改性剂对PC/ABS复合材料性能的影响

Effect of Modifiers on Properties of PC/ABS Composites

摘要

以马来酸酐接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（MAH-g-ABS）制备聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（PC/ABS）复合材料，研究MAH-g-ABS对PC/ABS相容性、加工性能、力学性能和耐热性能的影响。结果表明：MAH-g-ABS提高了ABS和PC的相容性，加入MAH-g-ABS后，组分粒径变小，缺陷变少，界面整体性变好，ABS和PC的玻璃化转变温度（t_g）差值不断减小；随着MAH-g-ABS的加入，PC/ABS的熔体流动速率（MFR）逐渐降低，工作性能有所下降；MAH-g-ABS提高了PC/ABS的力学性能，冲击强度、拉伸性能和弯曲性能得到提高；MAH-g-ABS的加入提高了PC/ABS的耐热性能，维卡软化温度（VST）和热变形温度（HDT）均升高。MAH-g-ABS的最优添加质量分数为6%，与不添加MAH-g-ABS的PC/ABS相比，PC与ABS的相容性提高，界面融合性变好，ABS和PC的t_g差值不断减小；冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和弯曲模量分别提高39.9%、16.7%、25.7%、19.6%和18.6%；VST和HDT分别提高7.5 ℃和7.4 ℃。

Abstract

Polycarbonate/acrylonitrile-butadiene-styrene (PC/ABS) composites were prepared by maleic anhydride graft acrylonitrile-butadiene-styrene (MAH-g-ABS), and the effects of MAH-g-ABS on the compatibility, processing properties, mechanical properties, and heat resistance of PC/ABS were investigated. The results show that MAH-g-ABS improves the compatibility between ABS and PC. After adding MAH-g-ABS, the particle size of the components decreases, the number of defects decreases, the interface integrity improves, and the difference in glass transition temperature (t_g) between ABS and PC continuously decreases. With the addition of MAH-g-ABS, the melt flow rate (MFR) of PC/ABS gradually decreases and the workability decreases. MAH-g-ABS has improved the mechanical properties of PC/ABS, including impact strength, tensile strength and bending performance. The addition of MAH-g-ABS improved the heat resistance of PC/ABS, and both Vicat softening temperature (VST) and heat deflection temperature (HDT) increased. The optimal mass fraction of MAH-g-ABS is 6%. Compared with PC/ABS without MAH-g-ABS, the compatibility between PC and ABS is improved, the interface fusion is improved, and the t_g difference between ABS and PC continues to decrease. The impact strength, tensile strength, elongation at break, bending strength and bending modulus increased by 39.9%, 16.7%, 25.7%, 19.6% and 18.6%, respectively. VST and HDT increased by 7.5 ℃ and 7.4 ℃, respectively.

Graphical abstract

关键词

MAH-g-ABS / PC/ABS复合材料 / 相容性 / 加工性能 / 力学性能 / 耐热性能

Key words

MAH-g-ABS / PC/ABS composites / Compatibility / Processing properties / Mechanical properties / Heat resistance

聚碳酸酯(PC)是一种具有优异的力学性能、耐老化性能、热变形性能和介电性能的热塑性树脂^[1-3]，在建筑、交通、电器、农业和包装运输等领域应用广泛^[4-6]。然而，普通的PC存在易开裂、缺口敏感性高、加工性较差且价格偏高的缺陷，限制了PC的应用^[7-8]。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚而成的接枝共聚物，其中聚丙烯腈分子链为ABS提供耐热、硬度及耐腐蚀等性能，聚丁二烯分子链为ABS提供韧性和延展性，聚苯乙烯分子链为ABS提供良好的加工流动性等，三者按照不同质量比进行共聚能够使ABS兼顾多种优异的性能。ABS因其无毒、质轻、强度高、韧性好、抗冲击强度较高、耐腐蚀性强、加工性能良好、价格较低^[9-10]的特点，已成为常见的热塑性工程塑料之一，在汽车部件、电器外壳、建筑管材等领域应用广泛^[11-13]。然而，ABS的热变形温度较低，耐候性较差^[14-15]。

