湿热老化对聚碳酸酯性能的影响

张艳君，毕静利，张 超，张 伟

(鲁西集团有限公司，山东 聊城 252211)

聚碳酸酯(PC)因其结构中包含了柔性的碳酸酯链与刚性的苯环，从而具有优良的耐抗冲击性、高透光性、耐疲劳性、加工尺寸稳定性、阻燃性和高低温性，可在-60～120℃下长期使用。PC主要应用于电子电器、汽车、航空、建筑、医疗卫生等领域，是国民经济快速发展必备的高性能材料。然而PC抗疲劳强度差、表面硬度低、耐溶剂性差，且在实际使用中又会受到热、光、水、应力等外部环境因素的作用，诱发其老化，从而导致综合性能下降。考察在这些环境因素综合作用下老化失效机理[1-3]及规律，对拓宽PC应用领域有着重要的意义[4-5]。国内外对其老化失效机理及规律进行过许多研究[6-10]，主要从热空气老化[7]、热水蒸煮[8,10]、紫外线照射老化[9]、氙灯照射老化、辐射老化[11]、自然环境下老化[12-13]等方面研究材料冲击性能、断面形貌、红外光谱等。本文将进一步研究一定湿度和温度下PC降解机理、性能变化情况。

1 实验部分

1.1 试样制备和湿热老化试验

PC分别采用韩国LG公司1200-10(A)、日本帝人化成1225Y(B)、鲁西集团PC(C)颗粒，3个颗粒试样均为同类型颗粒。将PC颗粒在120℃条件下干燥4 h，然后采用注射成型机(MA860/260G，海天注塑机集团有限公司) 制成标准样条，注塑温度260、280、270、260、240℃，模具温度50℃；将粒料和样条置于湿热老化试验箱内(GSJ-100B，上海苏盈试验仪器有限公司)，在温度85℃、湿度85%条件下分别老化100、200、300、400 h试验。

1.2 性能测试和结构表征

粒料按照GB/T3682，采用熔融指数测试仪(GT-7100-M1，高铁检测仪器有限公司)测试熔融指数。注塑样条按GB2918要求在测试环境下存放24 h后，按GB/T1040、GB/T9341，用万能试验机(TCS-2000，高铁检测仪器有限公司)测试拉伸性能和弯曲性能，拉伸速率50 mm/min，弯曲速率2 mm/min；试样断面喷金后，在扫描电子显微镜(sigmar-500，德国蔡司公司) 上观察。

2 结果与讨论

2.1 PC粒料湿热老化

2.1.1 湿热老化后熔融指数变化

图1 3个PC样品熔融指数随湿热老化时间变化关系 图2 3个PC样品相对分子质量随湿热老化时间变化关系

湿热老化后的颗粒干燥后进行熔融指数和相对分子质量的测定，从测定结果(如图1)可以看出，A、B和C 3个PC样品熔融指数都随着湿热老化时间的延长逐渐地增大，其中帝人PC熔融指数升高最大；而A、B和C 3个PC样品相对分子质量Mw随着湿热老化时间的延长逐渐地减小，分别减小3.99%、3.86%、3.96%，降低幅度相差较小。熔融指数的变化反应出PC平均相对分子质量高低，熔融指数升高，平均相对分子质量降低，PC发生降解。在湿热老化过程中，PC受到热、氧、水分子共同作用，PC中酯基发生水解或端基断裂导致分子链断裂，相对分子质量降低。

2.1.2 PC颗粒湿热老化后力学性能变化

图3 不同老化时间下3个PC样品粒料力学性能变化

图3是PC颗粒经过400 h湿热老化后拉伸性能变化。可以看出，相对于湿热老化前的力学性能，在85℃、85%湿度条件下老化后，A、B和C 3个PC样品冲击强度、断裂伸长率、屈服强度及弯曲强度都显示共同趋势，即冲击强度降低、断裂伸长率减小、拉伸屈服强度和弯曲强度变化不大，如图3(a)、(b)、(c)(d)中，PC韧性有所降低但整体性能变化不大；三家冲击强度保留率分别为94.7%、97.9%、97.20%，降低程度不大，且冲击样条为韧性断裂[14]，这说明PC在湿热条件下粒子表面分子会发生部分降解，对整体宏观性能没有造成较大的影响。

2.2 PC注塑成型样件湿热老化行为

2.2.1 注塑成型样件老化后的力学性能变化

图4 不同老化时间下3个PC样品注塑样条力学性能变化

相同老化条件下，注塑成型缺口样条冲击强度的变化与颗粒不同，A、B、C 3个PC样品经过100 h老化后冲击强度急剧下降，保留率分别为34.52%、39.19%、38.35%。300 h后冲击强度性能失效。注塑冲击样条缺口部位为样条应力比较集中的部位，在热、氧、水分子作用下更易发生降解产生微裂纹，对材料破坏性较大，致使冲击强度急剧下降。

将注塑后的A、B、C 3个PC样品拉伸样条和弯曲样条在相同条件下老化后进行检测，发现力学性能与粒料的检测变化趋势一致，如图4 (a)、(b)、(c)(d)，断裂伸长率降低，拉伸屈服强度和弯曲强度没有明显变化。

2.2.2 缺口冲击样条冲击断面形貌

图5 冲击样条断面扫描图

SEM照片显示了PC湿热老化前后冲击断面的差异性。图5(a)显示了PC老化前断面形貌，为典型的塑性变形，在受到冲击力情况下撕裂断开，沿裂纹扩展的方向产生了放射状条纹。图5(b)、(c)断口表面为典型的脆性断裂，断面粗糙，并有明显的裂纹萌生点。

3 小结

通过三家生产厂家PC湿热老化后的性能分析可以得出以下结论：

(1)PC粒料湿热老化后熔融指数升高，相对分子质量降低，不同生产厂家的变化趋势一致，差别较小。

(2)在400 h湿热老化后,3个PC样品断裂伸长率有所降低，屈服强度和弯曲强度变化不大，材料整体性能破坏性小。

(3)直接注塑PC缺口冲击样条，因缺口处应力集中，容易受到外界湿热环境的破坏，经过100 h湿热老化后，冲击强度保留率降低至34.52%、39.19%、38.35%，性能失效，从断面形貌上看为脆性断裂。而PC粒料冲击强度降低程度不大，且冲击样条为韧性断裂。

从整体上来看，PC耐湿热性能差，在湿热作用下表面分子会出现部分降解，但对整体的性能影响不大。不过当PC局部存在一定缺陷时，会加速材料局部的快速降解，降低PC韧性和强度。