螺杆组合对PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金性能影响的研究
螺杆组合对PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金性能影响的研究
摘要：在增容剂作用下，本文通过选择不同螺杆组合，探讨了螺杆组合对PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金材料的物理机械性能的影响。获得了综合性能较好的PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金,特别是材料的缺口冲击性能得到了较好的改善，材料的价格相对同类产品降低10%至15%，具有较高的市场竞争力。
关键词：PC/ABS合金 螺杆组合 缺口冲击性能
聚碳酸酯（PC）是综合性能优良的工程塑料，其产量仅仅次于尼龙（PA）。[ 4]它具有抗冲击、尺寸稳定、耐热、透明等优异的性能，但是它的某些缺点如加工困难、制品残余应力大、易于应力开裂，对缺口敏感，同时耐溶剂性差和耐磨性差等，都制约了它在许多领域中的应用。共混合金化是PC改性的一种重要手段，它使PC性能更加优异，从而拓宽了它的应用领域。
PC/ABS合金是最早工业化的PC 改性产品，也是目前最重要的PC合金。相对于PC，在性能上提高了加工流动性能，减小了制品对应力的敏感性并降低了成本。同时相对于ABS而言，提高了ABS的耐热程度和耐冲击强度，并可以改善制品表面凹陷和翘曲等缺陷。目前市场上对PC/ABS的需求很大，国内相当多的企业在这一方面也作了很多的研究工作，取得相当大的进展和成果。[1]但是文献资料显示，大部分都是在合金基础上加入一些不同的增容剂等来改善两相的相容性，从而提高材料的性能。[5]对于改善工艺，尤其是改善螺杆组合来改进PC/ABS合金性能的报道很少。有鉴于此，笔者通过分析螺杆组合的改变对材料性能的影响，得出了适合PC/ABS合金材料共混的较优螺杆组合。
1.实验部分
1.1主要原料
PC110，*旭美化成股份有限公司；ABS757，*奇美实业股份公司；十溴联苯醚：DE-83R，美国大湖；增容剂：SWR，市售；主抗氧剂：1076抗氧剂，汽巴精化；辅助抗氧剂：168抗氧剂，汽巴精化；
1.2设备与仪器
双螺杆挤出机：SHJ35，翰易机械；塑料注塑成型机：JETMASTER-C66，香港震雄公司；万能实验机：WSM-20K数字式实验机， 长春智能仪器设备有限公司；记忆冲击试验机：JJ-20记忆式实验机，长春智能仪器设备有限公司；热变形测定仪：WKW200热变形/维卡温度测定仪，长春智能仪器设备有限公司；阻燃等级测试：UL阻燃箱，自制；熔体流动指数：SRZ-400C熔体流动速率测定仪，长春智能仪器设备有限公司；
1.3制样及测试
原料在同样的温度、主机转速和喂料速度的条件下，在235℃-240℃温度下经双螺杆挤出机，使用不同螺杆组合进行造粒，烘干后在注塑机上注塑样条，注塑温度235℃-240℃，注塑压力50Mpa。试样在标准实验室环境下处理24小时，然后进行测试。
拉伸强度和断裂延伸率：按ASTM D638测定，速度25mm/Min；弯曲强度和弯曲模量：按ASTM D790测定，速度15mm/Min；悬臂梁缺口冲击强度：按ASTM D256测定，厚度3.2mm；热变形温度：按ASTM D648测试，厚度6.4mm，1.81MPa；熔体流动指数：按ASTM D1238，260℃，负载5kg；阻燃等级：按UL-94，3.2mm；
2.结果与讨论
在一定配比的PC/ABS合金中，加入不同的增容剂来改善PC和ABS的相容性，以达到提高材料物理机械性能的目的，是目前常用的改性手段。使用较多的增容剂有ABS接枝物、SMA、乙烯-丙烯酸酯共聚物、含甲基丙烯酸酯（GMA）的乙烯-丙烯酸酯共聚物等[5][1]。国内货源比较稳定，价格比较合理的主要是ABS接枝物和SMA等。根据许多相关文献的报道，相容剂对PC/ABS合金有明显的增容作用，当相容剂含量为4%时，综合效果最佳。本文采用A为增容剂，使用不同的螺杆组合进行共混改性并对结果进行分析。考虑到价格及材料流动性的问题，同时也为了更好地检验螺杆的组合对合金性能的影响，采用PC/ABS的比例为5/5，阻燃及非阻燃两个配方作为对比配方。配方组成如表1所示。
表1 PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金配方组成
