納米MgO改性PC／ABS合金耐刮擦性能研究＊

何曉紅，廖正福，李 沖，張小偉，張爍鋒，蔡金海，張堅(jiān)偉，李杰鴻

（1．廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2．北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 510859）

納米MgO改性PC／ABS合金耐刮擦性能研究＊

何曉紅1，2，廖正福1，李 沖2，張小偉1，張爍鋒1，蔡金海1，張堅(jiān)偉1，李杰鴻1

（1．廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2．北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 510859）

探討了納米氧化鎂粒子對(duì)PC／ABS合金力學(xué)性能和刮擦性能的影響．結(jié)果表明添加納米MgO粒子后，PC／ABS合金的拉伸、彎曲和缺口沖擊強(qiáng)度及表面耐刮擦性能都得到了部分改善；當(dāng)納米MgO添加量為7%時(shí)，PC／ABS合金的綜合力學(xué)性能和耐刮擦性能最優(yōu)，其中彎曲強(qiáng)度最大值比未加填料提高10%，缺口沖擊強(qiáng)度可提高7%．刮擦面電鏡表明PC／ABS合金耐刮擦性能得到明顯改善．

PC／ABS；納米氧化鎂；耐刮擦

關(guān)于PC／ABS合金的研究一直很受重視，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，特別是在汽車行業(yè)，包括制造儀表板、車身外板、汽車內(nèi)外裝飾件等．目前，關(guān)于改善PC／ABS合金的相容性、力學(xué)性能、阻燃性能等方面已取得不少成果［1］．抗刮擦性是儀表板、汽車內(nèi)外裝飾件、耐用品和塑料制件外殼等的重要性能之一，但對(duì)PC／ABS合金耐刮擦性能的研究鮮有報(bào)道［2－3］．本文探討了用納米Mg O填充改性PC／ABS合金對(duì)其力學(xué)性能、刮擦性能的影響．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原材料及設(shè)備

PC（廣州廣達(dá)工程塑料廠），ABS（臺(tái)化15A1），MBS（市售），ABS－g－MAH（市售），納米 MgO（市售，用前經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性）．

CMT 5504微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司），XSS－300轉(zhuǎn)矩流變儀（上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司），XJJ5沖擊試驗(yàn)機(jī)（上海研潤(rùn)光機(jī)科技有限公司），JSM－6380LA掃描電子顯微鏡（JEOL）．

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

將PC置于真空干燥箱中120℃干燥12 h、ABS和其他原料在鼓風(fēng)干燥箱中80℃干燥6 h以后，按照預(yù)定配比混料，在轉(zhuǎn)矩流變儀擠出裝置中擠出造粒，然后在平板硫化儀上壓板成型，再按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) 制 樣、測(cè) 試．分 別 按 照 GB／T1040－92、GB／T9341－2000和GB／T16420－96標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試．用自制刮擦儀刮擦試樣，然后在掃描電子顯微鏡上觀察刮痕的情況，研究合金的耐刮擦性能．

2 結(jié)果與討論

2．1 納米氧化鎂粒子對(duì)PC／ABS合金力學(xué)性能的影響

圖1反映了納米MgO粒子添加量對(duì)PC／ABS合金力學(xué)性能的影響．由圖1可見(jiàn)，加入納米MgO粒子后，ABS－g－MAH增容PC／ABS復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有所下降，但隨后會(huì)隨著MgO納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增加．當(dāng)w（MgO）＝7%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，此后會(huì)隨納米粒子含量的增加逐漸下降．這主要是因?yàn)榧{米Mg O粒徑小，具有較大的比表面積，通過(guò)與聚合物發(fā)生物理化學(xué)相互作用，納米粒子在體系內(nèi)起到應(yīng)力集中點(diǎn)的效應(yīng)，可阻止裂紋擴(kuò)展，所以開始時(shí)拉伸強(qiáng)度有所上升．但由于納米MgO屬于剛性無(wú)機(jī)粒子，過(guò)少起不到交聯(lián)作用，填充量過(guò)高，納米粒子不易分散，發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致增強(qiáng)效應(yīng)減小．因此，填充量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)使拉伸強(qiáng)度有所下降［4－5］．

