玻纤增强ABS氙灯老化性能的研究
2022-02-26胡世军何智国
胡世军，何智国
（广东美的环境电器制造有限公司，广东中山 528425)
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）具有良好的抗冲击、高光泽度和可加工性能、电镀性能等，在家用电器、电子电气、汽车零部件等方面有着广泛的应用，是目前产量最大、应用最为广泛的通用聚合物材料之一。但是ABS材料中含有不饱和的丁二烯双键结构，在自然环境下，由于风吹、雨淋、空气氧化、太阳光紫外线破坏等因素的影响，丁二烯双键结构很容易被氧化破坏，导致聚合物分子链降解，材料性能下降。因此，ABS材料使用前通常需要改善其耐候性能，特别是户外使用的场所。目前对未增强ABS耐候性能的研究已经较多文献报道［1-9］。但对玻纤增强ABS的耐候性研究目前还较少。左晓玲等［10］综述了长玻纤增强热塑性复合材料老化研究进展及防老化研究，鲁蕾等［11］则研究了玻璃纤维增强塑料的基体/玻纤界面粘结及其老化机理。本文以国内知名公司的风叶用玻纤增强ABS材料为基础，对氙灯老化试验1000h前后玻纤增强ABS复合材料的力学性能和颜色变化做了对比研究。
1 实验部分
1.1 主要原料
ABS：牌号8391，上海高桥石油化工有限责任公司；硅烷偶联剂：牌号FD792，浙江沸点化工；抗氧剂： 牌号1010，临沂三丰化工，抗氧剂：牌号168，临沂三丰化工；紫外光吸收剂：牌号5411，双键化工；受阻胺类光稳定剂：牌号770，巴斯夫；无碱连续玻纤：牌号ER13-988A,中国巨石集团；色粉：RR蓝，拜尔朗盛；扩散粉EB-FF，日本花王。
1.2 设备及测试仪器
挤出机：TSE-35，南京瑞亚弗斯特高聚物装备有限公司；注塑机：UN90A，广东伊之密精密机械有限公司；电子万能试验机：深圳三思纵横科技有限公司；冲击试验机：XJUD系列，承德市金建检浊仪器有限公司；色差仪：CR-400,柯尼卡美能达（日本）;氙灯老化箱：型号Q-sun xe-3-HS,Q-Lab公司。
1.3 试样制备
将ABS、FD792、1010、168、5411、770、EB-FF、色粉等按照表1试验配方混合均匀，然后通过TSE-35型双螺杆挤出机挤出造粒，无碱连续玻璃纤维由双螺杆挤出机的第四段筒体加入，挤出机各区及机头温度为180、
表1 试验配方Tabel 1 The experimental formulations
190、200、210、215、215、220、220、225、220 ℃，挤出机转速为250r/min，然后将挤出的粒料注塑成标准样条和色板，注塑机温度为215～225 ℃。
1.4 性能测试
拉伸强度浊试按GB/T 1040进行，拉伸速率为50mm/min；弯曲强度浊试按GB/T 9341进行，弯曲速率为2mm/min；弯曲模量浊试按GB/T 9341进行，弯曲速率为2mm/min；悬臂梁缺口冲击强度浊试按GB/T 1843进行；耐候性能浊试按GB/T 16422.2-2014进行，其中，黑标温度(65±3)℃；相对湿度不控制；试验箱温度：不控制；暴露周期：102min干燥，18min 喷淋（方法A:使用日光滤光器的暴露，人工气候老化）。
总色差值ΔE按计算得到，其中，ΔL、Δa、Δb为氙灯老化前后色差的变化值。
2 结果与讨论
2.1 拉伸性能
从表2可以看出，与文献报道中未增强ABS在紫外老化和自然环境老化后的拉伸强度变化趋势类似［3,9］,氙灯老化1000h后，玻纤增强ABS的拉伸强度下降，这主要是由于随着氙灯老化过程的进行，ABS树脂基体和玻璃纤维均趋向于老化破坏，并且ABS基体与增强相玻璃纤维之间的偶联作用被削弱，两相界面作用恶化，玻纤增强作用下降，因此拉伸强度下降。
表2 氙灯老化试验后玻纤增强ABS拉伸强度的变化对比Tabel 2 Tensile strength comparison of glass fiber reinforced ABS after xenon lamp aging
