王建國(guó)，梁秀麗，孫東

（1.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031； 2.北方材料科學(xué)與工程研究院有限公司余姚所，浙江余姚 315400）

螺桿組合方式對(duì)GF增強(qiáng)PET/PBT共混物性能的影響

王建國(guó)1，梁秀麗1，孫東2

（1.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031； 2.北方材料科學(xué)與工程研究院有限公司余姚所，浙江余姚 315400）

采用同向平行雙螺桿擠出機(jī)制備玻璃纖維（GF）增強(qiáng)聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）/聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）共混物。在固定組分配比及共混擠出工藝條件的基礎(chǔ)上，研究了螺桿不同組合方式，即剪切塊數(shù)量及排布方式對(duì)擠出工藝及GF分散程度和長(zhǎng)度的影響，進(jìn)而對(duì)GF增強(qiáng)PET/PBT共混物性能造成的影響，設(shè)計(jì)出了一種適合GF增強(qiáng)PET/PBT共混物擠出生產(chǎn)的螺桿組合方式，采用該螺桿組合方式制備GF增強(qiáng)PET/PBT共混物，不但擠出工藝穩(wěn)定可靠，而且產(chǎn)品性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

同向平行雙螺桿擠出機(jī)；螺桿組合；玻璃纖維；聚對(duì)苯二甲酸乙二酯；聚對(duì)苯二甲酸丁二酯；共混物；性能

聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）/聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）共混物綜合了PET的低成本優(yōu)勢(shì)及PBT的快結(jié)晶優(yōu)勢(shì)，采用玻璃纖維（GF）增強(qiáng)后，具有結(jié)晶速率快、易脫模、耐高溫、綜合力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于二者共混后結(jié)晶性能的變化，GF增強(qiáng)PET/PBT共混物具有絕佳的注塑外觀(guān)，GF包覆好且表面光澤性好，可用于對(duì)外觀(guān)要求較高的免噴涂產(chǎn)品［1-4］。在GF增強(qiáng)PET/PBT共混物的制備過(guò)程中，擠出機(jī)的螺桿組合對(duì)擠出工藝及產(chǎn)品性能有很大的影響，這種影響主要是通過(guò)影響物料塑化狀態(tài)及GF剪切狀態(tài)導(dǎo)致的。只有樹(shù)脂充分塑化，GF在樹(shù)脂基體中分散良好及具備適中的長(zhǎng)度分布，則產(chǎn)物才會(huì)具備最佳的性能［5-7］。筆者采用同向平行雙螺桿擠出機(jī)，通過(guò)對(duì)螺桿組合中功能不同的輸送元件及剪切、分散元件進(jìn)行不同排布組合，研究了不同螺桿組合方式對(duì)GF增強(qiáng)PET/PBT共混物擠出工藝及產(chǎn)物性能的影響，設(shè)計(jì)優(yōu)化了螺桿組合，結(jié)果表明，采用該螺桿組合，可以獲得擠出工藝及產(chǎn)品性能最佳的GF增強(qiáng)PET/PBT共混物。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

PET：CB608S，上海遠(yuǎn)紡工業(yè)有限公司；

PBT：4500，江蘇三房巷實(shí)業(yè)股份有限公司；

GF：EDR14-2000-988A，巨石集團(tuán)有限公司；

成核劑：自制；

乙烯-辛烯共聚物接枝馬來(lái)酸酐（POE-g-MAH）：N410，寧波能之光新材料科技有限公司。

1.2主要設(shè)備及儀器

高速混合機(jī)：SHR-10A型，江蘇貝爾機(jī)械有限公司；

同向平行雙螺桿擠出機(jī)：CTE-65型，南京科倍隆機(jī)械有限公司；

注塑機(jī)：HTL90-F5B型，寧波海太塑料機(jī)械有限公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：CMT4304型，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)：ZBC-1400-1型，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

