永豐超白大方解石粉在ABS中的應(yīng)用

彭鶴松，曾偉，宋建強(qiáng)，張翔，王光碩，2（.江西廣源化工有限責(zé)任公司，江西吉安 33500； 2.河北工程大學(xué)裝備制造學(xué)院，河北邯鄲 056038）

永豐超白大方解石粉在ABS中的應(yīng)用

彭鶴松1，曾偉1，宋建強(qiáng)1，張翔1，王光碩1，2
（1.江西廣源化工有限責(zé)任公司，江西吉安 331500； 2.河北工程大學(xué)裝備制造學(xué)院，河北邯鄲 056038）

選取3種不同細(xì)度的由永豐超白大方解石制成的超細(xì)碳酸鈣（CC） （CC-1250，CC-2500，CC-6000CC）作為無(wú)機(jī)填料，以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）為基體，采用雙螺桿擠出機(jī)制備了ABS/CC復(fù)合材料，研究了CC的細(xì)度和用量對(duì)ABS力學(xué)性能、熔體流動(dòng)速率（MFR）和密度的影響。結(jié)果表明，在相同的CC （20份）用量下，細(xì)度適中的CC-2500在ABS中的分散性最好，由其制備的ABS復(fù)合材料具有最好的綜合力學(xué)性能和加工流動(dòng)性以及最小的密度。隨CC-2500用量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度逐漸減小，MFR先增加后降低，密度逐漸增大，而缺口沖擊強(qiáng)度總體呈降低的趨勢(shì)，但在CC-2500用量為20份時(shí)有所回升，基本與CC-2500用量為5份時(shí)的數(shù)值相當(dāng)。當(dāng)CC-2500用量為20份時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最好，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、簡(jiǎn)支梁和懸臂梁沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到37.25 MPa，54.98 MPa，18.42 kJ/m2和22.87 kJ/m2，MFR為12.33 g/10 min，密度為1.081 g/cm3。掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示，即使在用量較高的情況下，CC-2500仍可以均勻地分散在ABS基體中。

方解石；超細(xì)碳酸鈣；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料；細(xì)度；力學(xué)性能；熔體流動(dòng)速率；密度；分散

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）產(chǎn)量大、應(yīng)用廣泛，其具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性、耐低溫性、耐化學(xué)溶劑性和抗沖擊性等特點(diǎn)，因而在機(jī)械制造、汽車儀表、電子電器、紡織工業(yè)和建筑建材等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但是，ABS具有耐候性較差且熱變形溫度較低的缺點(diǎn)，由于具體應(yīng)用的條件、場(chǎng)合、環(huán)境等的不同，需要通過(guò)不同的技術(shù)對(duì)ABS進(jìn)行改性，以使其達(dá)到特定場(chǎng)合的使用要求［1-2］。

方解石是一種結(jié)晶的碳酸鹽，其母巖是石灰?guī)r，一般是通過(guò)地質(zhì)沉積作用形成。有的是巖漿后期低溫?zé)嵋夯顒?dòng)的產(chǎn)物，或者由化學(xué)沉積作用所形成。方解石在地質(zhì)作用的形成中，經(jīng)過(guò)了不斷的溶解-沉積作用，這相當(dāng)于不斷的提純過(guò)程，故方解石的碳酸鈣含量一般很高。相比較采用小方解石、白云石、大理石等原礦加工的其它礦石，大方解石具有白度高、純度高、硬度低、光澤度高、比表面積大、加工流動(dòng)性好、制品力學(xué)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。2014 年10月，江西省吉安市永豐縣陶唐鄉(xiāng)發(fā)現(xiàn)一處罕見(jiàn)的大方解石礦，經(jīng)江西廣源化工有限責(zé)任公司合理開(kāi)發(fā)利用及深加工，現(xiàn)已成功應(yīng)用于PVC管件、型材、壓延、電線電纜、功能母粒、色母粒、橡膠鞋材、熱塑性彈性體等多個(gè)行業(yè)。

為了考察超白大方解石粉對(duì)ABS性能的影響，筆者將3種由超白大方解石粉制備的不同細(xì)度的超細(xì)碳酸鈣（CC）添加到ABS中，制備ABS/CC復(fù)合材料，研究了CC的細(xì)度和用量對(duì)ABS/CC復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和熔體流動(dòng)速率（MFR）的影響，為超白大方解石粉在ABS制品中的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

ABS：PA-757，奇美寶業(yè)股份有限公司；

CC：型號(hào)分別為CC-1250，CC-2500，CC-6000，江西廣源化工有限責(zé)任公司，具體性能見(jiàn)表1；

N，N′-亞乙基雙硬脂酰胺（EBS），硬脂酸鋅，硬脂酸：市售；

抗氧劑：GY-168，GY-1010，北京極易化工有限公司。

表1　CC-1250，CC-2500，CC-6000的性能

1.2主要儀器及設(shè)備

高速混合機(jī)：GRH-10D型，阜新鑫克機(jī)械制造有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-36型，螺桿長(zhǎng)徑比為50，螺桿直徑為35.5 mm，南京杰恩特機(jī)電有限公司；

