CN109517113B - 一种表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热塑性高分子材料技术领域，公开了一种表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料及其制备方法与应用。本发明的聚碳酸酯复合材料表面硬度增强，且具有均衡的物理力学性能和良好的加工性能，可以应用于对聚碳酸酯材料有表面硬度要求的应用领域。本发明复合材料包含以下质量百分数的组分：聚碳酸酯基材83.2～96.4％；引发单体3～10％；引发剂0.1～0.3％；增刚填料0.1～0.5％；PE蜡0.3～3％；其他添加剂0.1～3％；聚碳酸酯基材为包含三种不同熔融指数的聚碳酸酯的混合物：高粘度聚碳酸酯MI＝3～5g/10min；中粘度聚碳酸酯MI＝8～13g/10min；低粘度聚碳酸酯MI<30g/10min。

Description

一种表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于热塑性高分子材料技术领域，特别涉及一种表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料及其制备方法与应用。本发明的聚碳酸酯复合材料表面硬度增强，且具有均衡的物理力学性能和良好的加工性能，可以应用于对聚碳酸酯材料有表面硬度要求的应用领域。
背景技术
聚碳酸酯树脂作为全球用量最大的一种工程塑料，具有优异的刚韧平衡性能、超高的透明性、良好的尺寸稳定性等特点。但是，聚碳酸酯树脂本身的表面硬度较低，测得的铅笔硬度一般为2B，作为外观材料使用时存在较大的缺陷。为了解决上述问题，通常需要在聚碳酸酯表面涂上一层高硬度涂料，以提高聚碳酸酯产品的耐刮伤性能，然而，这种方法工序复杂，操作麻烦，而且聚碳酸酯材料对化学溶剂敏感，后加工过程中容易产生开裂等不良。
通过熔融共混工艺制备同样能在一定程度上提高聚碳酸酯材料的表面硬度。CN101469121B公开了一种高光泽、高硬度、抗紫外聚碳酸酯塑料合金材料的制备方法。该方法通过熔融共混工艺在聚碳酸酯基材中加入甲基丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯类接枝橡胶以及其他填剂等能有效增加材料表面硬度的改性基材，其主要问题在于聚碳酸酯基材与甲基丙烯酸酯树脂之间相容性较差，得到材料的性能并不稳定。CN102964793B公开了一种通过在聚碳酸酯树脂中加入SMA无规共聚物实现表面硬度增加的方法。该方法得到的材料表面硬度可以达到2H级别，但是，由于SMA无规共聚物的属于硬而脆的材料，当其在基材中的添加量进一步增大时，材料的加工难度将非常大。因此，需要研发一种具有良好的物理力学性能和加工性能的表面硬度增加的聚碳酸酯树脂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料。本发明聚碳酸酯复合材料表面硬度增强，且具有均衡的物理力学性能和良好的加工性能。
本发明另一目的在于提供一种上述表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料在电子电器、航空航天、交通运输、工业控制等领域中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料，包含以下质量百分数的组分：
聚碳酸酯基材83.2～96.4％；引发单体3～10％；引发剂0.1～0.3％；增刚填料0.1～0.5％；PE蜡0.3～3％；其他添加剂0.1～3％。
本发明所选用的聚碳酸酯基材为包含三种不同熔融指数的聚碳酸酯的混合物，具体的包括：高粘度聚碳酸酯(熔融指数MI＝3～5g/10min)，中粘度聚碳酸酯(熔融指数MI＝8～13g/10min)，低粘度聚碳酸酯(熔融指数MI<30g/10min)；
上述的三种熔融指数聚碳酸酯的用量质量比为30：(55～65)：(5～15)，其中最优为30：60：10。
上述的三种不同粘度的聚碳酸酯基材的作用分别为：高粘度聚碳酸酯基材为材料提供稳定的抗冲击韧性，中粘度聚碳酸酯基材作为主要组分和过渡相增加高低粘度聚碳酸酯基材的熔体稳定性，低粘度聚碳酸酯基材为材料提供高刚性；结合三种不同粘度的基材可获得均衡的物理力学性能和良好的加工性能。
本发明所选用的引发单体主要包括三个组分：苯乙烯、过渡单体、马来酸酐。
所述的过渡单体包括丙烯甲酯和甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，优选甲基丙烯酸甲酯。
所述引发单体中，苯乙烯(St)、过渡单体(Ma)、马来酸酐(MAH)的质量百分比可以是(70～85)：5：(25～10)，其中优选为80:5:15。
所述引发单体的总体添加量为3～10wt％，其中优选为5wt％。
本发明所选用的引发剂为能够有效引发自由基聚合的引发剂即可，包括：偶氮二异丁腈、过氧化-2-乙基已酸叔丁酯、过氧化苯甲酰、过硫酸铜等，其中优选为过氧化苯甲酰。