圖1 納米粒子添加量對(duì)PC／ABS合金力學(xué)性能的影響

從圖1還可以看出，添加納米Mg O后彎曲強(qiáng)度隨著納米MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而明顯增加，在納米MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)達(dá)到最高，彎曲強(qiáng)度達(dá)到了88．2 MPa，與添加填料前的PC／ABS合金體系相比，彎曲強(qiáng)度提高了10%．另外，隨著納米MgO粒子加入量的增加，體系缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)．當(dāng)w（MgO）＝7%時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值53．3 kJ／m2，比添加前提高了7%．原因是納米粒子鑲嵌在PC／ABS合金基體中，易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，在沖擊力的作用下，納米粒子將沖擊的點(diǎn)應(yīng)力分散成整個(gè)顆粒表面的面應(yīng)力，引發(fā)顆粒周圍樹脂大面積微開裂，樹脂基體吸收一定的變形功，使基體樹脂裂紋的擴(kuò)展受阻和鈍化，最終裂紋不致發(fā)展成為破壞性開裂．當(dāng)納米粒子的添加量達(dá)到某一臨界值時(shí)，粒子之間由于分散性差，材料受到?jīng)_擊時(shí)產(chǎn)生微裂紋和塑性變形太大，幾乎發(fā)展成宏觀應(yīng)力開裂，從而使沖擊性能下降［5－6］．另外，當(dāng)納米粒子添加量為1%時(shí)，沖擊強(qiáng)度明顯降低，原因主要是納米粒子量太少，尚不足以體現(xiàn)分散沖擊的效應(yīng)．

2．2 納米粒子對(duì)PC／ABS合金刮擦性能的影響

耐刮擦性是指基材受到外力作用時(shí)，對(duì)外力的抵抗能力和形變吸收能力．而當(dāng)這種抵抗能力小及這種形變吸收（產(chǎn)生塑性形變）不能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)時(shí)，基材表面就被破壞，產(chǎn)生劃痕．耐刮擦性能的研究是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)樗婕暗囊蛩睾芏?，包括合金的物性（分子量、交?lián)度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、力學(xué)性能、厚度等），劃痕條件（壓頭的形狀、負(fù)荷、刮擦速度）以及基板性能（彈性模量和硬度）等［7－8］．

研究塑料制品表面刮痕的試驗(yàn)方法有多種，如：五指刮痕試驗(yàn)（在不同載荷刮擦后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)比較刮痕可見(jiàn)度）；伊利其遜十字形切口試驗(yàn)（它檢測(cè)的是刮痕應(yīng)力發(fā)白發(fā)生的顏色變化）；美國(guó)德克薩斯A＆M大學(xué)（TAMU）聚合物技術(shù)中心的刮痕聯(lián)盟已經(jīng)開發(fā)出刮痕試驗(yàn)設(shè)備和新的試驗(yàn)方法，得到了美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）的批準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為D7027－5．利用掃描電鏡（SEM）、電子顯微鏡、光散射、AFM等手段表征刮擦表面的形態(tài)特征，對(duì)比分析聚合物表面耐刮擦性能［2，9－11］．本文采用自己組裝的刮擦儀刮擦試樣，然后在掃描電子顯微鏡上觀察刮痕的情況研究耐刮擦性能．圖2和圖3表示了添加納米粒子前后ABS－g－MAH增容PC／ABS體系刮痕電鏡情況．

