抗划伤剂对聚碳酸酯/晶须硅体系性能的影响

孙小文，刘 斌，邱 谍

（华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东 广 州510640）

抗划伤剂对聚碳酸酯/晶须硅体系性能的影响

孙小文，刘 斌＊，邱 谍

（华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东 广 州510640）

利用抗划伤剂对质量分数为5%的晶须硅改性后的聚碳酸酯/晶须硅体系进行抗划伤改性，通过铅笔硬度计、维卡仪、电子万能试验机和高压流变仪分别测定其改性后的抗划伤性能、热力学性能、力学性能和流变性能。结果表明，抗划伤剂对聚碳酸酯/5%晶须硅体系抗划伤改性的最佳配方为：聚碳酸酯/5%晶须硅/1.2%抗划伤剂，此时的铅笔硬度达到2H。

聚碳酸酯；晶须硅；抗划伤剂；抗划伤性能

0 前言

聚碳酸酯是一种具有良好透明性的塑料，其综合性能优异、用途极为广泛，其产品广泛应用于电子电器、汽车、机械制造、航空航天、计算机和光盘等技术领域[1－2]。

然而，聚碳酸酯材料的表面抗划伤性能较差，很大程度上降低了产品的美观程度，而且在制品表面产生的划痕也会导致应力集中。为了提高聚碳酸酯的抗划伤性能，笔者曾用不同质量分数的晶须硅对聚碳酸酯进行了抗划伤改性[3]，得到聚碳酸酯/5%晶须硅的条件下其抗划伤性能有较好的改善，其铅笔测试硬度达H，而且改性后的聚碳酸酯体系具有较好的综合性能。但是，对于制品表面性能要求高的领域，比如手机等电子产品的外壳，聚碳酸酯的应用仍受到一定限制。为了扩大聚碳酸酯在高端产品中的应用，聚碳酸酯需有更高的抗划伤性能[4－8]。为此，本研究以聚碳酸酯/5%晶须硅为基础体系，通过加入抗划伤剂对其进行抗划伤改性，并探讨抗划伤剂对聚碳酸酯/5%晶须硅体系的抗划伤性能、力学性能、热性能和流变性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚碳酸酯，PC3101，泰国拜耳公司；

晶须硅，化学纯，上海汇精亚纳米新材料有限公司；

无水乙醇，分析纯，浓度＞99%，上海联试化工试剂有限公司昆山分公司；

抗划伤剂，化学纯，广州市重凯化工有限公司；

硅烷偶联剂，KH－550，化学纯，广州维立纳贸易有限公司。

1.2 主要设备及仪器

电热鼓风干燥箱，CS101－3，重庆试验设备厂；

高速混合机，GH－10DY，北京市塑料机械厂；

双螺杆挤出机，PLASTI－CORDER，德国Brabender公司；

平板硫化机，QLB－25D/Q，无锡市第一橡塑机械制备厂；

电子万能材料试验机，台式5566，美国Instron公司；

热变形/维卡仪，HDT6，意大利Ceast公司；

熔体流动速率仪，MP－933，美国Tinius Olsen公司；

高压流变仪，RHEOLOGIC5000，意大利Ceast公司；

铅笔硬度计，291，珠海天创仪器有限公司；

热失重分析仪（TG），TG209，德国Netzch公司。

1.3 样品制备

将聚碳酸酯置于120℃的电热鼓风干燥箱中干燥8h后装入塑料袋中密封，防止原料再次受潮；用无水乙醇将硅烷偶联剂按1∶2（体积比）稀释，偶联剂的用量为填料质量的1%，在填料表面以雾状喷入稀释后的偶联剂，将溶剂烘干备用；根据表1配方将聚碳酸酯/5%晶须硅和抗划伤剂在高速混合机中混合至均匀；采用双螺杆挤出机造粒，将粒料置于120℃的电热鼓风干燥箱中干燥8h后测试材料的热分解温度、熔体流动速率和流变性能；双螺杆挤出机自加料段开始各段温 度 依 次 为：245、260、265、270、280、280、275、275℃，螺杆转速为45r/min；最后，在平板硫化机中将粒料压制成板材，压制温度为260℃，压力为13MPa，时间为6min。

表1 抗划伤改性系的实验配方Tab.1 Experimental formula for PC and scratch－resistant agent system

