聚硅氧烷嵌段聚碳酸酯改性對聚碳酸酯材料耐候性能的影響

何元錦，莫錦鵬，麥偉宗，王春江

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665）

聚碳酸酯（PC）廣泛應(yīng)用于電子電氣、家電外殼、軌道交通、汽車部件等領(lǐng)域，其產(chǎn)量逐年增大，目前已成為世界用量第二大的工程塑料[1-2]。然而隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，PC 在實(shí)際應(yīng)用中暴露出各種不足。PC 主鏈上剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu)限制了PC 分子鏈間的取向，受到外力作用后，取向不容易松弛，分子鏈殘余內(nèi)應(yīng)力難以消除，內(nèi)應(yīng)力被凍結(jié)，使PC 制品容易產(chǎn)生應(yīng)力開裂的現(xiàn)象。此外，PC 主鏈上的酯基在紫外光作用下容易發(fā)生光老化，并在濕熱的環(huán)境下發(fā)生水解，從而使其綜合性能下降，從而制約其在高溫高濕及低溫等極端環(huán)境的應(yīng)用。因此，對聚碳酸酯的耐候耐老化改性已成為了產(chǎn)業(yè)界的焦點(diǎn)。

將有機(jī)硅低聚物與聚合物（特別是PC）共聚制備聚硅氧烷嵌段共聚物也可用于增韌改性高聚物[3]。與一般有機(jī)硅材料相比，聚硅氧烷- 聚碳酸酯嵌段共聚物（硅PC）由于同時(shí)具備柔性的聚硅氧烷鏈段和剛性的聚碳酸酯鏈段，其耐候性遠(yuǎn)勝于一般的熱塑性彈性體[4]。本文將硅PC 引入到傳統(tǒng)的阻燃聚碳酸酯體系中，考察聚碳酸酯材料在沸水、氙燈等極端條件老化前后的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、顏色穩(wěn)定性的變化，為耐極端氣候PC 材料的開發(fā)提供指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

PC 樹脂：熔融指數(shù)為 10g/10 min(300℃/1.2 kg)；硅PC 樹脂：熔融指數(shù)為 5g/10 min(300℃/1.2 kg)；阻燃劑：全氟丁基磺酸鉀(PFBS)，純度＞99 %；抗滴落劑：聚甲基丙烯酸甲酯包覆的聚四氟乙烯，市售；抗氧化助劑：市售；抗紫外助劑。

1.2 儀器設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：ND-65，南京諾達(dá)機(jī)械有限公司；熱重分析儀：TG209F3，德國耐馳公司；氙燈老化試驗(yàn)箱：LHS-XII-65，廣州合成材料研究院有限公司。注塑機(jī)：HTF86/TJ，中國海天塑料機(jī)械有限公司；萬能試驗(yàn)機(jī): CMT6103，深圳新三思材料檢測公司；沖擊測試儀:BPI-5. 5STAC，德國Zwick /Roell 公司; 色差儀：CR10 plus，日本柯尼卡美能達(dá)公司。

1.3 樣品制備

樣品配方見表1。按配方稱取相應(yīng)各組分，然后經(jīng)攪拌機(jī)充分混合后，喂入雙螺桿擠出機(jī)，擠出溫度從第一區(qū)到第九區(qū)分別為250℃、270℃、270℃、270℃、270℃、270℃、275℃、275℃、275℃，螺桿轉(zhuǎn)速為500 r/min。擠出條切粒后在120℃充分干燥，然后用注塑機(jī)將樣品注塑成為所需的樣條以備測試。

表1 實(shí)驗(yàn)配方組分配比Table 1 Formula of different experiments

1.4 性能測試

根據(jù)UL794 標(biāo)準(zhǔn)，本研究將樣品投入70℃沸水中水煮168h，隨后對水煮前后樣條的力學(xué)性能進(jìn)行測試，拉伸測試速度為50mm/min，彎曲測試速度2mm/min，沖擊擺錘動(dòng)能為5.5J。采用色差儀檢測老化前后樣品的顏色變化。采用阻燃試驗(yàn)箱考察其阻燃性能。用熱重分析儀（TGA）在氮?dú)鈿夥障聦λ笄昂髽悠返哪蜔嵝阅苓M(jìn)行分析，溫度范圍為室溫至700℃，升溫速率為20℃/min。將樣品投入氙燈老化試驗(yàn)箱分別老化500h 和1000h，隨后對老化前后樣品的力學(xué)性能進(jìn)行測試，其力學(xué)性能測試與水煮實(shí)驗(yàn)相同。

