ABS-g-MA相容化与多官能环氧扩链协同调控rPC/ABS共混物的力学、微观结构与流变性能

《Polymer Testing》：Mechanical, Microstructural and Rheological Assessment of Recycled Polycarbonate/ABS Blends Modified with ABS-g-MA Compatibilizer and a Multifunctional Epoxy Chain Extender

　　

ABS-g-MA通过反应性相容化使rPC/ABS共混物冲击强度提高458%。扩链剂恢复了拉伸屈服强度并保持高冲击韧性。扩链使低频复数黏度（complex viscosity）提高至21500 Pa.s。双重反应性改性平衡了韧性、强度和熔体弹性（melt elasticity）。

研究背景：机械回收是废聚碳酸酯（PC）可持续处理的重要路线，但再加工中的热机械和水解降解会引起链断裂、分子量下降以及熔体黏度、韧性和尺寸稳定性降低，冲击强度下降尤为明显。CD/DVD含95%以上PC，高温熔融加工会造成严重降解；Pérez et al.报道十次再加工可使PC屈服强度下降30%并严重降低冲击强度。与ABS共混是恢复性能的常用策略，ABS兼具刚性和韧性；但PC/ABS多相形态复杂，rPC与ABS富集相之间界面相互作用不足，导致应力传递差和力学性能下降。反应性相容化可改善界面粘附、相形态、流变行为和最终性能；Farzadfar et al.发现5 phr ABS-g-MA可使rPC/ABS缺口Charpy冲击强度较未相容化提高约54%，而拉伸强度无显著变化；Anjos et al.通过扫描电镜观察到ABS-g-MA使PC/ABS形成更细的海-岛形态。扩链是互补策略，多官能扩链剂可与降解PC的羟基端基反应，可能发生扩链或支化，提高熔体弹性和应变硬化。Pelto et al.将SMA基相容剂、EEA-GMA与Joncryl 4400用于rPC/ABS，发现扩链剂提高熔体黏度和刚性，力学变化依赖配方。但高降解rPC中熔体流变增强、相形态与固态韧性之间的关系仍不清楚，环氧扩链对熔体增强及冲击性能的影响需进一步研究。因此，研究人员先合成ABS-g-MA改善CD来源rPC与ABS界面，再在选定相容化配方中加入Joncryl ADR 4300，考察后续环氧改性对结构、流变和力学性能的影响，建立结构-性能关联。

关键技术方法：rPC由专门机械回收报废CD和PC废物流的工业公司提供颗粒；ABS为Ghaed Basir Petrochemical Company的ABS-40N；Joncryl ADR 4300由BASF提供。研究人员以ABS、马来酸酐（MA）和过氧化二异丙苯（DCP）经反应挤出合成ABS-g-MA，并用返滴定和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征；将干燥组分内混并压缩成型；按ISO 527-2测拉伸、ISO 179测缺口Charpy冲击；用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察低温脆断表面并以ImageJ测量ABS富集区尺寸；用熔融指数（MFI）及230 °C、0.1–300 rad/s、0.3%应变的小振幅振荡剪切（SAOS）流变测试η^*、G′和Cole–Cole图；力学数据用ANOVA和Tukey检验。