将PC与ABS共混制备PC/ABS复合材料可以兼顾两者的优点，弥补PC与ABS单独性能的不足，还能够降低成本^[16-18]。汽车、交通、电子、建筑和医疗等行业的快速发展对PC/ABS的需求日益增加^[19-21]。在实际工程中，PC与ABS中丁二烯(PB)的相溶解性能存在较大差异，导致PC与ABS相容性较差，这会影响PC/ABS的综合性能。因此，研究PC与ABS的相容性对PC/ABS的应用至关重要。其中，反应型改性剂效果较好。常用的反应型改性剂包括马来酸酐接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(MAH-g-ABS)和甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(MBS)^[22-23]。吴倩倩等^[24]以MBS为改性相容剂制备PC/ABS/MBS，研究MBS对复合材料性能的影响。研究表明，MBS能够提高复合材料的相容性，随着MBS含量的增加，复合材料的冲击强度和断裂伸长率增大，拉伸强度有所降低。

为了研究改性剂对PC/ABS综合性能的影响，本文以MAH-g-ABS作为改性剂来提高PC与ABS的相容性，制备PC/ABS复合材料，研究MAH-g-ABS对PC/ABS的相容性、加工性能、力学性能和耐热性能的影响，旨在制得综合性能优异的PC/ABS。

1 实验部分

1.1 主要原料

PC，HF1130-111，广东厚雅新材料有限公司；ABS，FR3050，东莞市浩洋塑胶有限公司；MAH-g-ABS，G1606，接枝率1.0%，佛山市佐高塑化有限公司。

1.2 仪器与设备

扫描电子显微镜(SEM)，X-650，日本日立公司；差示扫描量热仪(DSC)，SD-DSC300，山东善达仪器有限公司；熔体流动速率仪，JM3682MV，杭州金迈仪器有限公司；悬臂梁摆锤冲击试验机，QT-5202，苏州谦通仪器设备有限公司；万能试验机，OD-120，广东奥帝自动化仪器有限公司；热变形维卡软化温度测定仪，ZOT-300B-3，广东中天仪器有限公司。

1.3 样品制备

将PC在100 ℃下烘干，ABS和MAH-g-ABS在60 ℃下烘干；按质量比65∶35称取干燥的PC与ABS，再分别称取占PC和ABS总质量0、2%、4%、6%和8%的MAH-g-ABS；将PC、ABS和MAH-g-ABS在高速搅拌机中搅拌均匀；再将混合料注入挤出机中造粒，转速为140 r/min，各区温度为210~240 ℃；将熔体进行冷却、切粒，然后在60 ℃烘箱中烘干；将粒料注入注塑机，用8 MPa注射压力制备PC/ABS，分别标记为PC/ABS/0、MAH-g-ABS/2%、MAH-g-ABS/4%、MAH-g-ABS/6%和MAH-g-ABS/8%。

1.4 性能测试与表征

相容性测试：用SEM进行微观结构测试；采用DSC测试玻璃转化温度，N₂气氛，升温速率20 ℃/min。

工作性能测试：按GB/T 3682.1—2018进行测试，温度300 ℃，载荷1.2 kg，测试熔体流动速率(MFR)。

力学性能测试：按GB/T 1843—2008测试冲击强度，A型缺口；按GB/T 1040.2—2022测试拉伸性能，样品尺寸为170 mm×80 mm×4 mm，速率为10 mm/min；按GB/T 9341—2008测试弯曲性能，样品尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，速率为10 mm/min。

耐热性能测试：按GB/T 1633—2000测试维卡软化温度(VST)，压力为50 N，升温速率为50 ℃/h；按ISO—75A:2013测试热变形温度(HDT)，压力为1.82 MPa，升温速率为120 ℃/h。

