,MBS与体系的相容性较好,改善了ABS与回收PC间的界面黏结。如图6所示,对比未加入相容剂时的SEM照片(图2),MBS加入后,可以看出分散相尺寸变小,界面模糊。在回收 PC含量为5%时,合金的冲击强度达到最大值,比纯ABS提高了42.8%。但是,当回收PC含量增大时,极易发生团聚,形成独立相畴,与ABS的接触面积也相应增大,此时加入的MBS不足以弥补回收PC与ABS之间的界面,如图6(d)、(e)所示,冲击过程中,这种微弱的界面黏结会发生界面开裂,呈现脆性断裂特征,冲击强度自然下降。

图6 MBS增容的ABS/PC合金SEM照片Fig.6 SEM photograph for ABS/PC/MBS alloy

为了更好地说明MBS的增容作用,图7对ABS/PC合金与MBS增容的ABS/PC合金的断裂形貌进行了比较。如图7所示,在不加入增容剂MBS时,ABS/PC合金的断面不平滑,出现裂缝,为典型的脆性断裂特征。而加入MBS后,整个区域变得平滑,界面也十分模糊,并沿冲击方向形成韧涡,呈韧性断裂特征,这充分表明了MBS可以提高ABS与回收 PC的相容性。

图7 ABS/PC合金与MBS增容的ABS/PC合金SEM照片Fig.7 SEM photograph for ABS/PC alloy and ABS/PC/MBS alloy

3 结论

(1)回收PC对ABS树脂有很好的改性效果,PC在ABS/PC合金体系中起到增强粒子的作用,使合金的拉伸强度随回收 PC含量的增加而逐渐增大,回收PC含量对冲击强度的影响呈先增长后下降的趋势,并且在回收PC含量为10%时达到最大值;

(2)增容剂品种对ABS/PC合金的力学性能及结构有重要影响,MBS比POE-g-GMA对ABS/PC合金有更好的增容效果,使冲击强度明显提高,在 ABS/PC/MBS为90/5/5时,可提高42.8%;

(3)用光盘回收PC代替通用级PC用作ABS的改性剂是可行的,这对节约资源和保护环境都有重要意义。

[1] Yin Z N,Wang T J.Deformation of PC/ABS Alloys at Elevated Temperatures and High Strain Rates[J].Materials Science and Engineering,2008,494(1/2):304-313.

[2] 郑红娟.相容剂对PC/ABS共混体系性能影响研究[D].成都:四川大学材料科学与工程系,2006.

[3] 查留锋.PC/ABS合金改性的研究[D].北京:北京化工大学化学工程系,2007.

[4] 张 伟.PC/ABS合金相容性与阻燃性的研究[D].江苏:南京工业大学高分子材料系,2004.

[5] 曹民干,浦鸿汀,李颖寒.PC/ABS共混合金的配比与性能[J].塑料工业,1997,26(3):119-121.

[6] 徐学林,李素云.PC/ABS共混物的结构与性能[J].合成树脂与塑料,1993,10(4):62-65.

Research of ABS Resin Modified by Recycled PC

LAI Jinya,WEN Bianying＊
(School of Materials and Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

ABS/PC alloy was prepared with fresh ABS resin and recycled PC resin from waste CD via melt blending.The influence of the content of recycled PC on the mechanical properties of the alloy was discussed.Two compatibilizers,MBS and POE-g-GMA were used to improve the interfacial adhesion of the alloy.It showed that the tensile strength of ABS/PC alloy increased with increasing content of recycled PC.The impact strength of ABS/PC alloy increased first and then decreased,with the highest impact strength at the content of recycled PC of 10 wt%.The alloy was better toughened with MBS than with POE-g-GMA.When the content of recycled PC was 5%,the impact strength of ABS/PC/MBS alloy increased 42.8%compared with that of neat ABS.

acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer;recycled polycarbonate;alloy;compatibilizer;mechanical property

TQ323.4+1

B

1001-9278(2011)05-0096-05

2011-01-16

＊联系人,wenbianying@tsinghua.org.cn