车用聚碳酸酯木塑复合材料的制备及性能研究

Preparation and Properties of Automotive-Grade Polycarbonate/ Wood-Plastic Composite

摘要

为制备性能稳定的车用聚碳酸酯木塑复合材料（PC/WPC），以聚碳酸酯（PC）为基材，添加木粉（WF）、催化剂、促进剂、胶凝剂和抗紫外线助剂制备PC/WPC，并研究WF添加量对PC/WPC性能的影响。结果表明：当WF添加量为15.87%时，PC/WPC的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和洛氏硬度最高，分别达到78.47 MPa、118.61 MPa、34.62 kJ/m²和95.68 HRB。当WF添加量为15.87%、23.81%时，PC/WPC的内部粒子结构较为紧密，改善了木塑复合材料的晶体结构。PC/WPC的起始分解温度约为280 ℃，420 ℃基本完全分解。WF添加量为15.87%时，PC/WPC的力学强度、洛氏硬度最好。WF添加量为23.81%时，PC/WPC的热稳定性最佳。

关键词

聚碳酸酯木塑复合材料 / 力学性能 / 热稳定性

Key words

Polycarbonate wood-plastic composites / Mechanical properties / Thermal stability

聚碳酸酯(PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，具有透明、阻燃、抗氧化、韧性等优点^[1]。通过注塑、挤出、模压等方法可制备PC板材，PC板材被广泛用于汽车外壳、汽车灯具、车窗玻璃、汽车内饰件等领域^[2-3]。现代汽车工业对材料的美观性、环保性、安全性和节能性有较高的要求。而传统PC板材存在不耐酸碱和易老化发黄等问题，特别是长期暴露在辐照、高温、高湿环境中，会加剧PC板材的老化速度^[4]。为进一步延长汽车零部件的使用寿命，有效避免因脆化或开裂等问题降低PC材料的力学性能，以PC为基材制备木塑复合材料，力求进一步拓宽PC材料的应用范围。木塑复合材料可用于汽车仪表板^[5]、立柱护板^[6]、方向盘^[7]，通过热压成型、注塑成型、挤出成型的工艺^[8]，能够满足大部分汽车产品零部件性能的要求。程羽等^[9]研究表明：PC含量直接影响木塑复合材料的S-N曲线，适量PC能够有效改善木塑复合材料的疲劳性能。王旷等^[10]采用可再生的纸浆纤维和PC制备木塑复合材料。结果表明：经5%硼酸处理后的木塑复合材料，添加质量分数为30%的纸浆纤维时，复合材料的弹性模量最高，达到4.31 GPa，比未经过硼酸处理的复合材料提高了16%，比纯PC提高了90%。刘点^[11]为实现资源的有效开发和循环利用，以麻栎木为原料，废旧光盘中的PC为基体，分析麻栎木炭/回收PC复合材料的力学性能。结果表明：麻栎木炭/回收PC复合材料的弯曲性能、拉伸性能随麻栎木炭含量增加而逐渐降低，当麻栎木炭填充量为10%时，复合材料的力学性能最佳。为制备性能稳定的车用聚碳酸酯木塑复合材料(PC/WPC)，本实验利用控制变量法，研究WF添加量对PC/WPC力学性能和热稳定性的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚碳酸酯(PC)，1302-05，工业级，东莞市红蚁化工有限公司；白杨木粉(WF)，60目，工业级，德清林牌木粉有限公司；催化剂，TH-3A-Ⅰ，工业级，淄博新塑化工有限公司；促进剂，Laromer PA 9083，工业级，广州市扬松贸易有限公司；胶凝剂，L106，工业级，东莞市新京辰塑胶原料有限公司；抗紫外线助剂，UV-326，工业级，东莞山一塑化有限公司。

1.2 仪器与设备

全自动负压一体成型机，YH-7560，深圳市永恒盛机械制造有限公司；电子万能试验机，WDW-100，济南鼎测试验设备有限公司；洛氏硬度计，QNESS 150 CSA+，弗尔德（上海）仪器设备有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，SU8600，富泰微科学仪器（上海）有限公司；热重/热差分析仪(TG)，Setline STA，凯璞科技（上海）有限公司。

1.3 样品制备

表1为PC/WPC复合材料的配方。按表1配方将PC、WF、催化剂、促进剂、胶凝剂和抗紫外线助剂加入全自动负压一体成型机中，在加热条件下聚合，最后冷却定型。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：拉伸性能按GB/T 1040.1—2018进行测试^[12]；弯曲性能按照GB/T 9341—2008进行测试^[13]；冲击性能按GB/T 1043.1—2008进行测试^[14]。

洛氏硬度(HRB)测试：根据GB/T 230.1—2018要求^[15]，采用球锥菱形压头，加压100 kg载荷，时间5 s。

SEM测试：对冲击断面喷金处理，观察断面形貌。

TG测试：N₂气氛，温度范围30~700 ℃，升温速率10 ℃/min^[16-18]。

2 结果与讨论

2.1 PC/WPC复合材料的力学性能分析

图1为PC/WPC复合材料的力学性能。从图1可以看出，随着WF添加量的增加，PC/WPC复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度均呈现下降趋势。当WF添加量为15.87%时，PC/WPC的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度数值最高，分别达到78.47 MPa、118.61 MPa、34.62 kJ/m²。而过量的WF不仅降低PC/WPC复合材料的力学性能，还容易导致木塑复合材料挤出失效。

2.2 PC/WPC复合材料的洛氏硬度分析

图2为PC/WPC复合材料的洛氏硬度。从图2可以看出，1#样品的洛氏硬度最高，达到95.68 HRB；5#样品的洛氏硬度最低，为76.21 HRB。随着WF添加量的增加，样品的洛氏硬度逐渐降低，这一结果与木塑复合材料的力学性能一致。

2.3 PC/WPC复合材料的SEM分析

图3为PC/WPC复合材料的SEM照片。从图3可以看出，1#样品、2#样品内部粒子结构较为紧密，木塑复合材料的相容性得到改善，可能是PC发挥了成核剂的作用，从而改善了木塑复合材料的晶体结构^[19-20]。3#样品、4#样品和5#样品均存在WF粒子被整体拔出。

2.4 PC/WPC复合材料的TG分析

图4为PC/WPC复合材料的TG曲线。从图4可以看出，PC/WPC复合材料的起始分解温度约为280 ℃，420 ℃基本完全分解。当WF添加量为23.81%时，PC/WPC复合材料的热稳定性最好。

3 结论

PC/WPC复合材料具有较高的力学性能和洛氏硬度，且内部粒子结构较紧密，具有良好的热稳定性。1#样品的力学强度最高，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度数值分别达到了78.47 MPa、118.61 MPa和34.62 kJ/m²。1#样品的洛氏硬度最高，达到95.68 HRB。PC/WPC复合材料的起始分解温度约为280 ℃，在420 ℃基本完全分解，且2#样品的热稳定性最佳。

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基金资助

2022年江苏省产学研合作项目(BY2022472)

2022年江苏高校“青蓝工程”

2020校级自然科学基金项目(ygy2004)

2023年江苏省高等教育教改研究课题(2023JSJG204)