2 结果与讨论

2.1 PC与ABS的相容性分析

图1为不同MAH-g-ABS质量分数PC/ABS的SEM照片。从图1可以看出，未加MAH-g-ABS时，PC/ABS的断面中存在较多孔洞且为层状结构，表面凹凸不平、粗糙度较高，界面比较清晰，还有较大的裂缝出现，说明PC与ABS的相容性较差。随着MAH-g-ABS的加入，PC/ABS断面平整性逐渐提升，组分粒径变小，孔洞和裂缝等缺陷逐渐减少甚至消失，界面逐渐光滑且模糊，混合相逐渐形成一个整体。另外，当MAH-g-ABS的质量分数为6%和8%时，PC/ABS的断面微观形貌基本类似，说明MAH-g-ABS提高了PC与ABS的相容性。当MAH-g-ABS达到一定量时，PC/ABS基体的相容性基本达到极限。这主要是因为MAH-g-ABS包含ABS的分子链结构，因此MAH-g-ABS与PC/ABS中ABS的相容性较好；另外，MAH-g-ABS表面基团可与PC分子链中的端羟基发生接枝化学反应，因此MAH-g-ABS对ABS和PC均有增容作用^[25]。

不同组分的玻璃化转变温度(t_g)通常不同，如果多组分混合后能够完全相容，则t_g是唯一值；相容性越差，则DSC测试中t_g对应的温度峰越多。表1为不同MAH-g-ABS质量分数的PC/ABS的DSC测试结果。从表1可以看出，未添加MAH-g-ABS时，PC/ABS中ABS的ABS的t_g为110.3 ℃，PC的t_g为138.1 ℃，两者差值为27.8 ℃；随着MAH-g-ABS掺量的增加，ABS的t_g逐渐增大，PC的t_g逐渐降低，两者的t_g差值逐渐降低，当MAH-g-ABS的质量分数分别为2%、4%、6%、8%时，ABS和PC的t_g差值分别降至25.2、23.3、18.3、17.9 ℃。这说明随着MAH-g-ABS掺量的增加，PC/ABS中ABS和PC的t_g相互接近，证明MAH-g-ABS提高了ABS和PC的相容性^[25-26]。

2.2 PC/ABS的加工性能分析

MFR越高表明材料熔体流动性好，容易加工成各种复杂结构和形状，加工性能好；反之，则加工性不好，制品内部容易存在内应力或缺陷^[26-27]。

图2为不同MAH-g-ABS质量分数PC/ABS的MFR。从图2可以看出，未加MAH-g-ABS时，MFR为18.8 g/10 min，随着MAH-g-ABS的加入，PC/ABS的MFR逐渐降低。当MAH-g-ABS的质量分数为2%、4%、6%和8%时，MFR分别为18.0、16.8、15.9、15.8 g/10 min，分别降低4.3%、10.6%、15.4%和16.0%，即使降至15.8 g/10 min，仍高于PC，仍然能够满足加工要求，并且当MAH-g-ABS的质量分数为2%~6%时，MFR降低较快，继续增加MAH-g-ABS，MFR的降低幅度很小。这主要是因为加入MAH-g-ABS后，PC/ABS基体的相容性增强，基体各组分中分子链段的“链接缠绕”增强，分子间相互作用力增大，熔体的相对滑动变弱，导致MFR降低。而MAH-g-ABS达到6%时，PC/ABS基体的相容效果基本达到饱和，因此继续增加MAH-g-ABS，MFR变化较小，这与图1的SEM结果基本一致^[26-27]。

