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PC树脂的材料特性和成型工艺聚碳酸酯


PC 树脂的材料特性和成型工艺聚碳酸酯(PC)树脂是一种性能优良的热塑性工程塑料,具有突出的抗冲击能力,耐蠕变和尺寸 稳定性好,耐热、吸水率低、无毒、介电性能优良,是五大工程塑料中唯一具有良好透明性的产品,也是近年来增长速度最快 的通用工程塑料。目前广泛应用于汽车、电子电气、建筑、办公设备、包装、运动器材、医疗保健等领域,随着改性研究的不 断深入,正迅速拓展到航空航天、计算机、光

盘等高科技领域。PC 树脂的应用与发展:70年代 PC 多用作连接器、开关等电 气、电子零件,到80年代前半期应用扩展至精密机械(照相机、钟表)、电动工具和光学机械上,成为 PC 的第一发展期。80年 代后半期 PC 的应用进一步扩大到办公设备、汽车、激光唱片(CD),需求量大增而成为第二个发展期。进入90年代以后受经济 影响速度放缓,但在1992~1994年间仍有10%~15%的增长率。PC 之所以有大的市场容量是由于它具有比较全面平衡的性能 ——优良的耐冲击性、耐热性、尺寸稳定性、透明及自熄性等,因此在电气、电子、精密机械、汽车、保安、医疗等领域成为 可广泛使用的工程塑料。90年代中期又开发出 PC/ABS 合金的复合化技术,更扩大了应用领域。目前 PC 广泛应用于汽车、电 子电气、建筑、办公设备、包装、运动器材、医疗保健等领域,随着改性研究的不断深入,正迅速拓展到航空航天、计算机、 光盘等高科技领域。PC 合金改性 PC/ABS 合金:PC 与 ABS 共混物可以综合 PC 和 ABS 的优良性能,提高 ABS 的耐热性、 抗冲击和拉伸强度,降低 PC 成本和熔体粘度,改善加工性能,减少制品内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性。目前 PC/ ABS 合金发展迅速,全球产量约为80万吨/年左右,世界各大公司纷纷开发推出 PC/ABS 合金新品种,如阻燃、玻纤增强、 电镀、耐紫外线等品种,尤其是在汽车工业中得到广泛应用,另外还广泛应用于计算机、复印机和电子电气部件等。我国近年 来也开始一定研究和生产,如上海杰事杰公司的 PC/ABS 合金材料已应用于汽车装饰件、灯壳和耐热电器壳体;中科院长春 应用化学所开发的高耐热、高耐热高抗冲、高耐热阻燃三个品级的 PC/ABS 合金材料已被国内数家汽车制造公司使用,用做 前装饰板、仪表板及物品箱盖专用料等。兰州大学研究在 PC/ABS 共混体系中加入高压聚乙烯进行增容改性,得到混合物流 动性好且低温韧性与模量几乎不受影响,适用于制作薄壁板材;国内研究人员为了降低 PC/ABS 两相之间的界面能,在 PC 和 ABS 中加入抗冲击剂 MBS,合金的空冲击度可以达到极高值,PC/ABS/MBS 外观呈象牙白、质地均匀、手感极佳。PC /PS 合金:该合金为部分兼容、非晶/非晶体系。在 PC 中加入 PS 可以降低 PC 粘流活化能,从而改善 PC 的加工流动性, 加入少量的 PS 可使 PC 熔体粘度大幅度下降,PS 在 PC 中还可以起到刚性有机填料的作用,PC 与 PS 均为透明材料,二者 折射率非常接近,因此 PC/PS 合金透明,具有良好的光学特性。PC/PS 合金组成对合金力学性能、热性能和加工性能影 响较大,随着 PS 含量的增加,PC/PS 体系的流动性增加,硬度、拉伸强度和冲击强度提高,而热变形温度下降。当 PS 含 量在某一值时候,冲击强度和拉伸强度出现极大值。