另外，可以看出，未添加耐候剂的试样拉伸强度保持率在78%，添加紫外光吸收剂、光稳定剂、抗氧剂等耐候剂后，玻纤增强ABS的拉伸强度保持率在89%，耐候剂延缓了氙灯老化作用对该复合材料的破坏，提高了老化后玻纤增强ABS材料的拉伸强度保持率。
2.2 弯曲强度
表3是氙灯老化试验后玻纤增强ABS的弯曲强度对比，与拉伸强度的变化类似，氙灯老化1000h后，玻纤增强ABS的弯曲强度呈现下降趋势。这主要是由于氙灯老化过程不仅破坏了ABS树脂基体和玻璃纤维，还恶化了两相界面的偶联粘结作用，使得老化后的试样在弯曲载荷作用下更容易断裂失效，在性能上则体现为弯曲强度降低。
从表3还可以看出，氙灯老化试验后，两组试样的弯曲强度保持率都在90%以上，其中，添加耐候剂的试样性能保持率达到了94%，耐候剂有利于玻纤增强ABS弯曲强度的保持。并且，相对于纵向的拉伸破坏，氙灯老化作用对玻纤增强ABS抵抗横向弯曲破坏的影响比较有限。
表3 氙灯老化试验后玻纤增强ABS弯曲强度的变化对比Tabel 3 Flexural strength comparison of glass fiber reinforced ABS after xenon lamp aging
2.3 弯曲模量
表4为氙灯老化后玻纤增强ABS的弯曲模量变化对比,从表4可以看出，氙灯老化后，玻纤增强ABS的弯曲模量略有升高，这主要是由于ABS树脂在氙灯老化过程中，聚合物结构中起到增韧作用的丁二烯橡胶相被氧化破坏，失去柔韧性和弹性，老化后的ABS分子链逐渐变成刚性的分子链，导致该复合材料体系变成更加硬而脆的体系，使得弯曲模量略有增加。另外，添加了耐候剂的试样弯曲模量增加较少，这可能是因为耐候剂相对延缓了ABS树脂分子链的老化降解过程，保留了部分ABS分子链的韧性而导致的。
表4 氙灯老化试验后玻纤增强ABS弯曲模量的变化对比Tabel 4 Flexural modulus comparison of glass fiber reinforced ABS after xenon lamp aging
2.4 缺口冲击强度
表5列出了氙灯老化试验后，玻纤增强ABS缺口冲击强度的变化情况，可以看出，耐候剂对玻纤增强ABS的冲击韧性有较好的保护作用。氙灯老化后，添加了耐候剂的试样冲击韧性仍然能保持93%左右，而没有添加耐候剂的试样，经1000h的氙灯老化试验后，缺口冲击强度只有原来的68%，下降了接近32%。
表5 玻纤增强ABS缺口冲击强度的变化对比Tabel 5 Notch impact strength comparison of glass fiber reinforced ABS after xenon lamp aging
2.5 色差变化
表6 为玻纤增强ABS氙灯老化1000h后的色差变化对比，与未增强的ABS氙灯老化后颜色变化［5］略有不同，经1000h的老化试验后，玻纤增强ABS的颜色呈现变白、变绿、变黄的趋势。这可能是由于本方案中的玻纤增强ABS体系中加有蓝色的色粉，这些蓝色色粉在氙灯老化后被稀释而变浅，并且增强相玻璃纤维在老化过程中逐渐失去表面处理剂和水分而导致颜色变白，当这两方面的作用比基体ABS树脂老化变暗［5］的作用更显著时，复合材料最终就会显示变白。
另外，从表6还可以看出，经1000h的氙灯老化试验后，添加了耐候剂的试样总色差为4.28，只有未添加耐候剂的试样总色差的52%。因此，耐候剂对老化过程中玻纤增强ABS材料颜色的稳定具有较好的保护作用。
表6 氙灯老化试验后玻纤增强ABS色差变化对比Tabel 6 The color change comparison of glass fiber reinforced ABS after xenon lamp aging
3 结论
（1）氙灯老化试验1000h后，玻纤增强ABS复合材料体系拉伸强度和弯曲强度均降低。
（2）相对于纵向的拉伸破坏，氙灯老化作用对玻纤增强ABS抵抗横向弯曲破坏的影响比较有限。老化后的玻纤增强ABS复合材料体系冲击韧性下降，但弯曲模量略有升高。
（3）耐候剂的加入能够有效地延缓玻纤增强ABS力学性能的衰减和颜色色差的变化。
