來(lái)金雅,溫變英

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京100048)

光盤(pán)回收PC改性ABS樹(shù)脂研究

來(lái)金雅,溫變英＊

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京100048)

用光盤(pán)回收的聚碳酸酯(PC)樹(shù)脂制備了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)/PC合金,探討了回收 PC含量、增容劑種類(lèi)對(duì)合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,ABS/PC合金的拉伸強(qiáng)度隨回收PC含量的增加而逐漸增大,沖擊強(qiáng)度則呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì),在回收PC含量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時(shí)達(dá)到最大值;增容劑甲基丙烯酸甲脂-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)比甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-GMA)更能改善ABS和PC的相容性,顯著提高合金沖擊強(qiáng)度,當(dāng)回收PC含量為5%時(shí),用MBS增容的ABS/PC合金的沖擊強(qiáng)度比純ABS提高了42.8%。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物;回收聚碳酸酯;合金;相容劑;力學(xué)性能

0 前言

ABS/PC合金是最早工業(yè)化生產(chǎn)的一種 PC改性產(chǎn)品。ABS/PC合金在性能上可形成互補(bǔ)[1-2],既可提高ABS的耐熱性、耐沖擊性,又可提高 PC的流動(dòng)性,加工性能,減小制品對(duì)應(yīng)力的敏感性,是一種綜合性能優(yōu)良的復(fù)合材料[3]。近年來(lái),ABS/PC合金在航海、航天、汽車(chē)、電子辦公設(shè)備、家電等方面被廣泛應(yīng)用[4]。但是,目前應(yīng)用的PC均為通用級(jí)產(chǎn)品,其熔融黏度高、流動(dòng)性差、成型困難,價(jià)格也十分昂貴,在一定程度上限制了ABS/PC合金的發(fā)展[5]。光盤(pán)是以 PC為基材的信息儲(chǔ)存產(chǎn)品,其含量占光盤(pán)總質(zhì)量的98%,隨著儲(chǔ)存設(shè)備的升級(jí)以及信息的不斷更新,大量廢舊光盤(pán)產(chǎn)生并造成環(huán)境污染,所以,將光盤(pán)中的 PC回收再利用意義重大。并且,光盤(pán)級(jí)PC的流動(dòng)性好,加工溫度相對(duì)較低,彌補(bǔ)了通用級(jí)PC性能上的不足,如果用光盤(pán)級(jí)PC代替通用級(jí) PC制備ABS/PC合金也可以達(dá)到同樣的性能,不僅節(jié)省成本,還可以充分緩解環(huán)境壓力。本文對(duì)回收PC含量和不同增容體系對(duì)ABS/PC合金力學(xué)性能的影響進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

回收PC,通過(guò)化學(xué)法除膜回收光盤(pán),自制;

ABS,GP-22,德國(guó)巴斯夫公司;

MBS,LB-J64,山東?源瑞高分子材料有限公司;

POE-g-GMA,自制。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī),L TE-20-40,瑞典Labtech工程公司;

注塑機(jī),A-80-210-4,香港奧克闌有限公司;

組合式數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī),XJ Z-50,承德試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司;

微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī),CMT6104,深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司;

掃描電子顯微鏡(SEM),VEGA ⅡXMH,捷克Tescan公司。

1.3 樣品制備

實(shí)驗(yàn)配方采用總量為100份,固定增容劑含量為5份,采用改變回收PC含量和增容劑種類(lèi)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),具體配方設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 ABS/PC合金的組成Tab.1 The composition of ABS/PC alloy

實(shí)驗(yàn)工藝:首先,將回收PC在120℃下干燥12 h,ABS樹(shù)脂在90℃下干燥10 h,充分冷卻后,將ABS、回收PC、增容劑分別按表1所示配方進(jìn)行共混;然后,使用雙螺桿擠出機(jī)造粒,機(jī)筒溫度控制在185～210℃,機(jī)頭溫度為190℃,螺桿轉(zhuǎn)速為90 r/min;將所得粒料在90℃干燥12 h;最后,將粒料注射成型為拉伸和沖擊標(biāo)準(zhǔn)樣條,以備測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸性能按 GB/T 1040.2—2006進(jìn)行測(cè)試,拉伸速率為10 mm/min;

沖擊性能按 GB/T 1043—2008進(jìn)行測(cè)試,簡(jiǎn)支梁無(wú)缺口,擺錘能量為5 J;

在試樣沖擊斷口噴金后,用SEM觀察其形貌并拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 回收PC含量對(duì)ABS/PC合金力學(xué)性能的影響