從圖3可以看出：當(dāng)納米粒子添加量過(guò)少或過(guò)多時(shí)，復(fù)合材料對(duì)外力的抵抗能力都較差，產(chǎn)生的刮痕較深，表面破壞明顯，較多的合金料被剝離脫落；只有添加適量的納米粒子才能改善合金的耐刮擦性能，從而得到綜合性能較好的復(fù)合材料．填料太少時(shí)，單位體積內(nèi)納米粒子的含量少，增強(qiáng)效果不明顯，而添加量過(guò)多時(shí)，納米粒子會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致分散不均勻，而且表面的大團(tuán)粒子占據(jù)了合金中塑料基體的位置，在刮擦中較易被刮走，因而耐刮擦性能也不好［12］．本實(shí)驗(yàn)的納米 MgO最佳添加量為w（MgO）＝7%（圖3（d）），此時(shí)刮痕較淺、較?。容^圖2和圖3可知，加入填料前劃痕較深、較寬，添加納米微粒可提高材料的耐熱變形能力，從而使材料在往復(fù)刮擦過(guò)程中能夠保持較好的尺寸穩(wěn)定性，表現(xiàn)出良好的耐刮擦性能．顯然，加入納米微粒后，由于其潤(rùn)滑和增強(qiáng)作用，合金的主要磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p，耐磨性能改善，而經(jīng)過(guò)表面改性的納米粒子填料同基體樹脂之間的界面結(jié)合得以加強(qiáng)，因此填充合金材料的耐刮擦性能得到改善［7］．

圖2 未添加納米粒子時(shí)的刮擦圖

圖3 不同納米MgO加入量樣品的刮擦電鏡圖

3 結(jié) 論

PC／ABS合金體系經(jīng)納米 MgO填充后，合金的拉伸、彎曲和缺口沖擊強(qiáng)度都比未添加MgO的體系有所提高，納米Mg O顆粒存在一個(gè)最優(yōu)加入量．當(dāng)納米MgO添加量為7%時(shí)PC／ABS合金的綜合力學(xué)性能最優(yōu)．此時(shí)，彎曲強(qiáng)度最大達(dá)到88．2 MPa，提高了約10%；缺口沖擊強(qiáng)度最大達(dá)到53．3 kJ／m2，提高了約7%．納米MgO的加入可提高材料的耐熱變形能力，使材料在往返刮擦過(guò)程中能夠保持較好的尺寸穩(wěn)定性，加之納米微粒的潤(rùn)滑和增強(qiáng)作用，使合金對(duì)外力的抵抗能力得到提高，從而使體系表面抗刮擦性能得到明顯改善．

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Studies on scratch－resistance of PC／ABS blends filled with nano－MgO

HE Xiao－h(huán)ong1，2，LIAO Zheng－fu1，LI Chong2，ZHANG Xiao－wei1，ZHANG Shuo－feng1，CAI Jin－h(huán)ai1，ZHANG Jian－wei1，LI Jie－h(huán)ong1
（1．Faculty of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2．College of Chemical Engineering and Materials Science，Zhuhai Campus of Beijing Institute of Technology，Zhuhai 519085，China）

The effect of nano－MgO particles on mechanical properties and scratch－resistant behavior of PC／ABS blends were investigated in this article．The results showed that addition of nano－Mg O particles improved the tensile and flexural strength，notched izod impact strength and scratch－resistant of PC／ABS blends．The optimum mechanical properties and scratch－resistant of PC／ABS blend were obtained at the content of nano－MgO particles of 7%and the flexural strength and notched izod impact strength increased by 10%and 7%，respectively compared to unfilled blends．The results in SEM indicated that addition of nano－MgO particles improved the the scratch－resistant capacities of PC／ABS blends and the scratch－resistant behavior．

PC／ABS；nano－MgO；scratch－resistant

TB383

A

1673－9981（2010）04－0651－04

2010－10－10

廣東省高校人才引進(jìn)專項(xiàng)（廳人才引進(jìn)080118）；廣西科學(xué)基金（桂科自0679020）

何曉紅（1983—），女，福建人，助教，碩士．