玻璃纤维增强聚碳酸酯研究

1、 玻璃纤维增强聚碳酸酯 汪金桥2005-10-08 前前 言言 聚碳酸酯（polycarbonate）是指分子链中含有碳酸酯基化合物的总称.通常可以根据其基团的不同分为脂肪族、脂肪族芳香族和芳香族等聚碳酸酯，由于生产工艺简单,且综合性能优越.所以生产工艺以双酚A型PC( polycarbonate of bisphenol A )为主.PC的熔融温度为280310,热分解温度400,透明且冲击性能好的非结晶型工程塑料.在没有特殊指明的情况下,一般塑料工业上所称的聚碳酸酯就是双酚A型.PC是于1958年由德国拜尔公司（BAYER）实现工业化生产,两年后美国的通用公司（GE）也建成了一条PC生产线

2、,此后.PC工业得到了很快的发展。 PC是一种综合性能优越的工程塑料,具有优异的冲击性能,尺寸稳定,电气绝运输、仪表及电器照明等领域.但是它存在一些严重的缺点.如：加工性能差、容易应力开裂,耐缺口比较敏感以及耐磨性欠佳.耐化学药品性差等.对PC进行改性是为了弥补其性能上的不足,实现高性能化,降低生产成本,拓宽应用领域的有效途径.PC的改性主要途径有：PC与其它的聚合物进行共混、PC与无机填料的共混改性。1、将PC与其它的聚合物进行共混.这是目前研究得最多,运用领域最广泛的方法,国内外研究者在这方面进行了广泛的研究并取得了很多的研究成果.一大批性能优良的PC共混物已投入市场中并得以了运用.其主要

3、的有：PC/ABS,PC/PS,PC/PBT,PC/PET,PC/SMA,PC/LCP,PC/PO等，但是都主要是其有机共混实现的。 2.PC与无机填料的共混改性 1. 作为PC的增强材料的无机填料有诸如：玻璃纤维、碳纤维、各种晶石、滑石、云母、玻璃微珠、磨碎纤维、玻璃鳞片等。 2.玻璃纤维长丝是将玻璃球或是碎玻璃熔融后拉丝而成.玻璃纤维一般直径为六微米到十微米.这样细的玻璃丝大大的减少了原来存在于玻璃中的微裂纹数目因而强度明显提高.用作高聚物填料的玻璃纤维通常分为有碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维.前者主要是钙钠硅酸盐,后者主要是铝硼硅酸盐 有碱玻璃纤维来源广,成本低,耐酸性较好.主要缺点是与水分接

4、触易于发生水介作用. Na Na2 2SiOSiO3 3 + 2H + 2H2 2O 2NaOH + HO 2NaOH + H2 2SiOSiO3 3 析出的碱又与空气中的二氧化碳发生作用： 2NaOH + CO2NaOH + CO2 2 Na Na2 2COCO3 3 + H + H2 2O O 这叫风化,它会导致玻璃纤维的性能下降.所以有碱玻璃纤维的耐水性和电绝缘性能较差.机械性能也比无碱的低百分之一二十.为此,有碱玻璃纤维适宜制取强度不是很高以及耐酸的玻璃钢制品. 无碱玻璃纤维耐水性、强度及电性能较好,但成本高,故用于生产强度要求高的或电绝缘性玻璃钢制品. 无碱玻璃纤维比有碱纤维具有抗拉

5、伸高,弹性模量大,耐热性和电绝缘性好.不燃,无毒,耐化学腐蚀,尺寸稳定好及易得、价格低等优点.由于它的这些优点.通常在PC中加入玻璃纤维进行增强 日本三菱塑料技术中心采用玻璃纤维、玻璃鳞片等对增强聚碳酸酯进行了研究。 玻璃纤维一般采用短切纱（代号CS）,通常把直径为10微米左右的连续玻璃纤维切割成长度为34毫米使用.再增强塑料成型过程中,CS进一步粉碎达到数百微米分布于PC中.由于CS本身长径比（纤维长度比纤维直径）比较大所以增强后的PC造成各向异性.后来他们又用玻璃微珠（GB）代替对该缺点进行改善.GB是直径为数十微米的球状颗粒.长径比为1,它能够改善增强PC的各向异性,但对塑料的增强效果不

6、大.还选用了磨碎纤维（MF）,该产品长径比为几到十左右.处于CS和GB之间,其得到的增强效果也居于中间.为了适合增强性能的需要,也可以采用单一CS、也可选用CS、MF或CS、GB等两种混杂增强.这样既可达到一定的增强效果,又可以实现各向异性.实验结果认为选用长径比为79可以达到该效果.最近他们又用玻璃鳞片（GFL）增强PC.采用一定量的GFL和不同量的CS对PC进行增强,最终得到产品 的性能如拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量等都随CS的含量的增加而提高,也很好的改善了各向异性,PC的物理性能得到了改善,其电性能,耐化学腐蚀性没有什么变化。而线膨胀系数、成型收缩率则随CS的增加而降低。该方法对增强P