Tab 1 the formulation of PC/ABS alloy and flame retardant PC/ABS alloy
配方组成(g) PC110 ABS757 A 十溴联苯醚 1076抗氧剂 168抗氧剂
PC/ABS 478 479 40 ------ 2 1
阻燃PC/ABS 413 414 40 130 2 1
2.1不同螺杆组合工艺对PC/ABS合金性能的影响
为比较螺杆剪切强度及剪切分布对合金材料的性能影响，笔者分别组装了几套不同的螺杆组合。其中，螺杆组合1的剪切强度强，在第一及第二排气口之前均有三组不同错列角的捏合块和两个反向螺纹，分散能力高，剪切强度相对集中于螺杆的前半段；螺杆组合2的剪切强度较弱，分别在两排气口前各减少一组捏合块并适当进行放松。分散能力一般，剪切强度同样相对集中于螺杆的前半段；螺杆组合3剪切强度适中，前后各两组捏合块去掉第一排气口的反向螺纹，换成反向捏合块。同时输送速度较快，前后剪切强度较平均；螺杆组合4的剪切强度较弱，用反向捏合块进行阻流排气。由表2数据可以看出,过强的剪切强度对合金材料的物理机械性能有破坏作用。对于PC/ABS合金，最佳的螺杆组合为组合3。根据现有的理论和宏观数据的表现，对这种情况作如下推测：
根据“海-岛”理论的及已经的相关资料可知，合金材料从任意方向切层，通过电镜观察，都可以观察到相关资料中阐述的“海-岛”结构。[5]因此笔者推断合金材料的“海--岛”结构应该是三维的。而且其中的连续像应该是PC相。否则根据资料则应该推断弱剪切的性能更差。但是数据显示弱剪切性能虽然比较原始组合差，但仍然比强剪切组合要好。这说明一维的“海-岛”理论在某一方面能够解释PC/ABS的宏观性能和微观结构之间的对应。但是仍然无法更合理的解释PC/ABS合金在PC含量低于50%时材料宏观性能的表现。
进一步讨论，笔者认为：与其说PC/ABS是一种三维的“海--岛”结构，倒不如用一种“类海绵结构”来表述更加直接。其中PC作为连续相，ABS作为分散相单独或者连续地分散于PC之间。当材料受到外力冲击时，PC材料接受了大部分的能量而保证了材料不会发生脆性断裂。在共混改性的过程中有足够的分散能力使得这种结构生成即可，过强的剪切会破坏“海绵”结构的组成，因剪切强度及分散能力的不同，导致合金裂纹效应和剪切带效应作用的不同，它们之间相互诱发歧化、削弱、终止的协同效应使材料缺口冲击强度的等性能发生了很大的改变。这种情况在PC含量较低的配方中更加容易发现。PC/ABS合金的重复加工会导致材料分层，性能劣化也在一定程度上证明了这一推断。
表2 不同螺杆组合工艺下PC/ABS合金性能的比较
Tab 2 Comparing to properties of PC/ABS alloy prepared under different screw-assembled
指标组合 拉伸强度(MPa) 断裂延伸率(%) 弯曲强度(Mpa) 弯曲模量(Mpa) 冲击强度(J/m) 热变形温度(℃) 阻燃等级
组合1 47.7 78.6 80.8 1700 245.0 94.5 ----
组合2 47.9 159.5 84.7 2250 450.0 100.5 ----
组合3 47.2 157.5 84.2 2200 495.0 102.5 ----
组合4 43.4 126.0 84.1 2450 491.0 100.4 ----
2.2不同螺杆组合工艺对阻燃PC/ABS合金物理机械性能的影响
由表3的数据可以看出相对于螺杆组合1、2、4，组合3是比较适合PC/ABS合金加工的螺杆组合。同样的组合用于加工阻燃PC/ABS合金，也能够得到性能相当优良的材料。且生产过程中主机电流小，生产稳定，切出来的粒头均匀光亮，切口处有少量发白。注塑得到阻燃PC/ABS合金，压力小，流动性能优异(260℃、5Kg条件下，溶体流动指数达到34.98g)。产品呈象牙白，光泽度相当好。该工艺配方生产的阻燃合金材料，同时具有高流动性，较高冲击性能和良好的阻燃等级，获得用户好评。
2.3其它工艺对PC/ABS合金材料的影响
除了上述的一些重要条件外，加工前材料的预处理及加工过程中螺杆转速、下料速度、温度甚至于抽真空压力的大小都对材料性能有一定程度的影响。在后续的验证中改变主机转速和喂料速度，得出的材料性能也
有所改变。这些工艺还需要进一步的研究分析。
表3 不同螺杆组合工艺下阻燃PC/ABS合金物理机械性能的比较
Tab 3 Comparing to properties of flame retardant PC/ABS alloy prepared under
