陳思汕,涂 丹,陳 敏,陳思松,陳 鎮(zhèn)
(浙江世博新材料股份有限公司 浙江 溫州 325800)
ABS 樹脂是由3 種單體丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)聚合而成的三元共聚物。而ABS 樹脂中的橡膠粒子由兩種粒徑的粒子構(gòu)成,一種是SBR 橡膠粒子(粒徑約為0.05 μm),均勻地分散在基材中,粒子包容結(jié)構(gòu)不明顯;另一種是PB 橡膠粒子(粒徑在0.25 μm 以上),殼層為PB-g-SAN 接枝共聚物,內(nèi)部則含有大量的SAN粒子[1-3]。
ABS 具有良好的沖擊強(qiáng)度、優(yōu)異的加工穩(wěn)定性,但ABS 樹脂本身存在熱變形溫度低、可燃燒、耐候性差等缺陷,將PA 與ABS 共混所制得的納米PA/ABS 合金既具有PA 的優(yōu)異的耐熱性和耐化學(xué)藥品性,又具有ABS 的韌性和優(yōu)異的加工性能[4]。但PA 與ABS 相容性很差,主要原因是ABS 在PA 樹脂中不能很好地分散,界面不能融合,PA 和ABS 的加工溫度差距大。加入反應(yīng)性官能團(tuán)的相溶劑,相溶劑分別和PA、ABS 反應(yīng),解決相容性問題。
納米PA/ABS 合金是由剛性納米級、層狀硅酸鹽均勻地分散在尼龍和ABS 機(jī)體中的納米復(fù)合材料。納米PA/ABS合金與純尼龍相比,具有良好的加工性能、優(yōu)異的韌性,比純ABS 具有阻隔性能好,優(yōu)異的力學(xué)性能、低吸濕性、高尺寸穩(wěn)定性、高熱變形。而且其中層狀硅酸鹽填充量為5%左右時,性能最佳。
納米尼龍,工業(yè)級,浙江樂清新興工業(yè)有限公司;ABS,PA-757,臺灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司;相溶劑,GK-6800,廣東高金化工有限公司。
WT100001X 電子天平,常州萬泰天平儀器有限公司;YCT132-4 電磁調(diào)速電動切割機(jī),蘇州江南調(diào)速電機(jī)廠;SHJ-35 平行雙螺桿配料混煉擠出機(jī)組,南京廣達(dá)橡塑機(jī)械廠;DHG-9145A 電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HC-2 氧指數(shù)測定儀,南京市江寧區(qū)分析儀器廠。
將已充分干燥的納米PA 和ABS 分別在105 ℃下置于熱風(fēng)循環(huán)干燥箱中干燥4h,相溶劑GK-6800 按配比混合均勻,相溶劑加入份數(shù)分別為5 份和3 份,然后在直徑為35 mm 的同向平行雙螺桿擠出機(jī)組上擠出,水冷,造粒制成共混物。
2.1.1 沖擊性能測試結(jié)果
隨著納米PA 所占份數(shù)的增加,納米PA/ABS 合金的沖擊強(qiáng)度呈先下降后逐漸上升的趨勢,當(dāng)納米尼龍含量為75%時,納米PA/ABS 合金的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最高值9.14 kJ/m2,相對于ABS 沖擊強(qiáng)度有所下降,但比純納米尼龍?zhí)岣吡?9%。