7、C或其它增强塑料的应用开辟了新路。 增强的聚碳酸酯广泛用于机械,仪表,电气等行业.特别是在强度,耐热性以及精密度要求较高的情况下,在很多的场合下用来取代传统使用的热固性塑料以及铜、铝、锌等有色金属.然而它的耐揉折性差、易损；表面光滑不易被高聚物粘附.此外,在生产过程中对生产者的呼吸器官及皮肤均有刺激作用。 材料选择 1. PC的选择：据熔融指数进行选择，保证更好的流动性 加入GF类的无机填充物,势必会对材料的流动性造成较大的影响,因此要求材料又必须具有良好的流动性,以使产品能注饱,同时又可以保持较强的结合线强度.因此,PC原料选择高流动性，有利于我们的成型加工。 2. GF的选择：短纤与树脂分

8、散混合均匀,容易塑化,熔体流动性好 用双螺杆挤出机将GF和PC共混挤出造粒 成型机测试 只对产品的力学及热学性能进行测试 成型条件： 温度射出速度射出压力喷嘴 65% 10% 45第一段280 13 % 51第二段275 12 % 53第三段268 8 % 50 的成型条件 温度射出速度射出压力喷嘴 70% 15%50第一段 290 20%55第二段282 22%56第三段275 18%54GF含量对冲击强度和比重的影响010203040506070809001020304050GF的含量%冲击强度值kg-cm/cm11.11.21.31.41.51.601020304050GF的含量%材料的

9、比重(对水) 根据图可以看出 ：当玻璃纤维的加入,材料的冲击强度明显降低,当加入量为10%的时候,冲击强度仅为10,发生了很大的变化,并且只有原来的百分之十几.可见 用玻璃纤维来增强材料PC过程中,冲击强度具有很高的敏感性.当加入了以后随着玻璃纤维的增加材料的冲击性能没有多大的变化而还有一定的增长现象.由此可以说明在用玻璃纤维增强聚碳酸酯材料.要考虑材料冲击强度的变化是否达到材料的基本要求. 还可以看出：增强材料的比重是随着玻璃纤维的加入量增加而增加的,可以得出结论为；玻璃纤维的比重比PC 大.其基本满足： D 1 D1 + 2 D2 其本成线性增加。拉伸强度及伸长率测试02004006008

10、00100012001400160001020304050GF的含量 %拉伸强度值 kgf/cm02040608010012014001020304050GF的含量 %拉伸率 % 玻璃纤维的加入量为10%时,材料的拉伸强度并没有很大的改善,由550kgf/cm2升至660kgf/cm2.而当加入量为20%的时候有了质的飞跃,达到了1100 kgf/cm2.继续 加入玻璃纤维,材料的拉伸强度,没有明显的变化.可见当玻璃纤维加入为20%时对拉伸强度的影响最敏感. 可以看出来的是,玻璃纤维的加入对拉伸率的影响和对拉伸强度的影响不同,当加入了10%,拉伸率急剧下降,降到原来的百分之十多.随着加入量的增

11、加,拉伸率继续下降, 加入量20以后,变化幅度很小,几乎不发生变化.由此可得出当增加玻璃纤维的拉伸强度的时候,选用20%为宜。含量和弯曲强度、模量的关系弯曲强度是随着玻璃纤维的含量增加而增加的.在加入量为较少的时候 ,该强度的变化不是很大.当玻璃纤维的含量达到30%的时候有了值的飞跃.即也是一个突跃过程.由1300kgf/cm2上升到了1800kgf/cm2.在加入量不断增加,它的增长速度变慢.几乎将趋向于平稳过程.图6可以看出弯曲模量和弯曲强度相似.也是在前面加入量较少的时候变化不太大.当玻璃纤维的含量达到30%的时候有了值的飞跃,由55000kgf/cm2上升到5000kgf/cm2.以后

12、也趋向于平稳.由此可以得出：在为了改善材料PC的刚性的时候 ,玻璃纤维加入量为30%以上较好.含量和HDT（热变形温度）关系50709011013015017001020304050GF的含量 %HDT C 当加入了玻璃纤维以后,增强材料的耐热性没有很大的变化.至少不会出现有降低的趋势.在PC的改性过程中,对耐热性的考虑也非常重要.因为当今塑料行业中,解决材料的使用温度范围很重要.这种耐热性不好是塑料不能在很多行业代替金属的根本原因.用玻璃纤维来对PC的改性不会影响热变形温度.反而有一定的增强作用.得出结论为；玻璃纤维对PC的增强不影响材料的使用温度.成型的常见问题及改善： 对PC 而言：1） 制品内部有气泡 2） 制品有凹陷,也就是充模不饱 对PC+GF而言：1）制品表面出现大量的浮纤 2）制品的棱角上有毛边生成基本的改善方法：PC 1） 增加射出压力可以改善