ABS/PC合金的結(jié)構(gòu)和性能受很多因素的影響,其中原料種類(lèi)和用料配比的影響最大,選擇恰當(dāng)時(shí)合金的性能可產(chǎn)生加和效應(yīng),不恰當(dāng)時(shí)則產(chǎn)生對(duì)抗效應(yīng)[6]。從圖1可以看出,ABS/PC合金的拉伸強(qiáng)度隨回收PC含量的增加而逐漸增大,顯示出回收 PC對(duì)ABS基體具有增強(qiáng)效應(yīng)。這是因?yàn)榛厥誔C自身具有較高的強(qiáng)度,當(dāng)其被分散在ABS基體中時(shí)起到了增強(qiáng)粒子的作用,因此,拉伸強(qiáng)度隨回收PC含量的增加呈上升趨勢(shì)。

圖1 回收PC含量對(duì)ABS/PC合金拉伸強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of recycled PC contents on tensile strength of ABS/PC alloy

純ABS和純PC的沖擊強(qiáng)度都比較高,如圖2(a)所示,純ABS呈現(xiàn)相中相結(jié)構(gòu),均勻分散的丁二烯粒子起到吸收沖擊能、終止裂紋的作用,發(fā)揮了很好的增韌效應(yīng)。PC是因?yàn)榉肿娱g作用力比較強(qiáng),在沖擊破壞過(guò)程中產(chǎn)生大量剪切帶吸收沖擊能,因而具有很好的韌性。由圖3所示,ABS/PC合金沖擊強(qiáng)度隨回收PC含量的變化呈先增加后下降的趨勢(shì),并且,在回收 PC含量為10%處達(dá)到最大值。這是因?yàn)?當(dāng) PC含量小于10%時(shí),如圖2(b)和圖2(c)所示,回收 PC剛性粒子分散在ABS基體中成為應(yīng)力集中點(diǎn),由于含量太低,PC粒子孤立存在,不能形成彼此關(guān)聯(lián)的平面應(yīng)力球,而且破壞了基體的橡膠增韌機(jī)制,在沖擊下很容易斷裂,因此,沖擊強(qiáng)度低于純ABS。隨著回收 PC含量增加,PC粒子變大,粒間距變小,在回收 PC含量為10%時(shí),各自產(chǎn)生的平面應(yīng)力球彼此關(guān)聯(lián),即分布在ABS基體中的回收 PC粒子間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),應(yīng)力得以均勻分散,使ABS/PC合金沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大,如圖2(d)所示,斷面有明顯的牽伸痕跡,呈現(xiàn)韌性斷裂特征。當(dāng)回收PC含量大于10%時(shí),較多的回收 PC因?yàn)檩^強(qiáng)的分子間相互作用團(tuán)聚在一起,回收PC相疇尺寸加大,粒子間的協(xié)同效應(yīng)減弱,界面失穩(wěn)成為應(yīng)力開(kāi)裂的主要原因,因此,沖擊強(qiáng)度急劇下降,從圖 2(e)可以看出,在整個(gè)區(qū)域內(nèi)牽伸痕跡減弱,圖 2(f)則出現(xiàn)高低不平的脆性斷裂特征。

圖2 ABS/PC合金的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photograph for ABS/PC alloy with different recycled PC contents

圖3 回收PC含量對(duì)ABS/PC合金沖擊強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of recycled PC contents on impact strength of ABS/PC alloy

2.2 增容劑對(duì)ABS/PC合金力學(xué)性能的影響

從以上數(shù)據(jù)可知,回收 PC使ABS/PC合金的拉伸強(qiáng)度有顯著提高,而對(duì)沖擊強(qiáng)度的提高作用不大,這主要是因?yàn)锳BS與回收PC界面相容性較差導(dǎo)致的。為此,本文選用了MBS和 POE-g-GMA 2種增容劑,以考察他們對(duì)ABS/PC合金的界面增容效果,為了便于比較,本實(shí)驗(yàn)固定增容劑含量為5%。

如圖4所示,合金拉伸強(qiáng)度隨回收PC含量的增加依然呈上升趨勢(shì)。但是,與純ABS相比,加入 POE-g-GMA之后的拉伸強(qiáng)度反而下降,這主要是因?yàn)?POE為一種熱塑性彈性體,其自身的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)低于ABS和PC。雖然,MBS的加入沒(méi)有提高ABS/PC合金的拉伸強(qiáng)度,但相比POE-g-GMA而言,ABS/PC/MBS合金的拉伸強(qiáng)度也沒(méi)有明顯下降,這主要是因?yàn)?MBS是一種核-殼結(jié)構(gòu)的粒子,其剛性和強(qiáng)度都高于 POE,作為殼層的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與PC部分相容,作為核的BS與ABS結(jié)構(gòu)相似,具有一定的相容性,因此,MBS的加入可以使ABS/PC合金相界面作用增強(qiáng),拉伸強(qiáng)度提高。

圖4 不同增容劑對(duì)ABS/PC合金拉伸強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of different compatilizers on tensile strength of ABS/PC alloy

從圖5可以明顯看出,MBS增容合金的沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)大于POE-g-GMA增容的合金,這是由于在以ABS為基體的 ABS/PC合金中,雖然 POE-g-GMA中的GMA上的環(huán)氧基團(tuán)能與PC分子鏈上的端羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng),增加與 PC的相容性,但是 POE卻與 ABS存在較大的極性差異,導(dǎo)致在整個(gè)區(qū)域內(nèi)形成的界面強(qiáng)度不高,所以沖擊強(qiáng)度改善不明顯。

