纳米PA/ABS 合金的应用研究

陈思汕，涂 丹，陈 敏，陈思松，陈 镇

（浙江世博新材料股份有限公司 浙江 温州 325800）

0 引言

ABS 树脂是由3 种单体丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）聚合而成的三元共聚物。而ABS 树脂中的橡胶粒子由两种粒径的粒子构成，一种是SBR 橡胶粒子（粒径约为0.05 µm），均匀地分散在基材中，粒子包容结构不明显；另一种是PB 橡胶粒子（粒径在0.25 µm 以上），壳层为PB-g-SAN 接枝共聚物，内部则含有大量的SAN粒子[1-3]。

ABS 具有良好的冲击强度、优异的加工稳定性，但ABS 树脂本身存在热变形温度低、可燃烧、耐候性差等缺陷，将PA 与ABS 共混所制得的纳米PA/ABS 合金既具有PA 的优异的耐热性和耐化学药品性，又具有ABS 的韧性和优异的加工性能[4]。但PA 与ABS 相容性很差，主要原因是ABS 在PA 树脂中不能很好地分散，界面不能融合，PA 和ABS 的加工温度差距大。加入反应性官能团的相溶剂，相溶剂分别和PA、ABS 反应，解决相容性问题。

纳米PA/ABS 合金是由刚性纳米级、层状硅酸盐均匀地分散在尼龙和ABS 机体中的纳米复合材料。纳米PA/ABS合金与纯尼龙相比，具有良好的加工性能、优异的韧性，比纯ABS 具有阻隔性能好，优异的力学性能、低吸湿性、高尺寸稳定性、高热变形。而且其中层状硅酸盐填充量为5%左右时，性能最佳。

1 实验材料与方法

1.1 主要试剂与仪器

纳米尼龙，工业级，浙江乐清新兴工业有限公司；ABS，PA-757，台湾奇美实业股份有限公司；相溶剂，GK-6800，广东高金化工有限公司。

WT100001X 电子天平，常州万泰天平仪器有限公司；YCT132-4 电磁调速电动切割机，苏州江南调速电机厂；SHJ-35 平行双螺杆配料混炼挤出机组，南京广达橡塑机械厂；DHG-9145A 电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；HC-2 氧指数测定仪，南京市江宁区分析仪器厂。

1.2 实验方法

将已充分干燥的纳米PA 和ABS 分别在105 ℃下置于热风循环干燥箱中干燥4h，相溶剂GK-6800 按配比混合均匀，相溶剂加入份数分别为5 份和3 份，然后在直径为35 mm 的同向平行双螺杆挤出机组上挤出，水冷，造粒制成共混物。

2 结果与讨论

2.1 纳米尼龙含量对纳米PA/ABS 合金性能的影响

2.1.1 冲击性能测试结果

随着纳米PA 所占份数的增加，纳米PA/ABS 合金的冲击强度呈先下降后逐渐上升的趋势，当纳米尼龙含量为75%时，纳米PA/ABS 合金的冲击强度达到最高值9.14 kJ/m2，相对于ABS 冲击强度有所下降，但比纯纳米尼龙提高了19%。

当纳米尼龙含量为75%，ABS 含量为25%时纳米PA/ABS 合金冲击强度最大，ABS 在纳米PA 基体中形成较为均匀的分散相，作为应力集中点，其橡胶颗粒在外力作用下可引发大量的银纹和剪切带，这些银纹和剪切带的产生和发展要消耗一些能量，导致体系冲击强度的增加[5-6]。而随着纳米PA 的继续提高，体系中的橡胶含量越来越低，共混物的冲击强度下降。图1可以得出纳米尼龙加入75份、ABS 加入25 份时，纳米PA/ABS 合金冲击性能达到一个最优值。

2.1.2 拉伸测试结果

由图2 可知，随着纳米PA 加入份数的增加，纳米PA/ABS 合金锻炼伸长率在纳米PA 加入份数为6 份时，即有一个快速增长达到最高值20.89%，该值相对于ABS 提高了141.7%，相对于纯纳米PA 有108.3%的提升。

图3 中发现随着纳米尼龙所占份数的增加，纳米PA/ABS 合金的拉伸强度也平稳上升。这是因为随着纳米尼龙含量的增大，ABS 含量变少，纳米PA/ABS 合金的橡胶含量降低，纳米PA/ABS 合金的硬度得到增强。

图4 中发现纳米PA/ABS 合金的弹性模量随纳米尼龙所占份数的增长有较大起伏，在纳米尼龙所占份数为25份和65 份时出现峰值，纳米尼龙所占份数为65 份时纳米PA/ABS 合金其弹性模量达到最高值1128.3MPa，接近于纯纳米尼龙。这说明，纳米PA 与ABS 共混能改善ABS的刚性[7]。

2.1.3 维卡软化点温度测试结果

由图5 可知，纳米尼龙用量的增长可以改善纳米PA/ABS 合金的热变形温度，纳米尼龙所占份数从30 份到60份这一阶段，纳米PA/ABS合金的维卡软化点温度迅速增长，纳米尼龙所占份数大于60 份后，纳米PA/ABS 合金维卡软化点温度增长放缓，并逐渐接近于纯纳米尼龙维卡软化点温度。因为纳米尼龙含量达到一定值后，随着纳米PA 含量的提高，纳米PA/ABS 中共混物中ABS 的含量越来越少，维卡软化点温度快速上升，纳米尼龙含量增长到70 份后，纳米PA/ABS 合金耐热性基本稳定。