2.3 PC/ABS的力学性能分析

图3为不同MAH-g-ABS质量分数PC/ABS的冲击强度。从图3可以看出，随着MAH-g-ABS掺量的增加，PC/ABS的冲击强度呈先增大后减小的趋势，未加MAH-g-ABS时，PC/ABS的冲击强度为47.1 kJ/m²，加入2%、4%、6%和8%的MAH-g-ABS时，冲击强度分别为52.3、58.2、65.9、58.0 kJ/m²，分别提高11.0%、23.6%、39.9%和23.1%。这主要是因为MAH-g-ABS的主链与ABS具有良好的相容性，而MAH-g-ABS中的活性酸酐基团，又能与PC中的端羟基发生酯交换生成接枝物，MAH-g-ABS的加入减少了PC/ABS体系的界面张力和增加了体系稳定性，显著提高了PC/ABS基体的相容性，能在体系中形成三维网络结构，因此MAH-g-ABS导致PC/ABS的冲击强度增大。然而，当MAH-g-ABS掺量过高时，则有过多MAH-g-ABS的酸酐基团与PC反应，这种结合在高温剪切作用下容易引起分子链断裂和热降解；同时，MAH-g-ABS过高相当于增加了力学性能较差的ABS的掺量，导致冲击强度又出现下降^[26]。

图4为不同MAH-g-ABS质量分数PC/ABS的拉伸性能。从图4可以看出，随着MAH-g-ABS掺量的增加，PC/ABS的拉伸强度先增大后降低，断裂伸长率不断增大，但总体上优于未加MAH-g-ABS时的拉伸强度。当MAH-g-ABS的质量分数为0~8%时，拉伸强度从57.0 MPa增至66.5 MPa再降至60.3 MPa，断裂伸长率从70%增至90%，并且当MAH-g-ABS的质量分数为6%时，拉伸强度达到最大值，相比未添加MAH-g-ABS的PC/ABS提高16.7%。这主要是因为MAH-g-ABS提高了基体分子的相容性，使基体结合更加紧密，从而使材料表现出更好的拉伸性能。值得注意的是，对于拉伸强度，当MAH-g-ABS掺量过高时，过多的MAH-g-ABS的酸酐基团与PC反应，导致高温剪切作用下分子链容易断裂，并且过多的MAH-g-ABS相当于引入刚性较差的ABS，导致拉伸强度出现下降。而对于断裂伸长率，MAH-g-ABS不仅提高了PC/ABS基体的相容性，还引入了韧性比PC更好的ABS，因此PC/ABS断裂伸长率不断增大，但当MAH-g-ABS的质量分数从6%增至8%时，断裂伸长率增幅较小。这是因为过多MAH-g-ABS的酸酐基团与PC反应，导致高温剪切作用下分子链容易断裂和热分解^[28]。

图5为不同MAH-g-ABS质量分数PC/ABS的弯曲性能。从图5可以看出，随着MAH-g-ABS掺量的增大，PC/ABS弯曲强度和弯曲模量均先显著增大再缓慢增大。未加MAH-g-ABS时，PC/ABS的弯曲强度和弯曲模量分别为77.1 MPa和2 198 MPa；当MAH-g-ABS的质量分数为0~6%时，弯曲强度和弯曲模量显著增大，分别为92.2 MPa和2 607 MPa；当MAH-g-ABS的质量分数为8%时，弯曲强度和弯曲模量分别为94.0 MPa和2 646 MPa。这主要是因为：一方面，MAH-g-ABS中的ABS组分与基体树脂ABS完全相容，同时MAH-g-ABS分子中酸酐基团与PC端羟基发生化学反应，导致PC/ABS基体结合强度增大；另一方面，MAH-g-ABS的加入相当于增加了PC/ABS中韧性成分的质量占比，导致最后PC/ABS弯曲强度和弯曲模量的增长幅度变小^[29]。

MAH-g-ABS的加入能够提高PC/ABS的力学性能。当MAH-g-ABS的质量分数为6%时，冲击强度和拉伸强度达到最大值，分别为65.9 kJ/m²和66.5 MPa，比未添加MAH-g-ABS的PC/ABS分别提高39.9%和16.7%；当MAH-g-ABS的质量分数为6%时，断裂伸长率、弯曲强度和弯曲模量分别为88%、92.2 MPa和2 607 MPa，比未添加MAH-g-ABS的PC/ABS分别提高25.7%、19.6%和18.6%；当MAH-g-ABS的质量分数为8%时，断裂伸长率、弯曲强度和弯曲模量达到最大值，分别为90%、94.0 MPa和2 646 MPa，比未添加MAH-g-ABS的PC/ABS分别提高28.6%、21.9%和20.4%。