1.4 性能测试与结构表征

按GB/T6739—1996进行铅笔硬度测试，试样尺寸为160mm×75mm×4mm；

按GB/T1634—2004进行热变形温度测试，试样尺寸为80mm×10mm×4.0mm，传热介质为硅油，升温速率为120℃/h，施加的砝码质量为306g，样品变形量为0.34mm；

按GB/T1040—2006进行拉伸性能测试，试验速度为2mm/min；

按GB/T9341—2000进行弯曲性能测试，试验速度为2mm/min；

按GB/T1843—2008进行缺口冲击强度测试，V形缺口，最大冲击能量为5.5J，冲击速率为3.5m/s；

TG分析：取（8±1）mg经双螺杆挤出机造粒后的粒料，氮气氛围保护，以10℃/min的升温速率从25℃升温至700℃，记录TG曲线；

按GB/T 3682—2000进行熔体流动速率测试，测试温度为300℃，使用砝码重1200g，每隔30s取一次样，共取样5个，然后称重求平均值，计算熔体流动速率；

按ASTM D 3835—2008进行流变性能测试，活塞速度从0.002mm/min到1000mm/min（标准速率比1∶500000），口模直径为2mm，长径比为20，测试口模温度分别为280℃。

2 结果与讨论

2.1 抗划伤性能

从表2可以看出，抗划伤剂可提高聚碳酸酯/5%晶须硅体系的抗划伤性能。当抗划伤剂含量低于1.2%时，改性聚碳酸酯体系的抗划伤性能无明显改善，当抗划伤剂的含量大于1.2%时，改性聚碳酸酯体系的抗划伤性能明显改善，其中当抗划伤剂含量为2%时，改性聚碳酸酯体系的抗划伤性能最好，为3H。这是因为：抗划伤剂含有润滑剂成分，抗划伤剂能迁移到材料表面，降低材料的表面张力，赋予材料表面滑爽性，从而降低材料表面的摩擦系数，减小表面摩擦力，改善抗划伤性能。抗划伤剂含有提高材料硬度的成分，当抗划伤剂与材料共混改性时，材料的表面硬度得到改善，其抗划伤性能提高。

表2 不同抗划伤剂含量时聚碳酸酯/5%晶须硅体系的铅笔硬度Tab.2 Pencil hardness of PC/5%silicon whisker system with different content of scratch－resistant agent

2.2 热性能

图1 抗划伤剂含量对碳酸酯/5%晶须硅体系热变形温度的影响Fig.1 Effect of various contents of scratch－resistant agent on heat distortion temperature of PC with 5%silicon whisker

从图1可以看出，随着抗划伤剂含量的增加，改性聚碳酸酯体系的热变形温度随之增加，但增加趋势逐渐变缓。这是因为抗划伤剂的主要成分是聚二甲基胺盐改性物，含有增硬耐磨的成分，而且表面活性高、分散性好，当其添加到改性聚碳酸酯体系时，可均匀混合在一起，从而提高聚碳酸酯表面硬度和抵抗外力变形的能力，所以，改性聚碳酸酯体系的热变形温度随着抗划伤剂含量的增加而逐渐增大。

从图2可以看出，随着抗划伤剂含量的增加，聚碳酸酯/5%晶须硅体系的热稳定性并没有发生明显变化，聚碳酸酯的初始分解温度只是小范围的有所增加，但降解温度和失重率却随着抗划伤剂含量的增多基本保持不变。这可能因为抗划伤剂的添加虽稍微改善了聚碳酸酯初始降解温度，但并没有改变聚碳酸酯自身的降解机理，碳酸键的水解、醇解和异亚丙基的链断裂仍为其降解的主要途径。由于抗划伤剂的添加量很少，所以对其降解温度和热失重率影响很小。

图2 不同抗划伤剂含量的碳酸酯/5%晶须硅体系的TG和DTG曲线Fig.2 TG and DTG curves for PC with 5%silicon whisker and different contents of scratch－resistant agent

