ABS/HGB与PP/HGB挤出流动中弹性性质的研究

钟明强

(广汽本田汽车有限公司,广东广州510700)

0 前言

ABS树脂具有优异的冲击强度,电性能、耐化学药品性、耐油性好,加工适应性也好,易电镀。由于ABS的特殊性能使得ABS在车辆、家具、建材、电器等行业都得到了广泛应用[1]。聚丙烯(PP)具有良好的使用性能、加工性能和价廉等优点,是应用广泛的热塑性树脂之一。中空玻璃微珠(HGB)具有光滑的球形表面,用作填料对复合材料的加工性能和制品表面质量的影响较小,且可减小制品的内应力,改变材料的加工及机械性能。国内外很多学者对于 HGB填充聚合物的流变性能进行了较为深入的研究[2-24],但对于不同体积分数的 HGB填充聚合挤出流动中弹性性质的研究还较少。

聚合物熔体的弹性性能是聚合物材料加工及成型设备设计的重要参数。本文重点研究温度(t)、剪切应力(τw)、填料的体积分数(φf)对ABS/ HGB及 PP/HGB复合材料挤出胀大比(B)的影响。

1 实验部分

1.1 主要原材料及复合材料的制备

ABS 采用韩国三星公司STAVEX ABS SV-0157树脂为基体。树脂的密度和熔融流动速率(ASTMD 1238:3.8 kg,230℃)分别为 1.03 g cm-3和5.7 g·(10 min)-1。

PP 采用广州石化有限公司生产的CJS-700注塑级聚丙烯树脂为基体。树脂的密度和熔融流动速率(2.16 kg,230℃)分别为0.91 g·cm-3和8～15 g·(10 min)-1。

HGB 选择德国MOLUS公司生产的 TK 70等型号的中空硼硅酸盐微球作为填料。

所有的PP复合材料均由成都科强高分子工程公司生产的SLJ K(Φ35,L/D=28)双螺杆挤出机制备而成。其中,TK 70型号HGB的体积分数分别为10%和20%。

1.2 试验仪器及方法

试验仪器为承德市考思科学检测有限公司的XNRk-400A型熔体流动速率测定仪及Canon IXUS 400数码相机。采用照相法记录不同条件下的挤出物直径Do(mm);利用式(1)求出挤出胀大比B。每个条件取3个样本,结果取平均值。

式中:Di为口模直径,mm。

2 结果与讨论

2.1 挤出胀大比对剪切应力的依赖性

挤出物胀大(或口模膨胀)是聚合物流体弹性特性的重要表征。其胀大程度常用挤出胀大比B表征。图1显示了ABS/TK 70及PP/TK 70复合体系,在200℃时熔体的挤出胀大比对剪切应力的依赖关系。由图1可以看出:ABS/TK 70及PP/ TK 70体系熔体的挤出胀大比均随着剪切应力τw的增加而增大。这是因为,随着剪切应力的增加,聚合物分子链受剪切应力作用而产生的拉伸和剪切形变程度加剧,导致挤出物的内部弹性储能增加。当其离开口模后,由于形状记忆效应及内部聚合物分子链形变的弹性回复等因素的综合作用,使得挤出胀大程度增大。

当τw>120 kPa时,ABS/TK 70体系的挤出胀大比增幅明显有增大的趋势。可见,对于ABS/ TK 70体系,剪切应力的增大对于熔体弹性性能的增大产生了明显的影响。这与ABS树脂连续相内有橡胶状聚合物分子链结构有关。随着剪切应力增加,ABS/TK 70熔体的弹性储能及形变的能力有所增强。

图1 ABS/TK70及PP/TK70体系B与τw的关系Fig.1 B versusτwof ABS/TK70 and PP/TK70

2.2 挤出胀大比对温度的依赖性

图2显示了ABS/TK 70及PP/TK 70体系熔体的挤出胀大比对温度的依赖关系。由图2可知: ABS/TK 70体系的挤出胀大比随着温度的上升而增大;而PP/TK 70体系的挤出胀大比随着温度的上升而减小。造成这种现象的原因可能是在一定载荷下,ABS基体中的橡胶相随着温度的升高储存的弹性形变能量增大,且随着其内部分子链活动能力增强,分子间作用力削弱,更加有利于挤出熔体的弹性回复;而且由于ABS/TK 70体系的熔体黏度大,挤出流动速率很小。因此,在实验温度较低时,熔体被挤出口模之后,其表面迅速散热固化,抑止了熔体内分子链的自由弹性回复。但实验温度升高之后,熔体的挤出熔体速率随之增大,挤出的熔体表面凝固时间延长,高分子链有足够的时间弹性回复,因而导致该体系的挤出胀大比随着温度的上升而增大。而对于PP/TK 70体系,聚合物分子链的活动能力随着温度上升而增强,熔体在流动中储存的形变能的黏性耗散增加,导致其弹性特性减弱,挤出后分子链弹性回复能力减弱。

图2 ABS/TK70及PP/TK70体系B对温度的依赖性Fig.2 Effect of temperature on B of ABS/TK70 and PP/TK70

2.3 挤出胀大比与HGB的体积分数关系

图3显示了温度为200℃时ABS/TK 70及PP/TK 70体系熔体的挤出胀大比与 HGB的体积分数的关系。由图3可知:相同剪切应力下ABS/ TK 70体系的挤出胀大比随着 HGB的体积分数增加而增大;而PP/TK 70体系的挤出胀大比随着HGB的体积分数的增加而减小。这是因为对PP/ TK 70体系,HGB的加入,加剧了熔体内储存的形变能的耗散,且不利于挤出物离模后的弹性回复,导致挤出胀大比相应地下降。但对于ABS/TK 70体系,HGB的加入也将消耗熔体内部储存的形变能,但同时也削弱了ABS内部分子链间的作用力,从而有利于挤出后的弹性回复,使得该体系的挤出胀大比随着HGB的体积分数的增加而明显增大。

图3 ABS/TK70及PP/TK70体系B与φf的关系Fig.3 Relationship between B andφfof ABS/TK70 and PP/TK70

3 结论

(1)ABS/TK 70及PP/TK 70体系熔体的挤出胀大比均随着剪切应力τw的增加而增大。对ABS/TK 70体系,当τw>120 kPa时,其熔体的挤出胀大比的增幅明显增大。

(2)ABS/TK 70体系的挤出胀大比随着温度的上升而增大;而PP/TK 70体系的挤出胀大比随着温度的上升而减小。

(3)相同剪切应力下ABS/TK 70体系的挤出胀大比随着HGB的体积分数增加而增大;而PP/ TK 70体系的挤出胀大比随着 HGB的体积分数增加而减小。

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