2.4 PC/ABS的耐热性能分析

维卡软化温度(VST)和热变形温度(HDT)是反映材料耐热性能的重要指标，其值越大，则耐热性能越好。图6为不同MAH-g-ABS质量分数PC/ABS的耐热性能。

从图6可以看出，未加MAH-g-ABS的PC/ABS的VST为109.1 ℃，HDT为98.5 ℃；当MAH-g-ABS的质量分数为2%时，VST和HDT分别为110.5 ℃和99.2 ℃，分别提高1.4 ℃和0.7 ℃；当MAH-g-ABS的质量分数为4%时，VST和HDT分别为112.3 ℃和101.8 ℃，分别提高3.2 ℃和3.3 ℃；当MAH-g-ABS的质量分数为6%时，VST和HDT分别为116.6 ℃和105.9 ℃，分别提高7.5 ℃和7.4 ℃；当MAH-g-ABS的质量分数为8%时，VST和HDT分别为113.2 ℃和102.5 ℃，分别提高4.1 ℃和4.0 ℃。与未加MAH-g-ABS的PC/ABS相比，掺入MAH-g-ABS的PC/ABS的VST和HDT均有所提高，并且随着MAH-g-ABS掺量的增加，PC/ABS的VST和HDT均先增大后减小。这主要是因为加入MAH-g-ABS后，PC/ABS基体的相容性增强，基体各组分中分子链段的“链接缠绕”变强，分子间相互作用力增大，分子相对运动被抑制，因此PC/ABS的VST和HDT升高，耐热性能提高；但过量的MAH-g-ABS的酸酐基团与PC反应，可能会导致高温下分子链出现断裂，对VST和HDT的提升效果造成不利影响^[29]。

3 结论

MAH-g-ABS提高了ABS和PC的相容性，加入MAH-g-ABS后，PC/ABS断面平整性逐渐变好，组分粒径变小，孔洞和裂缝也逐渐变少直至消失，界面变光滑且界面逐渐模糊，混合相逐渐形成一个整体，并且MAH-g-ABS的质量分数为6%和8%时的微观形貌基本类似。随着MAH-g-ABS掺量的增加，PC/ABS中ABS和PC的t_g相互接近，其差值不断减小。

随着MAH-g-ABS的加入，PC/ABS的MFR逐渐降低，当MAH-g-ABS的质量分数为2%~6%时，MFR降低较快，继续增加MAH-g-ABS，MFR降低幅度很小。MAH-g-ABS提高了PC/ABS的力学性能，当MAH-g-ABS的质量分数为6%时，冲击强度和拉伸强度达到最大值，而断裂伸长率、弯曲强度和弯曲模量比PC/ABS分别提高25.7%、19.6%和18.6%。MAH-g-ABS加入使PC/ABS的耐热性能提高，PC/ABS的VST和HDT均得到提高。因此，MAH-g-ABS最优添加质量分数为6%。

参考文献

[1] 张竞帆. 无卤阻燃高性能聚碳酸酯的制备及阻燃机理研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2024.

[2] 高挺, 彭强, 马秀清. 聚碳酸酯增韧改性研究进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(1): 37-43.

[3] 徐刚. 阻燃型聚碳酸酯/石墨烯复合材料力学性能和耐侵蚀性能研究[J]. 塑料科技, 2023, 51(5): 37-41.

[4] 徐晨鹏, 谢心媛. 聚碳酸酯中空板在景观建筑设计中的应用研究[J]. 中国建筑装饰装修, 2023(12): 82-84.