因此选择合适的 PC 和 PS 配比,可以制得高性能的 PC/PS 合金。另外 增容剂对 PC/PS 共混体系的性能有较大影响,通常选用苯乙烯,通过在 PC 末端引发双键接枝苯乙烯,得到接枝聚合物对 PC/PS 共混体系有增容作用,可以大大提高 PC 与 PS 兼容性,这种材料适合制作光盘等。近年来 PC/PS 合金应用范围不 断扩大,新品种不断涌现,如日本推出的 PC/PS 合金 Novally x 7000, 同 ABS 一样,易上漆及进行油墨印刷;日本出光石 化推出不合卤素的 PC/PS 阻燃合金系列,与阻燃 ABS 相比,具有韧性高、流动性好、刚性高、阻燃性好等特点。PC/PBT 合金:PBT 具有优异的力学性能、耐化学腐蚀及易成型等特点,将 PBT 与 PC 共混制得合金材料可以提高 PC 流动性、改善 了加工性能和耐化学药品性。由于 PBT 是结晶聚合物,与 PC 共混时易发生相分离,界面粘结不好,因而其冲击韧性不理想, 通常加入一定量弹性体以提高共混物的冲击强度。如热塑弹性体乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物的锌盐,对 PC/PBT 共混体系起 到增容增韧作用。另外加入一些结晶成核剂可以提高共混体系结晶度;在 PC/PBT 共混体系中加入少量低压聚乙烯,可以提 高共混物的流动性,对共混体系起增韧作用,并可改善合金的外观;在 PC/PBT 中加入乙烯/乙酸乙烯酯共聚物可以进一步 增强兼容性并提高耐冲击强度;PC 与 PBT 之间发生酯化反应,可以提高其兼容性,日本科研人员用 PC 和 PBT 在酯交换催 化剂存在下,制得 PC/PBT 共混物,综合性能良好,而且具有较好透明性;用与 PC 折光率相近的玻璃纤维增强 PC/PBT, 不但体系综合性能优良,且透明性好,可以做玻璃代替材料。目前国外 PC/PBT 合金产品主要用于汽车保险杠、包装薄膜材 料、汽车底座和座位等。PC/PET 合金:PET 具有较好的力学性能和耐化学药品性,PC/PET 既有 PC 的刚性和耐热性, 又有 PET 的耐溶剂性,而且 PET 的加入还能改善 PC 的加工流动性。国内研究人员发现,当 PC/PET 比例为1/3的时候, 两相之间形成了界面层,此时 PC/PET 兼容性最好。另外 PC 与 PET 发生酯交换反应是提高兼容性最好的办法之一,其中 催化剂种类选择对反应影响非常大,通过研究发现镧系催化剂与传统的催化剂(如钛类)相比有较高的催化活性,而且没有副反 应,同时发现酯交换反应主要发生于两相界面处。在 PC/PET 共混体系中,加入弹性体如聚丙烯酸丁酯,可以提高合金的韧 性和抗冲击强度。 目前关于 PC 合金的研究与开发日新月异,还有多种 PC 合金不断被开发并推向市场,尤其是聚酯共混改 性 PC,如 PET/PCL(由乙二醇、低分子量聚己内酯和对苯二甲酸共聚而成的多嵌段共聚酯)与 PC 共混改性;由1,4—环已 烷二甲醇、乙二醇和对苯二甲酸制的聚酯与 PC 共混改性,可以明显提高 PC 弯曲弹性模量、拉伸强度等;聚己内酯以玻璃纤 维作为增强材料,用酯交换催化剂促进聚己内酯与 PC 进行共混改性,可以得到加工性能好、高刚性的透明材料;聚(1,4— 环己烷二甲酸—1,4—环己烷二甲醇)酯改性 PC,可以明显改善 PC 的透明性和耐黄变性能,可以用作光盘材料;液晶聚酯改 性 PC,可以用来改善 PC 的熔融加工性能和力学性能。应用领域拓展 随着 PC 合金材料的研究不断进展,PC 的应用范围不 断扩大,以下简要介绍一些国内 PC 极具开发前景的应用领域。宽波透光的光学器械:作为一种透明性能良好的工程塑料, PC 作为光盘基材在全球大量使用, 不仅可以制备 CD、VCD、DVD 光盘,还可以适用于高密度记录光盘的基材,尤其是 PC

