耐水解PET/PBT汽车发动机舱材料研究

2020-03-26费彬姚晨光蒋超杰范继贤吴安琪

汽车零部件 2020年2期

费彬,姚晨光,蒋超杰,范继贤,吴安琪

(合肥杰事杰新材料股份有限公司，安徽合肥 236001)

0 引言

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)与聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)都属于半结晶材料，化学结构相近，可以做成合金材料拓展应用领域。PET/PBT合金复合材料有非常好的化学稳定性、机械强度、电绝缘特性和热稳定性，可应用于汽车上节气门体、空气控制阀壳体、废气再循环壳体等发动机舱部件，替代金属材料或成本高昂的聚邻苯二甲酰胺等工程塑料，实现减重、降本的目的。

但发动机舱部件对材料耐水解性能要求很高，要求在高温高湿环境下，材料能够长期保持足够性能。PET、PBT都是酸和醇缩聚而成的聚酯，特定结构导致其在高温高湿条件下容易分解，降低物理性能[1]。常规的PET/PBT合金复合材料耐高温水解性差，满足不了汽车外发动机舱的使用要求。

近年来国内外学者对聚酯耐水解性能进行大量研究，研究表明聚酯水解性能的一个关键因素是其端羧基浓度，封闭端羧基、减少端羧基浓度是提高聚酯耐水解性能的一个好方法[2-3]。另外试验表明加入碳化二亚胺类抗水解剂也能大幅提高PBT类材料耐湿热性能[4]。

本文作者主要研究不同增韧剂、扩链剂、PET与PBT不同用量比例对PET/PBT合金复合材料高温湿热性能的影响，通过90 ℃水煮试验，研究PET/PBT的耐水解性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验材料包括：PET树脂，牌号608S，特性黏度0.85 dL/g，上海远纺工业公司生产；PBT树脂，牌号1200-211D，特性黏度0.75 dL/g，长春化工有限公司生产；短切玻纤272，直径10 μm，欧文斯科宁中国投资有限公司生产；增韧剂乙烯-辛烯共聚物-接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(POEg-GMA)，宁波能之光新材料科技股份有限公司生产；增韧剂乙烯-丙烯酸甲酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油(EMA-g-GMA)，阿科玛(中国)投资有限公司上海分公司生产；扩链剂ADR4370S，巴斯夫(中国)有限公司生产；抗水解剂聚合碳化二亚胺P400，德国莱茵化学公司生产。加工助剂包括润滑剂、抗氧剂、成核剂、脱模剂等常规加工助剂，市售。

1.2 主要设备

主要设备有：挤出机，型号SHJ-36，南京杰亚挤出装备有限公司生产；高混机，型号SHR-100，张家港市亿利机械有限公司生产；注塑机，型号MJ55，震雄机械有限公司生产；电子万能试验机，型号BTI-FB010TN.D30，德国ZWICK生产；摆锤冲击试验机，型号HIT5.5，德国ZWICK生产；电热恒温水浴锅，型号DZKW-S-4，苏州江东精密仪器有限公司生产。

1.3 试样制备

将PET树脂、PBT树脂、增韧剂、抗水解剂、扩链剂等组分及其他加工助剂按配方比例称量，高混机混合均匀后进入双螺杆挤出机，玻璃纤维从挤出机中部加入。挤出加工温度控制在220～255 ℃之间，螺杆转速为400 r/min。将挤出切粒后的粒料置于110 ℃热风烘箱中干燥5 h，按测试要求制备相应样条。

1.4 性能测试

拉伸强度测试按照ISO 527进行，缺口冲击测试按照ISO 180进行，熔体流动指数测试按照ISO 1133进行。水煮条件为90 ℃电热恒温水浴锅中恒温水煮，取样时间分别为48、144、360 h。

1.5 实验配方

本文作者详细研究了增韧剂、扩链剂和PET、PBT使用比例对PET/PBT合金复合材料的湿热老化性能的影响。表1是不同体系的材料配方。

表1 材料配方表%

2 结果与讨论

水煮后，PET/PBT合金复合材料体系性能受水解影响发生变化，下面从强度、抗冲性能、熔体质量流动速率方面来进行讨论。其中：

α=(Pcur-P0)/P0×100%

式中：α为性能变化率；Pcur为水煮当前时间性能；P0为水煮0 h性能。性能变化率为负数，表示当前性能降低；性能变化率为正数，表示当前性能提高。评价耐水解性能时，对于强度和抗冲性能，性能数值越高越好；对于熔体质量流动速率，性能变化率越小越好。

2.1 增韧剂对PET/PBT耐水解性能影响

从表2可见：90 ℃水煮之后，添加增韧剂的PET/PBT合金复合材料性能保持率比未添加增韧剂的PET/PBT合金复合材料高，性能下降更为缓慢。一方面增韧剂的加入，减少了体系中聚酯的用量；另一方面增韧剂上的GMA基团与聚酯端羧基反应，减少PET、PBT端羧基含量，从而使PET/PBT合金复合材料抗水解性增强。从数据中可以看出：添加POE-g-GMA增韧性能更好，而添加EMA-g-GMA初始流动性和耐水解性更好。

表2 水煮后使用不同增韧剂的PET/PBT合金复合材料的性能

2.2 扩链剂对PET/PBT耐水解性能影响

从表3可见：4号使用扩链剂的PET/PBT合金复合材料耐90 ℃水煮性能优于3号未使用扩链剂的PET/PBT合金复合材料。使用扩链剂与聚酯端基反应，可以进一步减少PET、PBT端羧基含量，从而增强PET、PBT分子链对水分子作用的抵抗力，提高耐水煮性能。

表3 水煮后使用扩链剂的PET/PBT合金复合材料的性能

2.3 PET、PBT用量比例的影响

PET和PBT化学结构接近，在PET/PBT合金体系中，PET和PBT无定型相是相容的；合金复合材料冷却过程中，两个组分独立结晶，又具有结晶的协同效应，提高结晶速率[5]。PET/PBT合金体系也因为化学结构原因容易发生酯交换反应，生成无规嵌段共聚物，降低性能[6]。PET与PBT材料因分子链柔顺性不同，结晶性能区别比较大，不同使用比例对PET/PBT合金复合材料结晶行为影响不同，不同使用比例对酯交换反应影响不同，从而影响合金复合材料整体性能。从表4可见：此实验中，PET与PBT比例为1∶2时，总体上材料性能变化率最小，总体抗水解性也最好。