PC材料的特性和成型工艺

PC材料的特性和成型工艺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19921994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 PCPS 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。150C，熔融温度215C225C，成型温度250C320C。2、在正常加工温度范围内热稳定性较好，300C长时停留基本不分解，超过 340C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35h以上，温 度定为120 C，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525g/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。C、注塑机选择要点锁模压力：以成品投影面积每cm2*0.470.48T （或每平 方寸*35T）机台大小：成品重量约为注塑机容量的4060%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0.51mm，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 4070rpm 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85140kg/cm2。背压：一般设定愈低愈好，便为求进料均匀， 建议使用314kg/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120130C约三十分钟至一小时。