研究结果：3.1 ABS-g-MA characterizations（ABS-g-MA表征）：返滴定测得MA接枝度为1.3%；FTIR显示约1870和1750 cm^-1羰基吸收及1246 cm^-1 C–O–C特征，支持MA相关官能团引入，但作者指出FTIR alone不能证明全部MA共价接枝。3.2 Mechanical Properties（力学性能）：rPC屈服强度53.6 MPa、断裂应变4.5%、冲击强度1.1 kJ/m²；rPC/ABS屈服强度45.2 MPa、断裂应变6.3%、冲击强度3.8 kJ/m²。1C与3C屈服强度无显著差异，3C断裂应变达16.5%；3C/1J和3C/5J屈服强度分别升至47.1和50.5 MPa，断裂应变降至15.1%和12.6%（3C/5J显著下降）。冲击强度1C为16.8 kJ/m²（较未相容化提高约342%），3C达21.2 kJ/m²（较未相容化提高约458%），3C/1J为20.5 kJ/m²（无显著差异），3C/5J降至17.7 kJ/m²（显著下降）。结论是相容化主要提高冲击韧性和延性，扩链提高屈服强度但高含量降低延性和冲击。3.3 Morphological Assessment（形态评估）：FESEM低温脆断显示rPC表面较光滑、呈脆性；未相容化rPC/ABS异相明显、相界清晰；1C中ABS富集区更细且近球形；3C进一步细化并呈均匀海-岛结构。3C/5J相较3C，ABS富集区平均尺寸增大、数量减少；ImageJ定量比较将其与黏度比改变、液滴破碎和聚并行为联系，但作者强调为代表性观察而非完整统计。结论是ABS-g-MA细化形态，Joncryl高含量导致形态粗化。3.4 Rheological Properties（流变性能）：MFI由rPC的76降至rPC/1J的45、rPC/5J的22 g/10 min。SAOS显示η^*和G′随ABS、ABS-g-MA及Joncryl加入而提高；低频η^*由rPC的1750增至3C/5J的21500 Pa.s，3C/5J的G′最高（71390 Pa）；Cole–Cole响应变宽或偏离，反映多相、界面和可能支化松弛叠加，但作者强调不能单独证明支化或界面作用。结论是相容化提高黏弹响应，Joncryl显著提高低频黏度和储能模量，但熔体流变不能直接预测固态冲击韧性。3.5 Reaction Schemes and Mechanisms（反应方案与机制）：作者提出ABS-g-MA的MA基团与rPC羟基端基反应，改善界面粘附、降低界面张力并抑制ABS相聚并；Joncryl多环氧基团与rPC羟基端基反应可扩链，进一步反应可支化；Joncryl与ABS-g-MA可能竞争反应位点，改变扩链与界面改性平衡；并提出未相容化粗分散、3C细化、3C/5J分子重建但形态粗化的结构-性能关联。作者强调这些为基于观察的 proposed mechanism，而非直接证明。

讨论与结论翻译：讨论指出流变主要反映熔体态rPC连续相的链扩展和可能支化；冲击在室温玻璃态下进行，依赖基体分子结构、ABS域形态、界面粘附和能量耗散。Joncryl提高熔体黏度会改变rPC与ABS的黏度比，降低液滴破碎效率并促进粗化，因此冲击下降；熔体流变参数不能直接预测冲击韧性，需平衡链扩展与有利多相形态。研究结论部分可翻译为：该研究考察了通过ABS共混、ABS-g-MA相容化和Joncryl ADR 4300多官能环氧扩链对高降解CD来源rPC进行反应性升级的策略。合成ABS-g-MA接枝度为1.3%，返滴定和FTIR支持。单独ABS仅使冲击强度由1.1±0.5提高到3.8±0.6 kJ/m²，因界面粘附不足和粗相分离；ABS-g-MA显著增强rPC/ABS界面、细化ABS富集相形态、促进韧性断裂，并在3 wt.%时使冲击强度达21.2±0.3 kJ/m²，表明界面相容化在韧性恢复中占主导。Joncryl ADR 4300与rPC富集相分子增强相关；其加入使3C屈服强度由44.3±0.3提高到47.1±0.5和50.5±0.4 MPa（1和5 wt.%）；MFI由76±6降至22±4 g/10 min，复数黏度、储能模量和Cole–Cole松弛变化表明熔体阻力增加和分子松弛受限，符合扩链和可能支化。然而基体黏度增加可能改变rPC与ABS黏度比，降低ABS液滴破碎效率并导致ABS富集区粗化，故3C/5J冲击强度降至17.7±0.5 kJ/m²。改性共混物性能取决于界面粘附、分子重建和相形态平衡；优化反应配方不能仅通过最大化扩链剂含量选择，因为熔体强度和拉伸性能改善可能以冲击韧性为代价。该工作rPC来自CD，降解历史和原料特征变化可能影响改性效果；该工作为实验室规模评估，结果强调需按可加工性、力学性能和应用需求平衡定制反应性改性策略。