熱變形溫度測(cè)量?jī)x：XWB-300型，承德大華試驗(yàn)機(jī)械廠(chǎng)；

光學(xué)顯微鏡：X-4型，北京泰克儀器有限公司。

1.3試樣制備

將PET，PBT在120℃，3 h的干燥條件下預(yù)先干燥。按質(zhì)量比PET+PBT∶GF∶POE-g-MAH∶成核劑=64∶30∶5∶1，其中PET∶PBT=6∶4，除GF外，其它原材料于高速混合機(jī)中混合均勻，加入到雙螺桿擠出機(jī)中，同時(shí)GF由側(cè)喂料裝置加入，通過(guò)調(diào)整加料速率及螺桿轉(zhuǎn)速控制GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，基礎(chǔ)共混溫度為240～270℃，螺桿轉(zhuǎn)速為320 r/min。擠出GF增強(qiáng)PET/PBT共混物，共混物經(jīng)干燥后，注塑成標(biāo)準(zhǔn)試樣。注塑工藝條件如表1所示。

表1　GF增強(qiáng)PET/PBT共混物注塑工藝條件

1.4性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度按GB/T 1040-2006測(cè)試，測(cè)試速率為50 mm/min；

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043-2008測(cè)試；

彎曲性能按GB/T 9341-2000測(cè)試，測(cè)試速率為2 mm/min；

熱變形溫度按GB/T 1634-2004測(cè)試，測(cè)試載荷為1.8 MPa。

2　結(jié)果與討論

2.1對(duì)擠出工藝的影響

考察5種不同的螺桿組合對(duì)GF增強(qiáng)PET/ PBT共混物擠出工藝的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表1可見(jiàn)，1#螺桿組合明顯塑化不良。塑化狀況可通過(guò)觀(guān)察加GF口處的物料狀態(tài)進(jìn)行判斷，在良好的塑化狀態(tài)下，加GF口處的物料流動(dòng)順利平滑，無(wú)肉眼可見(jiàn)的樹(shù)脂固體顆粒。1#螺桿組合的加GF口處有明顯肉眼可見(jiàn)的未塑化完全的樹(shù)脂顆粒，甚至有大量未塑化的固體顆粒從加GF口處涌出，表明存在嚴(yán)重的塑化不良，說(shuō)明剪切塊的形式、數(shù)量、位置對(duì)塑化過(guò)程有重要的影響，由于1#螺桿組合在塑化末端缺少反向剪切塊，返料不足導(dǎo)致塑化不充分。4#螺桿組合由于GF剪切塊過(guò)少導(dǎo)致剪切不完善，長(zhǎng)GF過(guò)多導(dǎo)致在多空濾板上沉積，沉積到一定程度影響熔體通過(guò)，造成熔體擠出不均勻。2#，3#及5#螺桿組合的塑化良好且熔體擠出均勻。

表2　5種不同螺桿組合對(duì)GF增強(qiáng)PET/PBT共混物擠出工藝的影響

2.2對(duì)GF長(zhǎng)度及分散效果的影響

圖1為5種不同螺桿組合對(duì)GF增強(qiáng)PET/ PBT共混物中GF長(zhǎng)度及分散效果的影響。

圖1　5種不同螺桿組合對(duì)GF增強(qiáng)PET/PBT共混物中GF長(zhǎng)度及分散效果的影響

由圖1可見(jiàn)，采用1#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中的GF分散不好，有大量成束的未完全分散的GF存在，這與1#螺桿組合的樹(shù)脂塑化不好有關(guān)。塑化不好的樹(shù)脂黏度較高，對(duì)GF的浸潤(rùn)性不好；采用2#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中的GF分散較好，且長(zhǎng)度適中；采用3#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中有大量被切的很短、很細(xì)碎的GF存在。這是由于90°剪切塊對(duì)GF強(qiáng)的剪切作用導(dǎo)致的；采用4#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中有很多長(zhǎng)度接近0.8 mm的GF，說(shuō)明4#螺桿組合對(duì)GF的剪切較弱，導(dǎo)致大量長(zhǎng)GF的存在，另外GF的分散效果差，有未分散的成束GF存在；采用5#螺桿組合，擠出產(chǎn)物中GF長(zhǎng)度基本在0.3～0.5 mm，GF長(zhǎng)度適中且長(zhǎng)度分布比較均勻。