當(dāng)納米尼龍含量為75%,ABS 含量為25%時納米PA/ABS 合金沖擊強(qiáng)度最大,ABS 在納米PA 基體中形成較為均勻的分散相,作為應(yīng)力集中點(diǎn),其橡膠顆粒在外力作用下可引發(fā)大量的銀紋和剪切帶,這些銀紋和剪切帶的產(chǎn)生和發(fā)展要消耗一些能量,導(dǎo)致體系沖擊強(qiáng)度的增加[5-6]。而隨著納米PA 的繼續(xù)提高,體系中的橡膠含量越來越低,共混物的沖擊強(qiáng)度下降。圖1可以得出納米尼龍加入75份、ABS 加入25 份時,納米PA/ABS 合金沖擊性能達(dá)到一個最優(yōu)值。
2.1.2 拉伸測試結(jié)果
由圖2 可知,隨著納米PA 加入份數(shù)的增加,納米PA/ABS 合金鍛煉伸長率在納米PA 加入份數(shù)為6 份時,即有一個快速增長達(dá)到最高值20.89%,該值相對于ABS 提高了141.7%,相對于純納米PA 有108.3%的提升。
圖3 中發(fā)現(xiàn)隨著納米尼龍所占份數(shù)的增加,納米PA/ABS 合金的拉伸強(qiáng)度也平穩(wěn)上升。這是因?yàn)殡S著納米尼龍含量的增大,ABS 含量變少,納米PA/ABS 合金的橡膠含量降低,納米PA/ABS 合金的硬度得到增強(qiáng)。
圖4 中發(fā)現(xiàn)納米PA/ABS 合金的彈性模量隨納米尼龍所占份數(shù)的增長有較大起伏,在納米尼龍所占份數(shù)為25份和65 份時出現(xiàn)峰值,納米尼龍所占份數(shù)為65 份時納米PA/ABS 合金其彈性模量達(dá)到最高值1128.3MPa,接近于純納米尼龍。這說明,納米PA 與ABS 共混能改善ABS的剛性[7]。
2.1.3 維卡軟化點(diǎn)溫度測試結(jié)果
由圖5 可知,納米尼龍用量的增長可以改善納米PA/ABS 合金的熱變形溫度,納米尼龍所占份數(shù)從30 份到60份這一階段,納米PA/ABS合金的維卡軟化點(diǎn)溫度迅速增長,納米尼龍所占份數(shù)大于60 份后,納米PA/ABS 合金維卡軟化點(diǎn)溫度增長放緩,并逐漸接近于純納米尼龍維卡軟化點(diǎn)溫度。因?yàn)榧{米尼龍含量達(dá)到一定值后,隨著納米PA 含量的提高,納米PA/ABS 中共混物中ABS 的含量越來越少,維卡軟化點(diǎn)溫度快速上升,納米尼龍含量增長到70 份后,納米PA/ABS 合金耐熱性基本穩(wěn)定。
2.1.4 氧指數(shù)測試結(jié)果
圖6 表明隨著納米尼龍所占份數(shù)的增加,納米PA/ABS合金的氧指數(shù)也相應(yīng)升高,但其始終在22%~25.5%范圍內(nèi),說明納米PA/ABS 合金具有一定的阻燃性,但阻燃性能不佳。
PA 與ABS 相容性很差,主要原因是ABS 是一種非結(jié)晶性、弱極性的聚合物,而PA 是一種結(jié)晶性、強(qiáng)極性聚合物樹脂,所以ABS 不能很好地分散在PA 中,界面不能融合,且加工溫度差距大。加入反應(yīng)性官能團(tuán)的相溶劑分別為3 份和5 份,相溶劑分別和PA、ABS 反應(yīng)進(jìn)行性能測試。
2.2.1 沖擊性能測試結(jié)果
圖7可以發(fā)現(xiàn)相溶劑份數(shù)在納米尼龍所占份數(shù)較少時,對納米PA/ABS 合金的沖擊強(qiáng)度有較大的影響,但隨著納米尼龍含量的增加,相溶劑加入量為3 份或5 份時對納米PA/ABS 合金的沖擊性能影響逐漸變小。當(dāng)納米PA 所占的份數(shù)小于等于9 時,相溶劑5 份比相溶劑3 份的沖擊強(qiáng)度高。當(dāng)納米PA 所占份數(shù)大于12 時,相溶劑的份數(shù)對沖擊強(qiáng)度影響逐漸變小。
2.2.2 合金斷裂拉伸性能測試結(jié)果
