填料对ABS性能影响的研究

2024-03-05雷祖碧

合成材料老化与应用 2024年1期

雷祖碧，王飞，马玫

（广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665）

高分子材料行业中，将相对廉价的非金属矿粉体材料或其它材料添加到高分子材料中，起到增量、改善性能和增加功能三大作用，称为高分子材料的填充改性。无机矿物粉体的填充往往可大大降低制品的原材料成本，在使用性能得以满足的情况下，使用的粉体越多，降低成本的作用越大。

ABS是由丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三种单体共聚而成的热塑性聚合物，是介于通用塑料与工程塑料之间的一种高分子材料。因具有优异的机械性能，良好的加工性能，耐化学试剂和表面光泽性好等优异性能而广泛用于汽车、家电、办公设备和通讯等领域。由于在实际应用的场景、条件、环境的不同，需要对ABS进行改选，使其达到使用要求[1-2]，笔者从市面上选择了碳酸钙和滑石粉粉体，分别在ABS树脂中进行应用试验研究，重点考察了碳酸钙、滑石粉各自与ABS树脂形成的复合材料的力学性能、加工性能及热稳定性能等方面的优势和差异。

1 试验部分

1.1 主要原料

碳酸钙（CaCO3），工业级，1500目，广州市旺路达化工公司；滑石粉（Talc），工业级，1250目，广州市旺路达化工有公司；PE蜡，工业级，市售；硬脂酸钙，工业级，市售；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）,通用级，天津大沽；季戊四醇硬脂酸酯(PETS)，江苏省海安石油化工厂；抗氧剂1076、抗氧剂168，烟台新秀化学科技股份有限公司。

1.2 主要仪器及设备

同向双螺杆挤出机，TDS-35，南京诺达高聚物装备有限公司；注塑机，BT-80V-I，广州创博有限公司；H10KS万能材料拉伸试验机，英国HOUNSFIED公司；复合式冲击试验机，XJF-5.5，承德市金建检测仪器有限公司；电热鼓风干燥箱，JC101型，上海成顺仪器仪表有限公司；熔体流动速率仪，XNR-400B，承德市金建检测仪器有限公司；热变形维卡温度测定仪，HDT/V-3216，承德市金建检测仪器有限公司。

1.3 试验流程

1.3.1 试验配方

ABS树脂，100份；PE蜡，1份；硬脂酸钙，1份；PETS,2份；抗氧剂0.2份；碳酸钙和滑石粉为变量（质量分数：5份,10份，15份，25份，35份）。

1.3.2 试样制备

将ABS、加工助剂、抗氧剂、碳酸钙或滑石粉按一定质量比在高速混合机中混合至85℃出料，将上述混合料在双螺杆机挤出造粒，用注塑机制成标准测试试样，比较两种填料对ABS材料力学性能、加工性能及热性能的影响。

1.4 性能测试与表征

拉伸试验按GB/T 1040-2006进行，拉伸速率10mm/min；悬臂梁缺口冲击试验按GB/T 1843-2008进行；弯曲强度试验按GB/T 9341-2008进行；熔融指数测试按GB/T 3682.1-2018进行；负荷变形温度测试按GB/T 1634.2-2004进行。

2 结果与讨论

2.1 填充改性ABS的综合性能

由表1中数据可知，随着碳酸钙与滑石粉填充量的逐渐增加，ABS材料的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度等力学性能都受到不同程度的影响；适当的填料填充ABS,可提高材料的热变形温度；适量添加填料不会影响ABS材料的加工流动性。

表1 填料对ABS性能的影响Table 1 Effect of filler materials on the properties of ABS

2.2 碳酸钙、滑石粉对ABS填充改性性能的影响

从图1可知，在相同填充量下填料对ABS材料的拉伸强度有明显差异，滑石粉优于碳酸钙。添加量≤10份，滑石粉填充能提高ABS的拉伸强度，当填充量大于10份，ABS材料的拉伸强度开始下降；对于碳酸钙而言，少量填充ABS就会带来材料拉伸性能的下降；这表明，ABS的刚性可通过填充滑石粉粒子而获得明显改善。这是由于基体树脂分子链的相对运动因硬质粒子的加入而受到限制，导致材料抗拉刚性随着增加[3]。滑石粉外形呈片状，特定方向上材料的刚性提高显著。

图1 不同种类及用量填料的ABS的拉伸强度Fig. 1 Tensile strength of ABS with different types and amounts of f iller materials

滑石粉、碳酸钙对ABS树脂冲击性能的影响如图2所示。可以看出，滑石粉、碳酸钙填充量添加到5份时，其冲击强度急剧下降，然后平缓下降。如上所述，随着无机填料的加入，增加了ABS材料的脆性，导致材料的冲击强度下降。与滑石粉相比，碳酸钙填充ABS材料冲击强度稍高。填料的加入,降低了材料的韧性,带来冲击性能下降这一不利影响,需根据ABS不同用途进行改性。如图3所示，填充改性ABS的弯曲强度总体上均随着填充量的增加而降低，但添加量≤10份时，滑石粉填充ABS材料的弯曲强度变化不大；在相同填充量下，滑石粉填充ABS材料的弯曲强度要高于碳酸钙。由于滑石粉颗粒在ABS材料中呈片状排列，与ABS基体树脂在大分子链运动中的阻碍作用增大,导致滑石粉对ABS材料抗弯能力提高，因此一定程度上减缓了无机填料对ABS力学性能的负面影响。

图2 不同种类及用量填料的ABS的冲击强度Fig. 2 Impact strength of ABS with different types and amounts of f iller materials

图3 不同种类及用量填料的ABS的弯曲强度Fig. 3 Flexural strength of ABS with different types and amounts of f iller materials

由图4可知，随着填料的添加量增加，ABS树脂的熔融指数先升后降，当填充量超过10份时，填充ABS材料的流动性开始下降。表明适当添加填料的ABS，在相关加工助剂的配合下，并未造成对材料的流动性的负面影响，因为季戊四醇硬脂酸酯PETS与PE蜡、硬脂酸钙形成良好的润滑配伍作用，保证了ABS与填料复合体系的加工性能不受影响。当填料超过15份,加工助剂添加量不变的情况下难以保持ABS的加工性能。

图4 不同种类及用量填料的ABS的熔融指数Fig. 4 MFI of ABS with different types and amounts of filler materials

填料（碳酸钙及滑石粉）的用量对ABS热变形温度的变化曲线如图5所示。碳酸钙和滑石粉的加入提高了ABS的热变形温度，滑石粉对ABS热变形温度的提高幅度高于碳酸钙。这是由于无机刚性粒子的加入，限制了大分子链移动，从而提高了ABS的热变形温度，而片状的滑石粉阻隔了大分子链段运动的效果要优于粒状的碳酸钙，因此其对ABS的热变形温度有较大提高[4-5]。