所述引发剂的添加量优选为0.2wt％。
本发明选用具有一定粒径和刚性的无机填料作为增刚填料。所述增刚填料可以是：云母粉、硅灰石、玻璃纤维等，其中优选为硅灰石粉。
所述增刚填料的粒径范围为10～30微米，其中最优选择为20微米。
所述的PE蜡优选为科莱恩的MA4221，其最优的添加量为0.5wt％。
本发明所选用的PE蜡主要有两个方面的作用：一方面增加聚碳酸酯分子链之间的柔顺性，有利于聚碳酸酯分子链的取向排列，从而提高材料的整体刚性；另外一方面，通过相似相容原理将自由基聚合单体在材料表面富集，从而提升材料的表面刚性。
本发明所选用的其他添加剂可包括：着色剂和抗氧剂中的至少一种。
本发明还提供了一种上述表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：把聚碳酸酯基材、引发剂、增刚填料、PE蜡和其他添加剂混合均匀，加入螺杆挤出机中，引发单体通过液体注入泵在双螺杆挤出机的底八节筒体加入，经螺杆挤出机挤出造粒，得到表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料。
所述的混合均匀优选在高速搅拌机中搅拌均匀。
所述挤出造粒各段温度为230～260℃。
优选地，所述螺杆挤出机的主机螺杆转速为250～330r/min，料斗进料螺杆的转速为24～35r/min。
本发明的硬化改性的聚碳酸酯复合材料加工性能良好，物理力学性能优良，可应用于电子电器、航空航天、交通运输、工业控制等领域中。
本发明的机理为：
本发明利用利用三种不同粘度的聚碳酸酯材料的复配实现材料刚性和韧性之间的平衡；利用反应挤出工艺在材料中引入高表面硬度的苯乙烯、丙烯酸酯、马来酸酐的共聚物从而提高材料的表面硬度；通过引入刚性填料和PE蜡实现聚碳酸酯分子量的定向排列，从而提升材料的表面硬度。通过以上的改性手段，达到聚碳酸酯材料在经过表面硬度改性之后仍然能够满足均衡的物理力学性能和良好的加工性能。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明提供的表面硬化改性聚碳酸酯材料很好的保持了聚碳酸酯材料，实现了材料在物理力学性能和表面硬度之间的更好的平衡，提升了材料的应用性能；
(2)本发明的表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料较现有的PC/PMMA复合板材的加工工艺更加简便，成本更低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
下列实施例中涉及的物料均可从商业渠道获得。
以下实施例具体的加工方式是：将按下述配方称量好的物料(除引发单体外)加入到高速搅拌机中搅拌10min，然后将搅拌均匀的上述物料(引发单体通过液体注入泵在第八节筒体注入)，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共九区)：180～260℃，主机的螺杆转速为300r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min，进而将物料共混熔融挤出；上述粒条经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，注塑，得到目标材料。
实施例1
质量百分数：聚碳酸酯基材93.9％(PC1239(3MI)：PC2200(10MI)：PC1900(20MI)＝30：60：10)，引发剂0.2％，硅灰石粉(20μm)0.1％，PE蜡(MA4221)0.5％，抗氧剂(1076)0.1％，抗氧剂(168)0.2％。上述组份在高速混炼机中进行预混合之后，从双螺杆挤出机的主喂料口加入。机头压力稳定之后将5％的引发单体(St/Ma/MAH＝80/5/15)通过液体注入泵在第八节筒体定量注入，注入稳定控制在230～260℃之间。材料通过拉条、水冷、切粒、干燥得到目标产品。
实施例2
质量百分数：聚碳酸酯基材93.7％(PC1239(3MI)：PC2200(10MI)：PC1900(20MI)＝30：60：10)，引发剂0.2％，硅灰石粉(20μm)0.3％，PE蜡(MA4221)0.5％，抗氧剂(1076)0.1％，抗氧剂(168)0.2％。上述组份在高速混炼机中进行预混合之后，从双螺杆挤出机的主喂料口加入。机头压力稳定之后将5％的引发单体(St/Ma/MAH＝80/5/15)通过液体注入泵在第八节筒体定量注入，注入稳定控制在230～260℃之间。材料通过拉条、水冷、切粒、干燥得到目标产品。
实施例3
质量百分数：聚碳酸酯基材(PC1239(3MI)：PC2200(10MI)：PC1900(20MI)＝30：60：10)93.5％，引发剂0.2％，硅灰石粉(20μm)0.5％，PE蜡(MA4221)0.5％，抗氧剂(1076)0.1％，抗氧剂(168)0.2％。上述组份在高速混炼机中进行预混合之后，从双螺杆挤出机的主喂料口加入。机头压力稳定之后将5％的引发单体(St/Ma/MAH＝80/5/15)通过液体注入泵在第八节筒体定量注入，注入稳定控制在230～260℃之间。材料通过拉条、水冷、切粒、干燥得到目标产品。