注塑機(jī)：ZX-80型，震雄集團(tuán)公司；

電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：CMT6104型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：ZBC1400-B型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；

MFR儀：ZRZ1452型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；

直讀式電子比重計(jì)：DH-300型，北京儀特諾電子科技有限公司；

場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）：SU8010型，日立（中國(guó)）有限公司。

1.3試樣制備

按配方稱取定量的各組分添加到高速混合機(jī)中，攪拌10 min，冷卻出料；再將混合好的原料加入到雙螺桿擠出機(jī)中熔融擠出造粒，擠出溫度設(shè)為180～200℃，最后用注塑機(jī)將粒子注塑為標(biāo)準(zhǔn)試樣，其中料筒溫度為200～220℃，噴嘴溫度為190～210℃，模具溫度為50～70℃，注塑壓力為50～70 MPa，注塑時(shí)間為50 s。采用型號(hào)為CC-1250，CC-2500和CC-6000的超細(xì)碳酸鈣制備的ABS/ CC復(fù)合材料試樣分別標(biāo)記為A，B，C。復(fù)合材料配方如下：ABS 100份；EBS 4份；硬脂酸鋅5份；硬脂酸0.6份；復(fù)配抗氧劑（GY-168/GY-1010，自配） 0.3份；CC用量分別為5，10，15，20，25，30份。

1.4測(cè)試與表征

拉伸性能按GB/T 1040-2006測(cè)試，拉伸速率為50 mm/min；

彎曲性能按GB/T 9341-2008測(cè)試，測(cè)試速率為20 mm/min；

簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043.1-2008測(cè)試，沖錘能量2 J，跨度40 mm；

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843-2008測(cè)試，沖錘能量2.75 J，跨度40 mm；

營(yíng)養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)篩查及個(gè)體化膳食干預(yù)改善阿爾茨海默病患者認(rèn)知能力的臨床觀察 ………… 于楠楠 趙琛 唐家明 等（4）466

MFR按GB/T 3682-2000測(cè)試，壓力3.8 kg，溫度230℃；

密度按GB/T 1033.1-2008測(cè)試；

將試樣在液氮狀態(tài)下淬斷噴金，采用SEM觀察CC在復(fù)合材料中的分散情況并拍照。

2　結(jié)果與討論

2.1CC細(xì)度對(duì)復(fù)合材料性能的影響

重質(zhì)碳酸鈣被廣泛用作塑料的無(wú)機(jī)填料，其顆粒的細(xì)度對(duì)塑料制品的力學(xué)性能有較大影響。通常碳酸鈣粒徑越小，分布越均勻，制備的塑料制品的力學(xué)性能就越好。但需要注意的是，碳酸鈣顆粒的粒徑越小，均勻分散就越困難，這就需要在塑料制品的加工過(guò)程中添加更多的助劑和選用更好的加工設(shè)備，相應(yīng)的塑料制品的加工費(fèi)用也就更高。為了考察CC細(xì)度對(duì)制備的ABS/CC復(fù)合材料的性能影響，選取了3種不同細(xì)度的CC （CC-1250，CC-2500，CC-6000）對(duì)ABS進(jìn)行改性，CC的用量均為20份，研究了CC-1250，CC-2500，CC-6000 對(duì)ABS/CC復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度和MFR的影響，結(jié)果如表2所示。

表2　不同CC細(xì)度的ABS/CC復(fù)合材料力學(xué)性能和MFR

從表2可以看出，在CC用量均為20份的情況下，由CC-2500制備的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度和MFR最高，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、簡(jiǎn)支梁和懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到37.25 MPa，54.98 MPa，18.42 kJ/m2和22.87 kJ/m2，MFR達(dá)到12.33 g/10 min。綜合各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)和加工流動(dòng)性，細(xì)度適中的CC-2500應(yīng)用到ABS中最為合適。

2.2CC用量對(duì)復(fù)合材料性能的影響

表3為CC-2500用量對(duì)ABS/CC復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度和MFR的影響。

表3　不同CC-2500用量的ABS/CC復(fù)合材料力學(xué)性能和MFR

2.3CC細(xì)度和用量對(duì)復(fù)合材料密度的影響

隨著“節(jié)能環(huán)?！痹絹?lái)越成為人們廣泛關(guān)注的話題，輕量化已逐漸成為塑料加工領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。簡(jiǎn)單而言，在添加相同無(wú)機(jī)填料的情況下，所制備的復(fù)合材料密度應(yīng)越小越好，單位質(zhì)量的原材料所制得的塑料制品數(shù)量增加，單位數(shù)量的塑料制品成本下降［3-6］。為考察不同細(xì)度CC對(duì)ABS/CC復(fù)合材料密度的影響，設(shè)定其用量為20份，測(cè)試了編號(hào)為A，B，C的3種復(fù)合材料試樣的密度，結(jié)果如圖1所示。同時(shí)，測(cè)試了CC-2500用量分別為5，10，15，20，25，30份時(shí)復(fù)合材料的密度，結(jié)果如圖2所示。

