ACR改性PC/PLA共混合金及性能研究

王涛，沈钦珍，郑燕，林润雄

(青岛科技大学高性能聚合物研究院，山东 青岛 266042)

聚碳酸酯（PC），是一种主链上带有碳酸酯键的无定型聚合物，是五大工程塑料之一，具有韧性好、冲击强度高、使用的温度范围广、成型收缩率低、透明度高、无毒无味等优点，无论是在日常生活中还是在某些有特殊需求的领域都有涉及。但是聚碳酸酯的熔体黏度高，导致其加工流动性较差，不仅给挤出过程带来困难，还容易造成挤出机的堵塞。由聚碳酸酯制得的产品缺口敏感，容易应力开裂，影响最终产品的使用。并且聚碳酸酯不可降解，废弃之后对生态环境的负担较大[1～2]。

聚乳酸（PLA），也称聚丙交酯，属线性脂肪族热塑性聚酯，因其本身具有优良的生物相容性和可完全生物降解的特性，得到越来越多的重视。作为一种环境友好型材料，PLA来源于玉米等农作物，可完全降解，降解产物是CO2和H2O，对环境完全无害，另一方面聚乳酸与生物体的组织器官相容性良好，所以在很多领域尤其是医学上得到广泛应用。并且生产聚乳酸所需的能耗低，不同于其他的热塑性树脂，聚乳酸在180℃的条件下就能从挤出机的机头挤出。但其性脆、断裂伸长率低、耐热性差、生产成本高等缺点限制了PLA的发展前景[3～4]。

把耐热性、韧性均优异的聚碳酸酯和具有生物可降解性的聚乳酸进行共混，不仅赋予了聚碳酸酯生物降解性，而且也拓宽了聚乳酸的应用范围。但是聚碳酸酯和聚乳酸的相容性不好，需要进行改善。通常采用的方法是在共混挤出时添加增韧剂，具有代表性的增韧剂是丙烯酸类树脂（ACR），ACR的加入在提高了PC/PLA合金的相容性的同时，也使合金的力学性能和加工性能得到提高。

1 实验部分

1.1 原材料

PC，台湾奇美实业股份有限公司；PLA，博立生物材料有限公司；ACR-61，瑞丰高分子材料有限公司；ACR-401，瑞丰高分子材料有限公司；ABS-181，奇美实业。

1.2 实验设备

双螺杆挤出机（SHJ-30），南京杰思特机电公司；注塑机（F2V-130），东华机械公司；洛氏硬度计（XHR-150），上海材料试验机厂；拉伸强度测试仪（GT-TCS-2000），高铁科技股份有限公司；弯曲强度测试仪（GT-TCS-2000），高铁科技股份有限公司；冲击强度测试仪（GT-7045-HDH），高铁科技股份有限公司；熔融指数仪（GT-7100-MⅠ），高铁检测仪器有限公司；负载热变形温度测定仪（GTHV2000A-C6W），高铁科技股份有限公司。

1.3 样品制备

首先将需要用到的原料PC 、PLA、ACR-61、ACR-401、ABS-181分别在烘箱中80℃干燥12 h，然后按照事先拟好的配方进行配料：分别称取PC900 g，PLA100 g各7份混合装入密封袋中备用，留出1份不添加相容剂的PC/PLA样品，再依次称取20 g、40 g、60 g、80 g的ACR-61，60 g的ACR-401，60 g的ABS-181分别装入6份待用的PC/PLA样品中摇晃均匀，编号。混合均匀后经过双螺杆挤出机（挤出温度从200℃～225℃每5℃递增）进行熔融共混改性、造粒，并将得到的物料颗粒干燥后注塑成标准样条。（注塑温度从210℃上升到230℃，注塑最大压力设定为75 MPa，注塑最大速度设置为80%）

1.4 性能测试

拉伸强度测试：采用哑铃型标准试样，试验温度为室温，每组5条，拉伸速率20 mm/min，单位MPa。试验标准：GB/T 1040.2—2006。

弯曲性能测试：试验温度为室温，每组5条，单位MPa。试验标准：GB/T 9341—2008。

缺口冲击性能的测试：试验温度为室温，每组5条，缺口深度2 mm，单位kJ/m2。样条规格：80 mm×8 mm×4 mm。试验标准：GB/T1843—2008。

洛氏硬度：XHR-150型塑料洛氏硬度计，每组5个。试验标准：GB/T230.2—2012。

溶体流动速率测试：测试温度220℃，负荷10 kg，按时间称取流出的质量，单位g/10 min。试验标准 ：GB/T3682—2000。

维卡软化温度测试：高速铁检验公司生产的GT HV2000A-C5W型维卡变形测试仪。样品规格：10 mm×10 mm×4 mm，每个样品不少于3份。试验标准：GB/T 1633—2000。

2 数据结果及讨论

2.1 ACR-61用量对PC/PLA合金拉伸性能的影响

从图1可以看出，随ACR-61用量的增加，PC/PLA合金的断裂伸长率增加明显，拉伸强度有小幅下降，表明ACR-61能显著提高PC/PLA合金的延展性能的同时又不太影响合金的强度，这是ACR-61对PC/PLA合金增韧的直接表现。但是，随着ACR-61含量的进一步提高，合金的断裂伸长率又逐渐降低，所以ACR-61的用量不宜过高，在4%左右为宜。

