金 政，李文龍，馬海清，遲旭陽，孫立國

（1.黑龍江大學 高效轉化的化工過程與技術黑龍江省普通高校重點實驗室，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學 化學化工與材料學院，哈爾濱 150080）

0 引 言

ABS樹脂是一種重要的商業(yè)塑料，具有很高的物理性能和力學性能[1]。ABS樹脂相對其它工程塑料具有較低的成本，同時ABS樹脂具有易加工性，低蠕變性以及優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和高抗沖擊強度等，因而在電子電器、儀器儀表、汽車制造、建材工業(yè)等領域得到了廣泛應用[2]。但ABS樹脂因為存在橡膠增韌相，因此其硬度較低，表面容易出現(xiàn)劃痕，限制了其在電子電器和儀器儀表的外殼上的使用，雖然可以通過表面涂漆或者電鍍等方法增加其表面硬度，但增加了成本降低了使用壽命。而無機填料加入聚合物基體中提高力學性能已屢見不鮮，很多研究人員已經(jīng)做了大量實驗，證明了無機填料可以很好的增加聚合物基體的硬度、拉伸強度以及抗沖擊強度等，例如R.Y.Hong等人證明了SiO2微球可以很好的增強PMMA的硬度、抗沖強度和彎曲強度等[3]；楊柳青等人使用分子篩作為無機剛性粒子填料，在保強保韌甚至提高強度韌性的前提下，很好的提高MC尼龍的硬度、耐磨、耐熱及防老化等性能[4]。綜合來看，使用無機填料改性聚合物已經(jīng)得到廣泛的認同，加入無機填料能有效的解決ABS產(chǎn)品表面硬度等力學性能問題。

白炭黑是目前世界上大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)量最高的一種納米粉體材料[5]。由于納米白炭黑粒子具有大的比表面積、高比強度和硬度，因此常將其作為無機填料增強或增韌聚合物基體[6－7]。但是與聚合物之間的相容性以及分散程度一直是需要克服的難點[8]，引入硅烷偶聯(lián)劑以后，使得白炭黑表面羥基與硅氧烷鍵發(fā)生反應，在白炭黑表面形成有機結構，可以降低白炭黑的表面能，提高其與聚合物的相容性和分散程度[9－13]。

本文以KH-550表面改性過的氣相白炭黑（納米尺度）為無機填料，ABS樹脂為基體材料，使用雙螺桿擠出機和注塑機等設備將兩種材料共混成型，并通過多種力學測試，系統(tǒng)地研究了白炭黑含量對復合材料的力學性能影響規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

ABS樹脂：PA-747，臺灣奇美實業(yè)股份有限公司；氣相白炭黑：A-200，沈陽化工股份有限公司；KH-550：分析純，南京道寧化工有限公司。

1.2 實驗儀器

數(shù)顯恒速攪拌器：51K90RA-CF，上海申勝生物技術有限公司；雙螺桿擠出機：TE-35，江蘇科亞公司；全液壓塑料注射機：JPH120，順德秦川恒利公司；萬能制樣機：ZHY-W，承德試驗機廠；微機控制電子拉力機：WDT90，深圳凱強利機械廠；懸臂梁沖擊式樣機：XJU，承德試驗機廠；邵氏硬度計：XHS，營口市材料試驗有限公司；彎曲試樣機：自制。

1.3 樣品的制備

將氣相白炭黑加到一個5000mL的三頸瓶中，放入一定量的無水乙醇，超聲分散開，然后裝上攪拌裝置，放入水浴中升溫至60℃。稱取白炭黑質(zhì)量分數(shù)5%的KH-550，并與4倍體積的蒸餾水混合，然后將混合液倒入三頸瓶中，恒溫反應4h，離心干燥。

按照復合材料質(zhì)量分數(shù)的0、0.5%、1%、1.5%、2%的比例稱取改性白炭黑，將改性白炭黑和ABS樹脂顆粒先進行物理混合，然后加到雙螺桿中，擠出造粒。雙螺桿擠出機各段溫度（由進料斗至機頭）分別為：165、170、175、180、185和170℃。復合材料粒子經(jīng)注塑機注塑成國家標準測試用樣條。注塑成型機各段溫度（由料斗至噴嘴）分別為：190、195、200和205℃。

1.4 性能測試與表征

復合材料經(jīng)液氮脆斷，噴金處理后，采用Hitachi公司S4800掃描電鏡觀察斷面形貌；拉伸試驗按照GB／T 1040-90的測試標準；沖擊試驗按照GB／T 1043-93的測試標準；邵氏硬度試驗按照GB／T 2411-1980的測試標準；彎曲試驗按照GB／T 1449-83的測試標準。

2 結果與討論

2.1 改性氣相白炭黑電鏡照片

圖1為改性白炭黑的掃描電鏡照片，由圖1可知，白炭黑是一種納米級別的無機材料，粒徑約600nm，這種尺寸的無機粒子，由于比表面積較大，很容易團聚在一起，形成圖1中的聚集結構。