与苯乙烯接枝生成的共聚物具有极佳的应用效果。PC 片材特别适宜于制作眼镜镜片,在 PC 分子链中引入硅氧基团,可以提 高其硬度及耐擦伤性。PC 作为高折射率塑料,用于制作耐高温光学纤维的芯材,若在 PC 分子链中的 C—H 链为 C—F 链所 取代,则可以对可见光的吸收减少,能有效降低传递途中的信号损失。另外 PC 良好透光性,在透明窗材高层建筑幕墙、机场 和体育场馆透明建筑材料等方面应用非常普遍和具有潜力,今后重点是提高表面硬度和抗静电性。阻燃环保的通信电器:由于 PC 良好电绝缘性能,广泛应用于通信电信设备领域, 目前 PC 已经大量替代原有的酚醛塑料,今后重点开发阻燃 PC 用于通 信电器领域中,因此无污染阻燃 PC 材料成为开发重点,溴系阻燃剂由于毒性在减少使用,而无卤环保磷系阻燃剂会明显降低 PC 的热变形温度和冲击强度,因此比较适宜的是有机硅系阻剂。另外随着通信电器轻量小型化对 PC 材料提出更高要求,目 前 PC/ABS 合金就特别适宜在通信电器及航空航天工业中应用。表面金属化的汽车部件:PC 表面金属化后具有良好的金属 光泽及高强度,广泛应用于各种汽车零部件中,但是电镀过程中会降低它的冲击韧性,因此采用弹性体与 PC 共混改性,所合 弹性体分散了致开裂应力,虽经电镀也不会降低其冲击韧性,因此电镀级 PC 树脂非常具有开发前景。另外表面金属化的 PC 还可以作为电磁波的屏蔽材料,应用于计算机中。低残留有害物的食品容器:工业合成 PC 是双酚义型,由于合成时有微量未 反应的单体双酚 A 残留在树脂中,在作为饮用水桶和食品容器时,易被溶出而影响人们身体健康,因此要开发卫生级的 PC 树脂,用作饮水桶和其它食品容器的生产与使用,国内应用前景非常看好。防开裂脆化的医疗器械:PC 具有诸多优异性能, 目前已应用于医疗器械中,由于其耐化学品性较差,在化学药品存在下易引起内应力开裂,如 PC 在人工透析器、人工肺等医 疗器械中应用要解决高温消毒导致裂纹的老化现象,若克服这些缺点,PC 在医疗器械中应用可迅速扩大。PC 树脂的材料性 能 PC(聚碳酸酯)是一种无色透明的工程塑料,具有极高的冲击强度,宽广的使用温度范围,良好的耐蠕变性、电绝缘性和 尺寸稳定性、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性;且收缩率很低,一般为0.1%~0.2%。PC 有很好的 机械特性,但流动特性较差,因此这种材料的注塑过程较困难。在选用何种品质的 PC 材料时,要以产品的最终期望为基准。 如果塑件要求有较高的抗冲击性,那么就使用低流动率的 PC 材料;反之,可以使用高流动率的 PC 材料,这样可以优化注塑 过程。PC 的最大特征是非晶型透明塑料,成型后的尺寸稳定性好,从低温到高温均能保持稳定的机械强度,它的拉伸与形变 特性比较接近金属材料,存在着明显的弹性极限。因此 PC 作为结构材料应用时的强度计算可以参照金属材料的公式,在 PC 的开发初期曾大量用作代替金属的轻量化透明材料。PC 树脂的成型工艺:PC 树脂的工艺特点1、聚集态特性属于无定型非结 晶性塑料,无明显熔点,熔体黏度较高。玻璃化温度140°~150℃,熔融温度215℃~225℃,成型温度250℃~320℃。