圖5 不同相容劑對(duì)ABS/PC合金沖擊強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of different compatilizers on impact strength of ABS/PC alloy

與之相反的是,MBS的加入?yún)s顯著提高了材料的沖擊性能。這主要是因?yàn)?MBS與體系的相容性較好,改善了ABS與回收PC間的界面黏結(jié)。如圖6所示,對(duì)比未加入相容劑時(shí)的SEM照片(圖2),MBS加入后,可以看出分散相尺寸變小,界面模糊。在回收 PC含量為5%時(shí),合金的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值,比純ABS提高了42.8%。但是,當(dāng)回收PC含量增大時(shí),極易發(fā)生團(tuán)聚,形成獨(dú)立相疇,與ABS的接觸面積也相應(yīng)增大,此時(shí)加入的MBS不足以彌補(bǔ)回收PC與ABS之間的界面,如圖6(d)、(e)所示,沖擊過(guò)程中,這種微弱的界面黏結(jié)會(huì)發(fā)生界面開(kāi)裂,呈現(xiàn)脆性斷裂特征,沖擊強(qiáng)度自然下降。

圖6 MBS增容的ABS/PC合金SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photograph for ABS/PC/MBS alloy

為了更好地說(shuō)明MBS的增容作用,圖7對(duì)ABS/PC合金與MBS增容的ABS/PC合金的斷裂形貌進(jìn)行了比較。如圖7所示,在不加入增容劑MBS時(shí),ABS/PC合金的斷面不平滑,出現(xiàn)裂縫,為典型的脆性斷裂特征。而加入MBS后,整個(gè)區(qū)域變得平滑,界面也十分模糊,并沿沖擊方向形成韌渦,呈韌性斷裂特征,這充分表明了MBS可以提高ABS與回收 PC的相容性。

圖7 ABS/PC合金與MBS增容的ABS/PC合金SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photograph for ABS/PC alloy and ABS/PC/MBS alloy

3 結(jié)論

(1)回收PC對(duì)ABS樹(shù)脂有很好的改性效果,PC在ABS/PC合金體系中起到增強(qiáng)粒子的作用,使合金的拉伸強(qiáng)度隨回收 PC含量的增加而逐漸增大,回收PC含量對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì),并且在回收PC含量為10%時(shí)達(dá)到最大值;

(2)增容劑品種對(duì)ABS/PC合金的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)有重要影響,MBS比POE-g-GMA對(duì)ABS/PC合金有更好的增容效果,使沖擊強(qiáng)度明顯提高,在 ABS/PC/MBS為90/5/5時(shí),可提高42.8%;

(3)用光盤(pán)回收PC代替通用級(jí)PC用作ABS的改性劑是可行的,這對(duì)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境都有重要意義。

[1] Yin Z N,Wang T J.Deformation of PC/ABS Alloys at Elevated Temperatures and High Strain Rates[J].Materials Science and Engineering,2008,494(1/2):304-313.

[2] 鄭紅娟.相容劑對(duì)PC/ABS共混體系性能影響研究[D].成都:四川大學(xué)材料科學(xué)與工程系,2006.

[3] 查留鋒.PC/ABS合金改性的研究[D].北京:北京化工大學(xué)化學(xué)工程系,2007.

[4] 張 偉.PC/ABS合金相容性與阻燃性的研究[D].江蘇:南京工業(yè)大學(xué)高分子材料系,2004.

[5] 曹民干,浦鴻汀,李穎寒.PC/ABS共混合金的配比與性能[J].塑料工業(yè),1997,26(3):119-121.

[6] 徐學(xué)林,李素云.PC/ABS共混物的結(jié)構(gòu)與性能[J].合成樹(shù)脂與塑料,1993,10(4):62-65.

Research of ABS Resin Modified by Recycled PC

LAI Jinya,WEN Bianying＊
(School of Materials and Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

ABS/PC alloy was prepared with fresh ABS resin and recycled PC resin from waste CD via melt blending.The influence of the content of recycled PC on the mechanical properties of the alloy was discussed.Two compatibilizers,MBS and POE-g-GMA were used to improve the interfacial adhesion of the alloy.It showed that the tensile strength of ABS/PC alloy increased with increasing content of recycled PC.The impact strength of ABS/PC alloy increased first and then decreased,with the highest impact strength at the content of recycled PC of 10 wt%.The alloy was better toughened with MBS than with POE-g-GMA.When the content of recycled PC was 5%,the impact strength of ABS/PC/MBS alloy increased 42.8%compared with that of neat ABS.

acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer;recycled polycarbonate;alloy;compatibilizer;mechanical property

TQ323.4+1

B

1001-9278(2011)05-0096-05

2011-01-16

＊聯(lián)系人,wenbianying@tsinghua.org.cn