2.2 組成比對白炭黑／ABS復合材料邵氏硬度的影響

邵氏硬度計是一種簡便的測試儀器，它主要表征了材料硬度上的一些變化，更加直觀地給出了無機粒子與聚合物之間作用的效果。圖2為白炭黑含量對復合材料的硬度影響。由圖2可見，白炭黑在含量較低時對復合材料起到很好地增強作用，體現(xiàn)在宏觀硬度上的增加，后期的下降主要由于白炭黑顆粒的體積分數(shù)增加，在復合材料里團聚加劇，造成缺陷，導致表面上的硬度下降。與純ABS樹脂相比，在白炭黑占復合材料的1.5wt%時，邵氏強度提高了約12.20%。

2.3 組成比對白炭黑／ABS復合材料拉伸性能的影響

圖3為白炭黑含量對復合材料拉伸強度的影響曲線。由圖3可見，隨著白炭黑含量的增加，曲線呈現(xiàn)先升后降的趨勢，主要原因在于剛性白炭黑粒子在加入很少時，大部分粒子進入到聚合物基體裂縫空隙內(nèi)，與聚合物形成整體結構，把無機粒子從聚合物基體中剝離出來需要消耗很多的能量，宏觀體現(xiàn)在拉伸強度增大，間接表明材料的剛性得到很好的提高。但隨著白炭黑含量的增加，團聚現(xiàn)象加大，在聚合物基體內(nèi)產(chǎn)生除了裂縫以外的應力集中點，使得材料更加容易開裂，拉伸強度下降。當白炭黑含量為1.5wt%時，拉伸強度提高了約13.56%。圖4為白炭黑含量在1.5wt%時復合材料斷面的掃描電鏡照片，由圖4可見，凸起和下凹結構主要為裂縫的擴張將白炭黑粒子從ABS基體中剝離殘留的白炭黑粒子和離去粒子所占的 “坑狀”結構，這種剝離需要消耗很大的剝離能，即需要更大的外部應力來使材料斷裂，更加直觀地驗證了圖3中拉伸強度曲線的變化，證實了無機粒子對增強復合材料力學性能有很大的貢獻。

圖5為白炭黑含量對復合材料斷裂伸長率的影響曲線。曲線隨著白炭黑含量的增加，呈現(xiàn)下降趨勢，主要原因在于白炭黑粒子的尺寸較小，并不能使得應力在復合材料中均勻分散開，只能形成少量的銀紋結構，造成材料韌性的下降。當白炭黑含量為2wt%時，斷裂伸長率下降了約11.87%。

2.4 組成比對白炭黑／ABS復合材料彎曲性能的影響

圖5 白炭黑含量對復合材料斷裂伸長率的影響Fig.5 Effects of fumed silica contents on the elongation at break of composites

彎曲模量又稱撓曲模量，材料在彈性極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力，通常用E來表示彎曲模量。彎曲模量與試樣的支撐跨度成正比，與試樣寬度、厚度和擾度成反比關系。其中擾度表示材料在載荷作用下的形變大小，材料剛性越好，擾度越小，反之，擾度越大。圖6為白炭黑含量對復合材料彎曲模量的影響曲線，彎曲模量曲線變化趨勢與拉伸強度變化趨勢基本相同，粒子加入到聚合物基體中，復合材料的剛性增加，擾度變小，彎曲模量增大，證實粒子對聚合物基體起到了很好的增強作用。但隨著含量的增加，材料的缺陷也在增多，變形能力也會變差，但還是較優(yōu)于純的基體材料，所以彎曲模量也會先升后降。當白炭黑含量為1wt%時，彎曲模量上升了約22.09%。

圖6 白炭黑含量對復合材料彎曲模量的影響Fig.6 Effects of fumed silica contents on the flexural modulus of composites

2.5 組成比對白炭黑／ABS復合材料沖擊性能的影響

圖7為白炭黑含量對復合材料沖擊強度的影響曲線。沖擊實驗是一種動態(tài)力學性能試驗，主要用來測定沖斷一定形狀的試樣所消耗的功，又叫沖擊韌性試驗。材料的韌性越好，擺錘下落沖斷試樣所消耗的能量越大，材料的沖擊強度越大。圖7中曲線呈下降趨勢，說明材料的韌性下降很多，也間接證實粒子對聚合物基體起到了增強作用。當白炭黑含量為2wt%時，沖擊強度下降了約5.53%。

圖7 白炭黑含量對復合材料沖擊強度的影響Fig.7 Effects of fumed silica contents on the impact strength of composites

3 結 論

1）邵氏硬度、拉伸強度及彎曲模量曲線表明，改性白炭黑能有效地增強ABS樹脂，在提高ABS樹脂表面硬度的同時，對復合材料的拉伸強度和彎曲模量也有顯著提高。

2）斷裂伸長率曲線和沖擊強度曲線表明，在改性白炭黑增強ABS樹脂的同時也犧牲了復合材料部分韌性。

3）當白炭黑含量在1.5wt%時，綜合力學性能最佳。

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