2.2 ACR-61用量对PC/PLA合金弯曲性能的影响

图1 ACR-61用量对拉伸性能的影响

弯曲强度的大小反映了材料抵抗弯曲应力而发生变形的能力，主要和分子链的柔顺性有关。从图2可以发现，随着ACR含量的增加，PC/PLA合金的弯曲强度和弯曲模量曲线呈现出逐渐降低的趋势，不过降低的幅度并不大，并不影响其实际使用。合金弯曲强度和弯曲模量降低的主要是ACR的增韧效果造成的，与拉伸强度降低的原因一样。

图2 ACR-61用量对弯曲性能的影响

2.3 ACR-61用量对PC/PLA合金缺口冲击强度的影响

从图3可以看出：ACR-61的加入能够在一定范围内明显提高PC/PLA合金的缺口冲击强度，当ACR-61的加入量在 4%的时候，冲击强度提高的程度最大；当加入量大于4%时则缺口冲击强度下降。ACR-61用量对合金冲击强度的影响和对合金断裂伸长率的影响非常一致，主要原因是：ACR-61的增韧机理跟其结构有关，起到增韧效果的是其核层，即聚丙烯酸丁酯橡胶层，增韧的机理和橡胶增韧塑料的机理一样，为多重银纹化-剪切带理论。裂纹产生时，由于ACR-61的存在能吸收大部分冲击产生的能量，并形成银纹和剪切带阻止裂纹进一步扩展而导致材料的断裂，所以ACR-61的加入能够明显提高合金的冲击强度和断裂伸长率。但是，ACR-61的用量过多，会出现团聚现象，以小球的形式分散在PC中，使合金呈现两相结构，在力学性能上就表现为冲击强度和断裂伸长率的下降。

图3 ACR-61用量对冲击强度的影响

2.4 ACR-61用量对PC/PLA合金硬度的影响

从图4可以看出，由于ACR-61的增韧作用，随着其含量的增加，PC/PLA合金的洛氏硬度值略有降低，但是降低的非常少，这种硬度上的微小变化并不会对合金性能造成影响。

图4 ACR-61用量对硬度的影响

2.5 ACR-61用量对PC/PLA合金溶体流动速率的影响

熔体流动速率，原称熔融指数，其定义为：在规定条件下，一定时间内挤出的热塑性物料的量，也即熔体每10 min通过标准口模毛细管的质量，用MFR表示，单位为g/10 min。其测试方法是先让PC/PLA合金粒料在一定时间（10 min）内、一定温度及压力（各种材料标准不同）下，融化成塑料流体，然后通过一直径为2.095 mm圆管所流出的克（g）数。其值越大，表示该塑胶材料的加工流动性越佳，反之则越差。

图5 ACR-61用量对溶体流动速率的影响

由于PC的熔融温度高，加工过程中容易出现流动性差挤出困难的现象，让PC与PLA共混来改善PC的加工性能，但两者间的相容性不好，所以需要加入相容剂来提高相容性。从图5可以看出随着ACR-61用量的增加，PC/PLA合金体系的熔融指数增大明显，当ACR-61的含量达到6%时，熔融指数也达到最大。这就说明，ACR-61对PC/PLA合金体系起到增韧作用，它能提高两者间的相容性，使得PLA改善PC加工流动的效果更加明显。本次实验中PC/PLA的比例为90/10，PLA所占的比例小，所以熔融指数上升不多，继续增加PLA的比例能使PC的加工流动性得到更大的改善，但同时会造成力学性能方面的损失。

2.6 ACR-61用量对PC/PLA合金维卡软化温度的影响

维卡软化温度是指将热塑性塑料放于液体传热介质中，在一定的负荷和一定的等速升温条件下，试样被1 mm2的压针头压入1 mm时的温度。维卡软化温度越高，表明材料受热时的尺寸稳定性越好，热变形越小，即耐热变形能力越好，刚性越大，模量越高。PLA 的热变形温度很低，大约只有 55℃左右；PC 的耐热性很好，热变形温度在 140℃左右。通过两者共混后，复合材料的耐热性得到改善，这使得 PLA 的应用范围增加。随着ACR-61的加入，PC/PLA合金的维卡软化温度变化并不大，这说明ACR-61在改善PC/PLA合金的加工流动性的同时，并没有降低材料的耐热性能。

图6 ACR-61用量对维卡软化温度的影响

2.7 ACR-61、ACR-401、ABS-181 对PC/PLA合金的增韧效果比较

从表1中的数据可以看出ACR-61和ACR-401对PC/PLA合金具有相近的增韧效果，添加了ACR-61的样品，其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和硬度稍低于添加了ACR-401的样品，但其断裂伸长率和缺口冲击强度稍高。从样条的外观上看，添加了ACR-401的样品颜色洁白，而添加了ACR-61的样品轻微的泛黄。ABS-181对PC/PLA合金的增韧效果比较差，各项力学性能都不如ACR-61和ACR-401。

3 结论

（1）ACR-61能够显著提升PC/PLA（90:10）合金的断裂伸长率和冲击强度，表明了PC和PLA的相容性得到改善，PC/PLA合金的韧性提高，并且在ACR-61加入量为合金质量的4%时达到最优。

表1 三种增韧剂的效果比较

（2）ACR-61能够显著提升PC/PLA合金的加工流动性，并且在ACR-61加入量为合金质量的6%时达到最优。

（3）ACR-61和ACR-401对PC/PLA合金都能起到良好的增韧效果，而ABS-181的增韧效果比较差。