圖8 為相溶劑用量對納米PA/ABS 合金斷裂伸長率的影響。由圖8 納米PA/ABS 合金中相溶劑份數(shù)為5 份較相溶劑份數(shù)為3 份,納米PA/ABS 合金斷裂伸長率有較大的提高。但后期隨著納米PA 所占的份數(shù)增加,相溶劑份數(shù)對納米PA/ABS 的斷裂伸長率影響也逐漸減小。
由圖9 可知,納米PA/ABS 合金中相溶劑加入份數(shù)為3 份時,相對于相溶劑份數(shù)加入5 份,納米PA/ABS 合金拉伸強(qiáng)度更高。其中,納米PA 所占份數(shù)為10 時,相溶劑3 份的拉伸強(qiáng)度為54 MPa,相溶劑5 份的拉伸強(qiáng)度為50 MPa,相差最大。
由圖10 可知,相溶劑5 份和相溶劑3 份對納米PA/ABS 合金的彈性模量影響較小,即相溶劑加入份數(shù)為5 份相對于3 份,納米PA/ABS 合金的彈性模量更高,有更好的剛性。
2.2.3 合金維卡軟化點(diǎn)溫度測試結(jié)果
由圖11 可知,納米PA/ABS 合金中相溶劑加入5 份相對于加入3 份,其維卡軟化點(diǎn)溫度普遍更高,這說明相溶劑加入量為5 份時,納米PA 與ABS 的相容性得到改善。其中,納米PA 所占份數(shù)為14 時,相溶劑3 份和5 份同時達(dá)到了最高值105 ℃,相容性最好。
本文以納米PA、ABS、相溶劑為主要原料,利用雙螺桿擠出機(jī)通過熔融共混法制備納米PA/ABS 合金,在相同加工條件下改變納米PA/ABS 共混物中納米PA 的用量和不同相溶劑份數(shù),考察納米PA/ABS 合金的力學(xué)性能、維卡軟化點(diǎn)溫度、氧指數(shù)等性能,并分析納米PA/ABS 合金性能變化,通過研究得到以下結(jié)論。
(1)改變納米PA 與ABS 樹脂的共混配比發(fā)現(xiàn),當(dāng)納米PA 加入份數(shù)為75 份,ABS 加入份數(shù)為25 份時,納米PA/ABS 合金的缺口沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)最優(yōu)值。
(2)加入少量納米尼龍對于納米PA/ABS 合金的韌性有較大提高,但是隨著納米尼龍加入量增大,納米PA/ABS合金韌性有較大下降。增加納米PA/ABS 合金中納米尼龍含量,納米PA/ABS 合金的拉伸強(qiáng)度平穩(wěn)上升,但是彈性模量會有較大波動,在納米尼龍所占份數(shù)為65 份時,納米PA/ABS 合金彈性模量出現(xiàn)最大值,達(dá)到1128.3 MPa。
(3)納米PA/ABS 合金的維卡軟化點(diǎn)溫度與氧指數(shù)均隨納米尼龍含量增大而升高。納米尼龍所占份數(shù)從30 份到70 份這一階段,納米PA/ABS 合金的維卡軟化點(diǎn)溫度快速增長,納米尼龍所占份數(shù)為75 份時,納米PA/ABS 合金維卡軟化點(diǎn)溫度接近于純納米尼龍。納米尼龍的加入可以有效提高ABS 的耐熱性。納米PA/ABS 合金具有一定的阻燃性。
(4)綜合考慮各性能變化,對于納米PA/ABS 合金,納米PA 加入份數(shù)為75 份時,其綜合性能最好。另一方面考慮生產(chǎn)成本因素,納米PA 價格要高于ABS,可以根據(jù)試樣具體性能要求,選擇最合適的共混配比。
(5)納米PA/ABS 合金中相溶劑加入5 份相對于加入3 份,納米PA/ABS 合金的斷裂伸長率、彈性模量、維卡軟化點(diǎn)溫度有一定上升,納米PA/ABS合金綜合性能相對更優(yōu)。