2.1.4 氧指数测试结果

图6 表明随着纳米尼龙所占份数的增加，纳米PA/ABS合金的氧指数也相应升高，但其始终在22%～25.5%范围内，说明纳米PA/ABS 合金具有一定的阻燃性，但阻燃性能不佳。

2.2 相溶剂用量对纳米PA/ABS 合金性能的影响

PA 与ABS 相容性很差，主要原因是ABS 是一种非结晶性、弱极性的聚合物，而PA 是一种结晶性、强极性聚合物树脂，所以ABS 不能很好地分散在PA 中，界面不能融合，且加工温度差距大。加入反应性官能团的相溶剂分别为3 份和5 份，相溶剂分别和PA、ABS 反应进行性能测试。

2.2.1 冲击性能测试结果

图7可以发现相溶剂份数在纳米尼龙所占份数较少时，对纳米PA/ABS 合金的冲击强度有较大的影响，但随着纳米尼龙含量的增加，相溶剂加入量为3 份或5 份时对纳米PA/ABS 合金的冲击性能影响逐渐变小。当纳米PA 所占的份数小于等于9 时，相溶剂5 份比相溶剂3 份的冲击强度高。当纳米PA 所占份数大于12 时，相溶剂的份数对冲击强度影响逐渐变小。

2.2.2 合金断裂拉伸性能测试结果

图8 为相溶剂用量对纳米PA/ABS 合金断裂伸长率的影响。由图8 纳米PA/ABS 合金中相溶剂份数为5 份较相溶剂份数为3 份，纳米PA/ABS 合金断裂伸长率有较大的提高。但后期随着纳米PA 所占的份数增加，相溶剂份数对纳米PA/ABS 的断裂伸长率影响也逐渐减小。

由图9 可知，纳米PA/ABS 合金中相溶剂加入份数为3 份时，相对于相溶剂份数加入5 份，纳米PA/ABS 合金拉伸强度更高。其中，纳米PA 所占份数为10 时，相溶剂3 份的拉伸强度为54 MPa，相溶剂5 份的拉伸强度为50 MPa，相差最大。

由图10 可知，相溶剂5 份和相溶剂3 份对纳米PA/ABS 合金的弹性模量影响较小，即相溶剂加入份数为5 份相对于3 份，纳米PA/ABS 合金的弹性模量更高，有更好的刚性。

2.2.3 合金维卡软化点温度测试结果

由图11 可知，纳米PA/ABS 合金中相溶剂加入5 份相对于加入3 份，其维卡软化点温度普遍更高，这说明相溶剂加入量为5 份时，纳米PA 与ABS 的相容性得到改善。其中，纳米PA 所占份数为14 时，相溶剂3 份和5 份同时达到了最高值105 ℃，相容性最好。

3 结论

本文以纳米PA、ABS、相溶剂为主要原料，利用双螺杆挤出机通过熔融共混法制备纳米PA/ABS 合金，在相同加工条件下改变纳米PA/ABS 共混物中纳米PA 的用量和不同相溶剂份数，考察纳米PA/ABS 合金的力学性能、维卡软化点温度、氧指数等性能，并分析纳米PA/ABS 合金性能变化，通过研究得到以下结论。

（1）改变纳米PA 与ABS 树脂的共混配比发现，当纳米PA 加入份数为75 份，ABS 加入份数为25 份时，纳米PA/ABS 合金的缺口冲击强度出现最优值。

（2）加入少量纳米尼龙对于纳米PA/ABS 合金的韧性有较大提高，但是随着纳米尼龙加入量增大，纳米PA/ABS合金韧性有较大下降。增加纳米PA/ABS 合金中纳米尼龙含量，纳米PA/ABS 合金的拉伸强度平稳上升，但是弹性模量会有较大波动，在纳米尼龙所占份数为65 份时，纳米PA/ABS 合金弹性模量出现最大值，达到1128.3 MPa。

（3）纳米PA/ABS 合金的维卡软化点温度与氧指数均随纳米尼龙含量增大而升高。纳米尼龙所占份数从30 份到70 份这一阶段，纳米PA/ABS 合金的维卡软化点温度快速增长，纳米尼龙所占份数为75 份时，纳米PA/ABS 合金维卡软化点温度接近于纯纳米尼龙。纳米尼龙的加入可以有效提高ABS 的耐热性。纳米PA/ABS 合金具有一定的阻燃性。

（4）综合考虑各性能变化，对于纳米PA/ABS 合金，纳米PA 加入份数为75 份时，其综合性能最好。另一方面考虑生产成本因素，纳米PA 价格要高于ABS，可以根据试样具体性能要求，选择最合适的共混配比。

（5）纳米PA/ABS 合金中相溶剂加入5 份相对于加入3 份，纳米PA/ABS 合金的断裂伸长率、弹性模量、维卡软化点温度有一定上升，纳米PA/ABS合金综合性能相对更优。