2、在 正常加工温度范围内热稳定性较好,300℃长时停留基本不分解,超过340℃开始分解,粘度受剪切速率影响较小。3、流变性 接近牛顿性液体,表观黏度受温度的影响较大,受剪切速率的影响较小,相对分子质量的增大而增大。PC 分子链中有苯环, 所以分子链刚性大。4、PC 的抗蠕变性好,尺寸稳定性好;但内应力不易消除。5、PC 高温下遇水易降解,成型时要求水分 含量在0.02%以下。6、制品易开裂。PC 树脂的成型工艺控制在成型加工上,水分控制及成型加工条件之选择是影响成型品质 最重要的两个因素,兹分述如下:A、水分控制 PC 类塑胶即使用遇到非常低之水分亦会产生水解而断键、分子量降低和物性 强度降低之现象,因此在成型加工前应严格地控制 PC 树脂之水分在0.02%以下,以避免成型品的机械强度降低或表面产生气 泡、银纹等异常外观。为避免水分所产生异常之情况,聚碳酸脂在加工前,应先经热风干燥3~5h 以上,温度定为120℃,或 者用除湿干燥机来处理水分。B、原料选择 为满足各种成型工艺的需求,PC 树脂有不同熔体流动速率的规格。通常熔体流动 速率介于5~25g/10min 都可适用于注塑成型。 但是其最佳加工条件因注塑机种类、 成型品之形状以及 PC 树脂规格不同而有相 当之差异, 应根据实际情况加以调整。 注塑机选择要点 锁模压力: C、 以成品投影面积每 cm2*0.47~0.48T (或每平方寸*3~5T) 机台大小:成品重量约为注塑机容量的40~60%为最佳,如机台以 PS 来表示容量(盎斯)时,需减少10%,始为使用 PC 之 容量, (1盎斯=28.3公克) 。螺杆:螺杆长度最少应有15个直径长,其 L/D 为20:1最佳,压缩比宜1.5:1至30:1。螺杆前端 之止流阀应采用滑动环式, 其树脂流动间隙最少应有3.2mm。喷嘴:尖端开口最少有4.5mm 直径。若成品重量为5.5kg 以上,则喷嘴直径应为9.5mm 以 上,另外,尖端开口需比浇口直径少0.5~1mm,且段道愈短愈好,约为5mm。D、成型条件要点:熔融温度与模温:最佳的 成型温度设定与很多因素有关,如注塑机大小,螺杆组态、模具及成型品的设计和成型周期等。一般而言,为了让塑料渐渐在 熔融,在料管后断/进料区设定较低的温度,而在料管前段设定较高的温度。但若螺杆设计不当或 L/D 值过小。逆向式的温度 设定亦可。模温方面,高模温可提供较佳的表面外观,残留应力也会较小,且对较薄或较长的成型品也较填满;而低模温则能 缩短成型周期。螺杆回转速度:在40~70rpm 较佳,但需视机台与螺杆设计而调整。注射压力:根据制品壁厚程度可采取 85~140kg/cm2。背压:一般设定愈低愈好,便为求进料均匀,建议使用3~14kg/cm2。注射速度:射速度浇口设计有很大关 系。使用直接浇口或边缘浇口时,为防止日晖现象和波流痕现象,则应用较慢这射速,另外,如成品厚度在5mm 以上,为避 免气泡或凹陷慢速射出会有帮助。一般而言,射速原则为薄者快,厚者慢。从注塑切换到保压,保压要尽量低。以免成型品发 生残留应力。而残留应力可用退火方式来解除或减轻,条件是120~130℃约三十分钟至一小时。料筒清扫1、在 PC 树脂的成 型温度下,加入清洗料(通用级聚苯乙烯或透苯),连续射出二十至三十次。2、将射台后退,连续将清洗料空射,直至射出的 清洗料开始膨胀起泡。3、将料筒温度重新设定到200至230℃。4、继续将清洗料空射,直到清料熔胶温度达到260℃且外表 看起来很干净透明。


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