湿热老化对聚碳酸酯性能的影响

第１５期 收稿日期：２０１９－０６－１９作者简介：张艳君（１９８０—），女，山东聊城人，硕士研究生，从事新材料技术研发。

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）
摘要：在温度８５℃、湿度８５％条件下，分别对聚碳酸酯（ＰＣ）粒料和ＰＣ注塑样件进行老化试验，研究了湿热老化后ＰＣ结构性能的变化。

结果表明，在水和热的作用下ＰＣ熔融指数升高，断裂伸长率和冲击强度有所降低，但ＰＣ整体性能变化不大；当ＰＣ成型后的制品局部存在缺陷或应力集中时，在湿热环境下冲击性能下降较快。

关键词：聚碳酸酯；湿热老化；力学性能中图分类号：ＴＱ３２３．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）１５－００２７－０３
ＥｆｆｅｃｔｏｆＤａｍｐ－ｈｅａｔＡｇｉｎｇｏｎＰｒｏｐｅｒｔｙａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ
ＺｈａｎｇＹａｎｊｕｎ，ＢｉＪｉｎｇｌｉ，ＺｈａｎｇＣｈａｏ，ＺｈａｎｇＷｅｉ
（ＬｕｘｉＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ　２５２０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＣｇｒａｎｕｌａｒａｎｄＰＣｉｎｊｅｃｔｉｏｎＳｐｌｉｎｅｄｕｒｉｎｇｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｇｉｎｇｔｅｓｔａｔ８５℃，８５％，ｈａｓｂｅｅｎｅｖａｌｕａｔｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｍｅｌｔｉｎｄｅｘｏｆＰＣｅｎｌａｒｇｅｄ，ａｎｄｅｌｏｎｇａｔｉｏｎａｔｂｒｅａｋａｎｄｉｍｐａｃｔｓｔｒｅｎｇｔｈｌｏｗｅｒｅｄ．ＨｏｗｅｖｅｒＯｖｅｒａｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＣｈａｖｅｌｉｔｔｌｅｃｈａｎｇｅ．Ａｔｔｈｅｈｕｍｉｄａｎｄｔｈｅｒｍａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＴｈｅｉｍｐａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆＰＣｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｓｄｅｃｌｉｎｅｄｒａｐｉｄｌｙｗｈｅｎｌｏｃａｌｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓｅｘｉｓｔｄｅｆｅｃｔｏｒｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ｄａｍｐ－ｈｅａｔａｇｉｎｇ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ 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Ｐ
Ｃ颗粒在１２０℃条件下干燥４ｈ，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、４００ｈ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２４ｈ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５０ｍｍ／ｍｉｎ，弯曲速率２ｍｍ／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
·
７２·张艳君，等：湿热老化对聚碳酸酯性能的影响
山　东　化　工
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Ｃ３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Ｃ３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４００ｈ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Ｃ３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
·
８２·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第４８卷
　第１５期 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、Ｃ３个ＰＣ样品经过１００ｈ老化后冲击强度急剧下降，保留率分别为３４．５２％、３９．１９％、３８．３５％。

３００ｈ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、Ｃ３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４００ｈ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１００ｈ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Ｐ
Ｃ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。

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酸酯性能的影响［
Ｊ］．山东化工，２０１９，４８（１５）：２７－２９．檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏
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９２·张艳君，等：湿热老化对聚碳酸酯性能的影响。