2 結(jié)果與討論

圖1 所示為改性聚碳酸酯材料的熱失重曲線。其中0-1# 和1-1# 分別為0# 和1# 水煮后樣品?？梢?，0# 的起始降解溫度高于1#，這表明硅PC 的引入會(huì)一定程度上降低PC 材料的熱穩(wěn)定性。可是，經(jīng)過水煮168h 后，樣品的起始降解溫度發(fā)生了明顯的下降，這表明PC 樣品在沸水中發(fā)生了一定程度的水解，使其熱穩(wěn)定性有所下降。值得注意的是，0-1# 的起始降解溫度明顯低于1-1#，這與水煮前樣品的情況有所不同。眾周所知，硅氧烷鏈段具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，這表明，硅PC 的引入會(huì)削弱聚碳酸酯水解后的熱穩(wěn)定性下降。

圖1 改性聚碳酸酯材料的熱失重曲線Fig.1 TG curves of modified polycarbonate

水煮前后不同樣品的力學(xué)性能見表2。水煮前，0#和1# 的力學(xué)性能數(shù)值差異不大，僅1# 的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量略低于0#，0# 的-40℃沖擊強(qiáng)度明顯低于1#，這是因?yàn)镻C 主鏈上剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu)使得材料韌性不足，而引入的硅PC 的柔性硅氧烷鏈段使得樣品的剛性有所下降韌性增加。然而，水煮后0# 和1# 的力學(xué)性能均出現(xiàn)了不同程度的下降。其中，0#的沖擊強(qiáng)度下降極為明顯，其下降幅度明顯大于1#，這表明硅PC 的引入導(dǎo)致的韌性增加可對沖水解引起的材料抗沖擊性能下降，這樣的特性有助于材料應(yīng)用于濕熱或者高寒的極端環(huán)境。

由于氙燈老化箱同時(shí)具有噴淋、溫度控制以及特有的氙燈提供的紫外照射等功能，能較好地模擬實(shí)際環(huán)境中濕熱、日照等極端環(huán)境，所以本研究根據(jù)ASTM 采用氙燈老化箱對PC 樣品的抗老化進(jìn)行研究。氙燈老化前后不同樣品的力學(xué)性能變化和色差見表3 和表4。可見，氙燈老化前后0# 和1# 的常溫性能保持良好，這是因?yàn)槲覀兯捎玫目棺贤饫匣浞侥艿钟療衾匣鋬?nèi)復(fù)雜極端的環(huán)境所帶來的老化，表明我們的PC 樣品能應(yīng)用于濕熱日照等極端環(huán)境。氙燈老化后樣品的-40℃沖擊強(qiáng)度均有所下降，這是因?yàn)樵跐駸峒白贤饫匣膹?fù)合作用下，PC 材料的大分子鏈會(huì)發(fā)生一定程度的斷裂，從而影響其耐低溫沖擊性能。氙燈老化后樣品的ΔE值均有所上升，這是因?yàn)殡療衾匣沟脴悠钒l(fā)黃，使得Δb值上升并連帶使ΔE值上升。但與0# 相比，1# 的ΔE值均小于1，這可能是因?yàn)?# 所具有的硅氧烷鏈段化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能較好地抵御紫外線的老化作用，使得樣品的顏色變化較小。

3 結(jié)論

（1）熱重分析表明，硅PC 的引入會(huì)一定程度上降低PC 材料的熱穩(wěn)定性，但其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性會(huì)削弱聚碳酸酯水解后的熱穩(wěn)定性下降。

（2）在熱水作用下，PC 樣品會(huì)發(fā)生水解，分子鏈斷裂，使得力學(xué)性能有所降低，但硅PC 的引入導(dǎo)致的韌性增加可對沖水解引起的材料抗沖擊性能下降。

（3）在抗紫外助劑的作用下，PC 樣品在氙燈老化的作用下力學(xué)性能和顏色穩(wěn)定性在一定程度上得到保持。