2.3對(duì)力學(xué)性能的影響

表3列出了5種不同螺桿組合的GF增強(qiáng)PET /PBT共混產(chǎn)物的力學(xué)性能。

表3　5種不同螺桿組合的GF增強(qiáng)PET/PBT共混物的力學(xué)性能

對(duì)于增強(qiáng)級(jí)的工程塑料，GF長(zhǎng)度及分布對(duì)產(chǎn)物的力學(xué)性能有關(guān)鍵性的影響。另外，影響增強(qiáng)材料的另一個(gè)重要因素是樹(shù)脂的塑化狀況，從加GF口可以大致判斷生產(chǎn)過(guò)程中樹(shù)脂的塑化狀況，需要說(shuō)明的是，塑化不良將導(dǎo)致樹(shù)脂與增強(qiáng)GF的弱結(jié)合，對(duì)最終增強(qiáng)共混產(chǎn)物的性能產(chǎn)生影響，但是過(guò)強(qiáng)的剪切塑化，將導(dǎo)致樹(shù)脂分子量的降解斷鏈，分子量降低，最終也會(huì)降低產(chǎn)物的各項(xiàng)性能，而平行雙螺桿擠出機(jī)的螺桿組合方式，尤其是塑化段和剪切段的螺桿組合方式對(duì)上述狀況都有重要的影響，最終也會(huì)反映到產(chǎn)物的性能上。

對(duì)比表3中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，1#螺桿組合制備的材料各項(xiàng)力學(xué)性能均較低，這主要是由于樹(shù)脂塑化不良，樹(shù)脂對(duì)GF浸漬效果不好，GF-樹(shù)脂界面的粘接強(qiáng)度不高，所以材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及彎曲彈性模量和懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度都不高。這可能是因?yàn)椴牧显诟邷叵?，粘接?qiáng)度不高導(dǎo)致GF較容易滑移造成的。

由GF進(jìn)料口可觀(guān)察到，經(jīng)過(guò)塑化段的剪切塑化后，2#螺桿組合對(duì)樹(shù)脂的剪切塑化是充分的，不但沒(méi)有未塑化的樹(shù)脂顆粒存在，而且熔體黏度也很低，這對(duì)于GF浸潤(rùn)是有利的。但是由表3可以看到，制備產(chǎn)物的力學(xué)性能也不高，甚至不及1#螺桿組合的塑化不良產(chǎn)物的高。這是由于2#螺桿組合塑化段末端有一段90°剪切塊，90°剪切塊是剪切塑化能力最強(qiáng)的剪切方式，這種剪切方式對(duì)物料沒(méi)有輸送作用，只有強(qiáng)力剪切作用，容易造成塑化過(guò)度，樹(shù)脂分子斷裂降解嚴(yán)重，分子量降低，材料性能劣化。

3#螺桿組合將2#螺桿組合塑化段中的90°剪切塊改為反向45°剪切塊，具有適中的剪切塑化。但由于剪切段中90°剪切塊的存在，造成對(duì)GF的強(qiáng)力剪切，導(dǎo)致GF平均長(zhǎng)度過(guò)短，過(guò)短的GF長(zhǎng)度造成材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及彎曲彈性模量都較低。由于90°剪切塊的強(qiáng)力剪切，GF長(zhǎng)度分布更均勻，故3#螺桿組合制備的產(chǎn)物懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度較高。

4#螺桿組合具有與3#螺桿組合相同的塑化段螺桿排布方式，所以對(duì)樹(shù)脂的剪切塑化適中，將剪切段中的90°剪切塊拿掉后，對(duì)GF的剪切大大減弱，GF長(zhǎng)度大大提高，制備的材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及彎曲彈性模量都得到提高，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度也較高，但擠出造粒過(guò)程的工藝性不好，經(jīng)常出現(xiàn)頻繁堵機(jī)頭，擠出工藝不暢，分析原因發(fā)現(xiàn)，堵機(jī)頭的現(xiàn)象是過(guò)長(zhǎng)的GF在分流板上沉積造成的，這說(shuō)明4#螺桿組合方式剪切段對(duì)GF的剪切強(qiáng)度不夠，所以也不可取。

