PC/ABS共混物的流变性能

2015-03-28张清怡孙颜文

合成树脂及塑料 2015年3期

张清怡，孙颜文

（中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司树脂应用研究所，北京市 102500）

聚碳酸酯（PC）具有很好的力学性能、刚性、耐热性，已广泛应用于汽车、电器、机械、仪器仪表、食品包装等领域；但PC也存在很典型的缺点，如加工流动性差、易产生应力开裂、耐疲劳性差、缺口敏感度高、价格偏高等。丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物（ABS）具有良好的加工特性，即较好的流动性，且具有耐热、冲击强度高等特点，成本较低，但其耐候性差且力学性能不理想[1-4]。如果将ABS与PC共混，则可以达到取长补短的效果，两者的共混物具有良好的力学性能、刚性和加工流动性、较高耐热性和尺寸稳定性，并且可以降低成本[5]。由于共混物熔体的流变性能对其成型加工影响较大，因此研究共混物熔体的流变性能对于新产品开发和成型加工工艺的确定非常重要。毛细管流变仪是研究聚合物熔体流变行为以及模拟高分子材料加工的有效手段。本研究采用毛细管流变仪研究了不同配比的ABS/PC共混物的流变性能，从而为PC/ABS的加工提供理论基础。

1 实验部分

1.1 主要原料

PC粒料，7022IR，日本三菱化学株式会社生产；ABS粒料，275，中国石油化工股份有限公司上海高桥分公司生产；相容剂，OY-07，欧原化工有限公司生产。

1.2 主要仪器与设备

TSE-35D型双螺杆挤出机，广州兰泰仪器有限公司生产；RH 7D型毛细管流变仪，英国Rosand公司生产。

1.3 试样制备

首先将PC在120℃条件下烘干处理4 h，ABS在80℃条件下烘干处理4 h，然后将烘干的PC，ABS及相容剂 OY-07按配方（见表1）在高速混合器中混合均匀，再通过双螺杆挤出机挤出造粒，温度160～250℃，螺杆转速12 r/min。然后将粒料在100℃条件下烘干处理4 h，放入干燥器备用。

表1 共混物配方Tab.1 Formulae of the blends

1.4 测试方法

采用毛细管流变仪测定 230，240，250，260℃条件下共混物熔体的流变曲线。装好毛细管，调节温度控制仪使料筒达到所需温度，然后将试样放入料筒中压实，恒温6 min后打开记录笔并启动机械传动装置，然后依次添加砝码，将所得曲线经换算得到剪切速率（γ）～表观黏度（ηa）曲线。

2 结果与讨论

2.1 温度对PC/ABS共混物流变行为的影响

由图1可知：在相同的γ条件下，随着温度的升高，PC/ABS共混物的ηa均下降。这是因为温度升高使聚合物分子链的运动能力增大，因而流动性增强；同一温度条件下，共混物的ηa均随γ的增加而降低，表现出明显的假塑性非牛顿流体的剪切变稀现象。在流动过程中分子链的构象会发生变化，分子链一面滑动取向，一面松弛收缩，这两方面都有阻力，当γ提高时，流体的流动时间比松弛时间短，致使大分子链来不及完全松弛或已取向的分子链只收缩了一部分，从而减小了由于收缩产生的阻力，使ηa降低[6]。

图1 PC/ABS共混物的流变曲线Fig.1 Rheological curves of PC/ABS blends

根据 Andrade 公式[7][见式（1）]：

式中：A为于温度趋近于∞时的黏度常数；R为气体常数，8.305 J/（mol·K）；Eη为聚合物的流动活化能，kJ/mol；T为热力学温度。因此，在流动温度以上不宽的温度范围内，lnηa与T-1成线性关系，根据直线的斜率即可求出Eη。

根据图1及Andrade公式，可以作出lnηa～T-1关系曲线。由图2可知：对于不同配比的PC/ABS的共混物，都存在lnηa与T-1的线性关系，符合Andrade公式。

图 2 lnηa～T-1的关系曲线Fig.2 Plots of lnηaversus T-1

根据直线的斜率，求得 1#，2#，3#，4#共混物的Eη分别为 23.00，27.34，33.35，41.17 kJ/mol。Eη反映了ηа对温度的敏感性，本质上反映了大分子向前蠕动的尺寸。Eη越高，蠕动单元越大，对温度的敏感性越强。4种配比的PC/ABS共混物的Eη均较大，说明加工时PC/ABS共混物对温度的敏感性较大。但是随着ABS含量的增加，共混物的Eη逐渐降低，这是因为ABS分子链柔性优于PC，流动性强，所以Eη较低。当体系中加入ABS时，共混物的流动性提高，因而Eη下降。这说明ABS的加入改善了PC加工时对温度的敏感性，且其敏感性随着ABS含量的增加而逐渐减小。ηa对温度的敏感性下降，表明在恒定剪切应力（σ）条件下可以在较宽的温度范围内获得较稳定的流动，故有利于控制工艺条件，易于成型加工。因此，随着ABS含量的增加，PC/ABS共混物更易于加工成型。

2.2 PC/ABS共混物的σ与γ的关系

聚合物熔体一般为假塑性非牛顿流体，其σ与γ不成正比，即ηa对γ有依赖性。一般用指数关系描述σ与γ的关系，即幂律公式[见式（2）]。

式中：K为常数；n为非牛顿指数，是判断聚合物流体偏离牛顿流体程度的标志，n的大小在本质上反映的是ηа对σ或γ的依赖性。

由表2可知：对于不同配比的PC/ABS共混物，在不同温度条件下n＜1，说明共混物熔体呈假塑性；随温度的升高，n增大，即共混物的假塑性有所减小。这是由于温度升高，分子链活动能力增强，分子间相互作用减弱，部分缠结被剪切作用破坏，导致ηа对γ的敏感性随着温度的升高而减弱[8]。在同一温度时，随着共混物中ABS的含量增加，n减小，使得体系非牛顿性增强，对剪切作用敏感性增加。这一现象与共混物的结构变化有关。聚合物分子链越柔顺，缠结点越多，链的解缠结和滑移愈困难，聚合物的假塑性愈强。PC为直链刚性分子，分子间缠结作用较小，假塑性较低，n较大。ABS相对于PC来说，分子链较柔顺，因而随着ABS含量的增加，n减小，假塑性增强。