实施例4
质量百分数：聚碳酸酯基材(PC1239(3MI)：PC2200(10MI)：PC1900(20MI)＝30：60：10)93.5％，引发剂0.2％，硅灰石粉(20μm)0.5％，PE蜡(MA4221)0.5％，抗氧剂(1076)0.1％，抗氧剂(168)0.2％。上述组份在高速混炼机中进行预混合之后，从双螺杆挤出机的主喂料口加入。机头压力稳定之后将5％的引发单体(St/Ma/MAH＝70/5/25)通过液体注入泵在第八节筒体定量注入，注入稳定控制在230～260℃之间。材料通过拉条、水冷、切粒、干燥得到目标产品。
实施例5
质量百分数：聚碳酸酯基材(PC1239(3MI)：PC2200(10MI)：PC1900(20MI)＝30：60：10)93.5％，引发剂0.2％，硅灰石粉(20μm)0.5％，PE蜡(MA4221)0.5％，抗氧剂(1076)0.1％，抗氧剂(168)0.2％。上述组份在高速混炼机中进行预混合之后，从双螺杆挤出机的主喂料口加入。机头压力稳定之后将5％的引发单体(St/Ma/MAH＝75/5/10)通过液体注入泵在第八节筒体定量注入，注入稳定控制在230～260℃之间。材料通过拉条、水冷、切粒、干燥得到目标产品。
对实施例1～3制备得到的聚碳酸酯复合材料的性能进行检测，其中，融指测试标准为GB/T 3682-2000；拉伸强度测试标准GB/T 1040.2-2006；断裂标称应变测试标准GB/T1040.2-2006；缺口冲击强度测试标准GB/T 1843-1996；弯曲模量测试标准GB/T 9341-2000；铅笔硬度测试标准GB/T6739-1996；结果见表1。
由表1可见，本发明表面硬化改性的聚碳酸酯材料相对于常规的PC2200R材料具有显著改善的表面硬度，且保持各项性能的优异及平衡。
表1聚碳酸酯复合材料的性能
Figure BDA0001868751650000061
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料，其特征在于包含以下质量百分数的组分：
聚碳酸酯基材83.2～96.4％；引发单体3～10％；引发剂0.1～0.3％；增刚填料0.1～0.5％；PE蜡0.3～3％；其他添加剂0.1～3％；
所述的聚碳酸酯基材为包含三种不同熔融指数的聚碳酸酯的混合物，具体的包括：高粘度聚碳酸酯，熔融指数MI＝3～5g/10min；中粘度聚碳酸酯，熔融指数MI＝8～13g/10min；低粘度聚碳酸酯，熔融指数MI<30g/10min；
所述三种聚碳酸酯的用量质量比为30：(55～65)：(5～15)；
所述的引发单体包括三个组分：苯乙烯、过渡单体、马来酸酐；所述的过渡单体包括丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；
所述的表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料的制备方法为：把聚碳酸酯基材、引发剂、增刚填料、PE蜡和其他添加剂混合均匀，加入螺杆挤出机中，引发单体通过液体注入泵在双螺杆挤出机的第八节筒体加入，经螺杆挤出机挤出造粒，得到表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料。
2.根据权利要求1所述的表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述引发单体中，苯乙烯、过渡单体、马来酸酐的质量百分比为(70～85)：5：(25～10)。
3.根据权利要求1所述的表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述增刚填料包括云母粉、硅灰石和玻璃纤维中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述增刚填料的粒径范围为10～30微米。
5.根据权利要求1所述的表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述的PE蜡为科莱恩的MA4221；所述的其他添加剂包括着色剂和抗氧剂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述挤出造粒各段温度为230～260℃；所述螺杆挤出机的主机螺杆转速为250～330r/min，料斗进料螺杆的转速为24～35r/min。
7.权利要求1～5任一项所述的表面硬化改性的聚碳酸酯复合材料在电子电器、航空航天、交通运输、工业控制领域中的应用。
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