5#螺桿組合具有與3#螺桿組合相同的塑化段螺桿排布方式，所以對(duì)樹(shù)脂的剪切塑化適中，對(duì)于剪切段的排布方式，5#螺桿組合在4#螺桿組合基礎(chǔ)上，在剪切段中增加了1段弱剪切塊（45°/5/56），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5#螺桿組合具備適中的剪切塑化及適中的GF長(zhǎng)度，制備的共混物的綜合性能都較高，且工藝性好，熔體擠出均勻流暢，是最優(yōu)的螺桿組合方式。

2.4對(duì)熱性能的影響

表4列出了5種不同螺桿組合的GF增強(qiáng)PET /PBT共混物的熱變形溫度。

表4　5種不同螺桿組合的GF增強(qiáng)PET/PBT共混物的熱變形溫度

對(duì)比表3中的數(shù)據(jù)可以看出，1#螺桿組合制備的GF增強(qiáng)PET/PBT共混物的熱變形溫度較低。這是因?yàn)闃?shù)脂在塑化段的塑化不良，GF浸潤(rùn)不充分且分散不好，GF-樹(shù)脂界面強(qiáng)度不高，從而導(dǎo)致共混物的熱變形溫度降低。2#螺桿組合對(duì)樹(shù)脂的塑化過(guò)度，樹(shù)脂分子斷裂降解嚴(yán)重，分子量降低，材料性能劣化，同樣導(dǎo)致共混物的熱變形溫度降低。3#螺桿組合的擠出共混物具有最高的熱變形溫度，由2.3節(jié)的分析可知，3#螺桿組合具有適中的剪切塑化，對(duì)增強(qiáng)GF剪切能力強(qiáng)，GF在樹(shù)脂中的分散更好且GF長(zhǎng)度分布更均勻，但GF的平均長(zhǎng)度更低，說(shuō)明熱變形溫度高低與GF長(zhǎng)度分布均勻性及其在樹(shù)脂中的分散程度關(guān)系更密切。4#螺桿組合擠出共混物的熱變形溫度比3#螺桿組合有所降低，這與4#螺桿組合方式剪切段GF剪切分散強(qiáng)度不夠，GF在樹(shù)脂中分散不好有關(guān)。5#螺桿組合具備適中的剪切塑化及適中的GF長(zhǎng)度，制備的共混物的熱變形溫度較高。

3　結(jié)論

（1）采用雙螺桿擠出機(jī)制備GF增強(qiáng)PET/PBT共混物，螺桿組合方式對(duì)擠出工藝有重要影響，采用合理的螺桿組合可獲得對(duì)基體樹(shù)脂適中的剪切塑化強(qiáng)度和GF長(zhǎng)度及良好的GF分散，從而保證擠出過(guò)程的順利進(jìn)行。

（2）螺桿組合方式對(duì)GF增強(qiáng)PET/PBT共混物的力學(xué)及熱性能有重要的影響，采用合理的螺桿組合可獲得綜合力學(xué)及熱性能最佳的GF增強(qiáng)PET /PBT共混物。

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Influence of Screw Assemble on Properties of GF Reinforced PET/PBT Blends

Wang Jianguo1， Liang Xiuli1， Sun Dong2
（1. CNGC Institute 53， Jinan 250031， China；2. Yuyao Institute of China North Material Science and Engineering Technology Group Corporation， Yuyao 315400， China）

Glass fiber （GF） reinforced poly（ethylene terephthalate） （PET）/poly（butylene terephthalate） （PBT） blends were prepared by melting blend method using a co-rotating parallel twin screw extruder. On the basis of same ratio of components and same process conditions，the influences of different screw assembles on the extruding process，GF length and its dispersion degree were studied，and then the influences of different screw assembles on the properties of the GF reinforced PBT/PET blends were also studied. A type of screw assemble suited to the production of the GF reinforced PET/PBT blend was presented. It is found that，using this type of screw assemble，the production of the GF reinforced PET/PBT blend is smoothly and the products have the best properties.

co-rotating parallel twin screw extruder；screw assemble；glass fiber；poly（ethylene terephthalate）；poly（butylene terephthalate）；blend；property

TQ327.1

A

1001-3539（2016）02-0057-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.02.011

聯(lián)系人：王建國(guó)，博士，高級(jí)工程師，主要從事高性能工程塑料及高分子雜化材料的研究工作

2015-11-30