different screw-assembled
指标组合 拉伸强度(MPa) 断裂延伸率(%) 弯曲强度(Mpa) 弯
摘要：在增容剂作用下，本文通过选择不同螺杆组合，探讨了螺杆组合对PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金材料的物理机械性能的影响。获得了综合性能较好的PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金,特别是材料的缺口冲击性能得到了较好的改善，材料的价格相对同类产品降低10%至15%，具有较高的市场竞争力。
关键词：PC/ABS合金 螺杆组合 缺口冲击性能
聚碳酸酯（PC）是综合性能优良的工程塑料，其产量仅仅次于尼龙（PA）。[ 4]它具有抗冲击、尺寸稳定、耐热、透明等优异的性能，但是它的某些缺点如加工困难、制品残余应力大、易于应力开裂，对缺口敏感，同时耐溶剂性差和耐磨性差等，都制约了它在许多领域中的应用。共混合金化是PC改性的一种重要手段，它使PC性能更加优异，从而拓宽了它的应用领域。
PC/ABS合金是最早工业化的PC 改性产品，也是目前最重要的PC合金。相对于PC，在性能上提高了加工流动性能，减小了制品对应力的敏感性并降低了成本。同时相对于ABS而言，提高了ABS的耐热程度和耐冲击强度，并可以改善制品表面凹陷和翘曲等缺陷。目前市场上对PC/ABS的需求很大，国内相当多的企业在这一方面也作了很多的研究工作，取得相当大的进展和成果。[1]但是文献资料显示，大部分都是在合金基础上加入一些不同的增容剂等来改善两相的相容性，从而提高材料的性能。[5]对于改善工艺，尤其是改善螺杆组合来改进PC/ABS合金性能的报道很少。有鉴于此，笔者通过分析螺杆组合的改变对材料性能的影响，得出了适合PC/ABS合金材料共混的较优螺杆组合。
1.实验部分
1.1主要原料
PC110，*旭美化成股份有限公司；ABS757，*奇美实业股份公司；十溴联苯醚：DE-83R，美国大湖；增容剂：SWR，市售；主抗氧剂：1076抗氧剂，汽巴精化；辅助抗氧剂：168抗氧剂，汽巴精化；
1.2设备与仪器
双螺杆挤出机：SHJ35，翰易机械；塑料注塑成型机：JETMASTER-C66，香港震雄公司；万能实验机：WSM-20K数字式实验机， 长春智能仪器设备有限公司；记忆冲击试验机：JJ-20记忆式实验机，长春智能仪器设备有限公司；热变形测定仪：WKW200热变形/维卡温度测定仪，长春智能仪器设备有限公司；阻燃等级测试：UL阻燃箱，自制；熔体流动指数：SRZ-400C熔体流动速率测定仪，长春智能仪器设备有限公司；
1.3制样及测试
原料在同样的温度、主机转速和喂料速度的条件下，在235℃-240℃温度下经双螺杆挤出机，使用不同螺杆组合进行造粒，烘干后在注塑机上注塑样条，注塑温度235℃-240℃，注塑压力50Mpa。试样在标准实验室环境下处理24小时，然后进行测试。
拉伸强度和断裂延伸率：按ASTM D638测定，速度25mm/Min；弯曲强度和弯曲模量：按ASTM D790测定，速度15mm/Min；悬臂梁缺口冲击强度：按ASTM D256测定，厚度3.2mm；热变形温度：按ASTM D648测试，厚度6.4mm，1.81MPa；熔体流动指数：按ASTM D1238，260℃，负载5kg；阻燃等级：按UL-94，3.2mm；
2.结果与讨论
在一定配比的PC/ABS合金中，加入不同的增容剂来改善PC和ABS的相容性，以达到提高材料物理机械性能的目的，是目前常用的改性手段。使用较多的增容剂有ABS接枝物、SMA、乙烯-丙烯酸酯共聚物、含甲基丙烯酸酯（GMA）的乙烯-丙烯酸酯共聚物等[5][1]。国内货源比较稳定，价格比较合理的主要是ABS接枝物和SMA等。根据许多相关文献的报道，相容剂对PC/ABS合金有明显的增容作用，当相容剂含量为4%时，综合效果最佳。本文采用A为增容剂，使用不同的螺杆组合进行共混改性并对结果进行分析。考虑到价格及材料流动性的问题，同时也为了更好地检验螺杆的组合对合金性能的影响，采用PC/ABS的比例为5/5，阻燃及非阻燃两个配方作为对比配方。配方组成如表1所示。
表1 PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金配方组成
Tab 1 the formulation of PC/ABS alloy and flame retardant PC/ABS alloy