[5] 杨海兴. 基于物质流分析的界面缩聚法PC制备过程生命周期评价[D]. 青岛: 青岛科技大学, 2023.

[6] 王铁成. 聚碳酸酯基功能材料的制备与应用研究[D]. 郑州: 郑州大学, 2023.

[7] 崔晋恺, 王明义, 王晶. PC/ABS合金研究现状及进展[J]. 工程塑料应用, 2018, 46(7): 122-126.

[8] 郭斌, 韩军慧, 齐贵亮, 等. 聚碳酸酯的注塑成型工艺及特性研究[J]. 广东化工, 2019, 46(7): 150-151.

[9] 王孝鹏. 抗氧剂的合成及ABS树脂的抗老化研究[D]. 吉林: 吉林化工学院, 2023.

[10] 段欣瑞. 我国ABS树脂行业分析[J]. 广东化工, 2023, 50(6): 78-81.

[11] 郑秀云, 熊晓松. ABS复合材料在汽车领域的应用研究进展[J]. 合成树脂及塑料, 2022, 39(5): 82-86.

[12] 李歆, 仇普文, 张春雨, 等. ABS树脂产品性能提升探究[J]. 天津化工, 2024, 38(5): 59-62.

[13] 曹勇飞, 宋月涛, 李兆启, 等. 透明ABS热塑性塑料的工艺介绍和市场应用[J]. 橡塑技术与装备, 2025, 51(3): 1-4.

[14] 吴磊. 家电用高耐热ABS制备工艺及高耐热化研究[J]. 广州化工, 2023, 51(11): 62-65.

[15] 张乐. 短切聚酰亚胺纤维增强PC/ABS合金性能的研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2018.

[16] 陈祯, 桑晓明, 董竞辉, 等. 短切芳纶纤维增强PC/ABS合金的拉伸性能[J]. 塑料, 2021, 50(2): 6-10.

[17] 丁步鹏, 纪效均, 沈圣翔. 高刚高韧PC/ABS合金的制备及性能[J]. 工程塑料应用, 2023, 51(10): 55-61.

[18] 艾军伟, 赵体鹏, 岑茵, 等. 抗静电PC/ABS合金研究[J]. 塑料工业, 2019, 47(11): 19-22.

[19] 路英华, 梁蓓, 王伟伟, 等. 基于PC/ABS薄壁成型的雾化器机筒注射模设计[J]. 塑料, 2024, 53(1): 183-188.

[20] 高翔. PC/ABS复合材料的制备及其耐磨与电磁屏蔽性能研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2023.

[21] 王百年, 王朋辉, 张如, 等. ADP基无卤阻燃PC/ABS合金体系开发[J]. 塑料科技, 2024, 52(2): 31-35.

[22] 王伟华, 宋哲铭, 韩志伟, 等. 聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯复合材料的力学性能敏感度[J]. 功能材料, 2020, 51(2): 2160-2164.

[23] 王雅群, 李欣, 宋任展, 等. PC/改性ABS复合材料的制备与性能[J]. 现代塑料加工应用, 2023, 35(3): 18-21.

[24] 吴倩倩, 程凤梅, 罗义, 等. 弹性体MBS增韧PC/ABS合金[J]. 弹性体, 2019, 29(6): 7-11.

[25] 阎国涛. 碳纤维废丝增强PC/ABS合金复合材料的制备与性能研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2013.

[26] 文渊, 章飞, 何浏炜. 反应型挤出增容制备PC/ABS合金及性能[J]. 塑料工业, 2021, 49(12): 160-163.

[27] 赵勃. PC/ABS合金的增容改性研究[D]. 太原: 中北大学, 2012.

[28] 葛腾杰, 佟华芳, 王文燕, 等. 相容剂对PC/ABS合金力学性能的影响[J]. 化学与生物工程, 2010, 27(8): 74-76.

[29] 史晨玉. PC/ABS合金用MBS增容、增韧剂的研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2020.