2.3 力学性能

从图3可以看出，在含有抗划伤剂的改性聚碳酸酯体系中，随着抗划伤剂含量从0增加到2%时，聚碳酸酯的拉伸强度、弯曲强度持续增加，断裂伸长率和缺口冲击强度随之下降，且随着抗划伤剂用量的增加，改性聚碳酸酯体系的断裂伸长率和缺口冲击强度的变化趋势逐渐变缓。这是因为：抗划伤剂的主要成分是聚二甲基胺盐改性物，不仅保持了聚二甲基胺盐优良的柔软性和平滑性，表面活性高，而且还添加了增硬耐磨的成分，当其添加到改性聚碳酸酯体系中时，不仅能均匀混合在一起，而且还产生较强的相互作用力，从而改善了复合材料的拉伸强度和弯曲强度，但随着抗划伤剂添加量的增加改性聚碳酸酯体系变脆，因而断裂伸长率和缺口冲击强度下降。

2.4 熔体流动性能

从图4可以看出，随着抗划伤剂用量的增加，改性聚碳酸酯体系的熔体流动速率得到明显提高，这是由于抗划伤剂具有非常好的柔软性和平滑性，表面活性高，可均匀分散于改性聚碳酸酯体系中，对聚合物熔体起到较好的润滑作用，提高聚碳酸酯的加工流动性，所以熔体流动速率曲线一直处于上升状态。

2.5 流变性能

从图5可以看出，改性聚碳酸酯体系熔体为假塑性流体。随着抗划伤剂含量的增加，改性聚碳酸酯体系的表观黏度和K逐渐下降，非牛顿指数（n）逐渐增加。这说明随着抗划伤剂含量的增加，改性聚碳酸酯体系的n增大，非牛顿性减小，剪切速率对改性聚碳酸酯体系黏度的影响减小，改性聚碳酸酯体系可以在较宽的剪切速率范围内加工成型。这是因为抗划伤剂具有非常好的柔软性和平滑性，表面活性高，可均匀分散于改性聚碳酸酯体系中，对聚合物熔体起到较好的润滑作用，降低了改性聚碳酸酯与毛细管壁的摩擦作用，因而改性聚碳酸酯的熔体黏度随着剪切速度的增大而减小。

图3 抗划伤剂含量对聚碳酸酯/5%晶须硅体系力学性能的影响Fig.3 Effect of various contents of scratch－resistant agent on mechanical properties of PC with 5%silicon whisker

图4 抗划伤剂含量对聚碳酸酯/5%晶须硅体系熔体流动速率的影响Fig.4 Effect of various contents of scratch－resistant agent on melt flow rate of PC with 5%silicon whisker

图5 抗划伤剂含量对聚碳酸酯/5%晶须硅体系表观黏度的影响Fig.5 Effect of various contents of scratch－resistant agent on apparent viscosity of PC with 5%of silicon whisker

3 结论

（1）随着抗划伤剂含量的增加，聚碳酸酯/5%晶须硅体系的拉伸强度、弯曲强度、熔体流动速率和抗划伤性能有所提高，缺口冲击强度和断裂伸长率减小，熔体的非牛顿性减弱；当抗划伤剂含量为2%时，改性体系的抗划伤性能最好，铅笔硬度达3H；

（2）本研究的最佳改性配方为：聚碳酸酯/5%晶须硅/1.2%抗划伤剂。此时改性体系的热变形温度为136.8℃，起始分解温度为509.4℃，降解温度为533.3℃，拉伸强度为72.61MPa，断裂伸长率为6.07%，弯曲强度为84.99MPa，冲击强度为5.13kJ/m2，熔体流动速率为42.36g/10min，铅笔硬度为2H。

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Effect of Scratch－resistant Agent on Scratch Resistant Property of PC/Silicon Whisker System

SUN Xiaowen，LIU Bin＊，QIU Die
（The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education，National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Scratch－resistant agent was introduced into PC system containing five percent of silicon whisker.Scratch resistant properties，thermodynamic properties，mechanical properties，and rheological behavior of the modified PC system were studied using pencil tester，vicat apparatus，electronic universal testing machine，and high－pressure rheometer.It was found that the PC system with the best scratch resistance properties was PC/5%silicon whisker/1.2%scratchresistant agent，which reached a pencil hardness of 2H.

polycarbonate；silicon whisker；scratch－resistant agent；scratch resistant property

TQ323.4＋1

B

1001－9278（2012）08－0035－05

2012－03－23

＊联系人，bliu＠scut.edu.cn