配方组成(g) PC110 ABS757 A 十溴联苯醚 1076抗氧剂 168抗氧剂
PC/ABS 478 479 40 ------ 2 1
阻燃PC/ABS 413 414 40 130 2 1
2.1不同螺杆组合工艺对PC/ABS合金性能的影响
为比较螺杆剪切强度及剪切分布对合金材料的性能影响，笔者分别组装了几套不同的螺杆组合。其中，螺杆组合1的剪切强度强，在第一及第二排气口之前均有三组不同错列角的捏合块和两个反向螺纹，分散能力高，剪切强度相对集中于螺杆的前半段；螺杆组合2的剪切强度较弱，分别在两排气口前各减少一组捏合块并适当进行放松。分散能力一般，剪切强度同样相对集中于螺杆的前半段；螺杆组合3剪切强度适中，前后各两组捏合块去掉第一排气口的反向螺纹，换成反向捏合块。同时输送速度较快，前后剪切强度较平均；螺杆组合4的剪切强度较弱，用反向捏合块进行阻流排气。由表2数据可以看出,过强的剪切强度对合金材料的物理机械性能有破坏作用。对于PC/ABS合金，最佳的螺杆组合为组合3。根据现有的理论和宏观数据的表现，对这种情况作如下推测：
根据“海-岛”理论的及已经的相关资料可知，合金材料从任意方向切层，通过电镜观察，都可以观察到相关资料中阐述的“海-岛”结构。[5]因此笔者推断合金材料的“海--岛”结构应该是三维的。而且其中的连续像应该是PC相。否则根据资料则应该推断弱剪切的性能更差。但是数据显示弱剪切性能虽然比较原始组合差，但仍然比强剪切组合要好。这说明一维的“海-岛”理论在某一方面能够解释PC/ABS的宏观性能和微观结构之间的对应。但是仍然无法更合理的解释PC/ABS合金在PC含量低于50%时材料宏观性能的表现。
进一步讨论，笔者认为：与其说PC/ABS是一种三维的“海--岛”结构，倒不如用一种“类海绵结构”来表述更加直接。其中PC作为连续相，ABS作为分散相单独或者连续地分散于PC之间。当材料受到外力冲击时，PC材料接受了大部分的能量而保证了材料不会发生脆性断裂。在共混改性的过程中有足够的分散能力使得这种结构生成即可，过强的剪切会破坏“海绵”结构的组成，因剪切强度及分散能力的不同，导致合金裂纹效应和剪切带效应作用的不同，它们之间相互诱发歧化、削弱、终止的协同效应使材料缺口冲击强度的等性能发生了很大的改变。这种情况在PC含量较低的配方中更加容易发现。PC/ABS合金的重复加工会导致材料分层，性能劣化也在一定程度上证明了这一推断。
表2 不同螺杆组合工艺下PC/ABS合金性能的比较
Tab 2 Comparing to properties of PC/ABS alloy prepared under different screw-assembled
指标组合 拉伸强度(MPa) 断裂延伸率(%) 弯曲强度(Mpa) 弯曲模量(Mpa) 冲击强度(J/m) 热变形温度(℃) 阻燃等级
组合1 47.7 78.6 80.8 1700 245.0 94.5 ----
组合2 47.9 159.5 84.7 2250 450.0 100.5 ----
组合3 47.2 157.5 84.2 2200 495.0 102.5 ----
组合4 43.4 126.0 84.1 2450 491.0 100.4 ----
2.2不同螺杆组合工艺对阻燃PC/ABS合金物理机械性能的影响
由表3的数据可以看出相对于螺杆组合1、2、4，组合3是比较适合PC/ABS合金加工的螺杆组合。同样的组合用于加工阻燃PC/ABS合金，也能够得到性能相当优良的材料。且生产过程中主机电流小，生产稳定，切出来的粒头均匀光亮，切口处有少量发白。注塑得到阻燃PC/ABS合金，压力小，流动性能优异(260℃、5Kg条件下，溶体流动指数达到34.98g)。产品呈象牙白，光泽度相当好。该工艺配方生产的阻燃合金材料，同时具有高流动性，较高冲击性能和良好的阻燃等级，获得用户好评。
2.3其它工艺对PC/ABS合金材料的影响
除了上述的一些重要条件外，加工前材料的预处理及加工过程中螺杆转速、下料速度、温度甚至于抽真空压力的大小都对材料性能有一定程度的影响。在后续的验证中改变主机转速和喂料速度，得出的材料性能也
有所改变。这些工艺还需要进一步的研究分析。
表3 不同螺杆组合工艺下阻燃PC/ABS合金物理机械性能的比较
Tab 3 Comparing to properties of flame retardant PC/ABS alloy prepared under
different screw-assembled
指标组合 拉伸强度(MPa) 断裂延伸率(%) 弯曲强度(Mpa) 弯