圖1　不同CC細(xì)度的ABS/CC復(fù)合材料的密度

圖2　不同CC-2500用量的ABS/CC復(fù)合材料的密度

從圖1可知，在相同的用量下，采用CC-1250制備的復(fù)合材料密度為1.107 g/cm3，采用CC-2500制備的復(fù)合材料密度最小，為1.081 g/cm3，采用CC-6000制備的復(fù)合材料密度最大，為1.132 g /cm3。原因是CC-1250的細(xì)度較大，粒子較粗，分布也相對(duì)較寬，其密度較大；CC-6000的顆粒粒徑最小，但其分散性相對(duì)較困難，較細(xì)的粒子在ABS中分散不均勻，其加工過(guò)程中產(chǎn)生了部分團(tuán)聚，添加到基材的粒子并非其原生粒子，密度也相應(yīng)變大。從圖2可知，隨著CC-2500用量的增加，制備的復(fù)合材料密度逐漸增加。結(jié)合流動(dòng)性和力學(xué)性能考慮，在CC用量為20份的情況下，由CC-2500制備的復(fù)合材料流動(dòng)性和綜合力學(xué)性能最好，而密度也相對(duì)較小，具有最好的綜合性能。

2.4CC在復(fù)合材料中分散性的研究

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微納米材料的合成、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已發(fā)展成為材料科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。研究表明，微納米材料和樹(shù)脂基體的相互作用能夠產(chǎn)生新的特殊效應(yīng)，利用這一效應(yīng)開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異的新興有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料，已經(jīng)引起科學(xué)家的廣泛關(guān)注和強(qiáng)烈興趣［7-8］。但微納米顆粒具有粒徑小、表面能高和比表面積大等特點(diǎn)，使其易于團(tuán)聚并形成二次顆粒，這勢(shì)必極大的影響微納米顆粒諸多優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。因此，如何把微納米粉體穩(wěn)定均勻地分散到樹(shù)脂基體中是制備性能優(yōu)異復(fù)合材料的關(guān)鍵［9-10］。為了考察CC在復(fù)合材料中的分散情況，采用SEM研究了不同細(xì)度的CC-1250，CC-2500和CC-6000在ABS基體中的分散情況，如圖3所示。

圖3　純ABS及ABS/CC復(fù)合材料的斷面SEM照片

由圖3可以看出，當(dāng)在ABS基體中添加細(xì)度較大的CC-1250后，其斷面上有許多CC粒子的團(tuán)聚體顆粒，表明CC-1250在ABS基體中的分散性較差；加入CC-2500后，CC粒子在ABS基體中的分散較為均勻，團(tuán)聚的現(xiàn)象較少；而當(dāng)加入細(xì)度較小的CC-6000后，CC粒子在ABS基體中的團(tuán)聚現(xiàn)象有所增加，斷面中出現(xiàn)較多的團(tuán)聚體顆粒。這主要是由于CC-6000粒徑較小，比表面積大，較容易在ABS基體中發(fā)生團(tuán)聚，這也解釋了由CC-6000制備的ABS/CC復(fù)合材料密度較大的原因。

圖4為不同用量的CC-2500填充ABS復(fù)合材料的斷面SEM照片。由圖4可以看出，不同用量的CC-2500粒子在ABS基體中的分散較為均勻，即使在較高的用量下，CC-2500粒子團(tuán)聚的現(xiàn)象仍較少，即使有少許團(tuán)聚體顆粒，其尺寸也不是很大，這表明CC-2500粒子應(yīng)用于ABS中具有較大的優(yōu)越性，有利于得到力學(xué)性能、加工性能和分散性能均良好的ABS基復(fù)合材料，為江西永豐超白大方解石粉在ABS制品中的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

圖4　不同用量的CC-2500填充ABS復(fù)合材料的斷面SEM照片

3　結(jié)論

（1）在3種細(xì)度的CC中，相同用量的情況下細(xì)度適中的CC-2500對(duì)ABS的改性效果最好，由其制備的ABS/CC復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能和加工流動(dòng)性最好，密度最小。

（2）隨CC-2500用量增加，復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度逐漸降低，MFR先升高后降低，密度逐漸增大，缺口沖擊強(qiáng)度總體呈降低趨勢(shì)，但當(dāng)CC-2500用量為20份時(shí)有所回升，基本與CC-2500用量為5份時(shí)的數(shù)值相當(dāng)。

（3）當(dāng)CC-2500用量為20份時(shí)，制備的ABS /CC復(fù)合材料綜合性能最好，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、簡(jiǎn)支梁和懸臂梁沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到37.25 MPa，54.98 MPa，18.41 kJ/m2和22.87 kJ/m2，MFR達(dá)到12.33 g/10 min，密度為1.081 g/cm3。

（4）在3種細(xì)度的CC中，CC-2500在ABS中的分散性最好，且在其用量較高時(shí)，CC-2500粒子也能均勻地分散在ABS樹(shù)脂基體中，沒(méi)有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生。

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Application of Ultra-white Big Calcite Powder Produced from Yongfeng on ABS

Peng Hesong1， Zeng Wei1， Song Jianqiang1， Zhang Xiang1， Wang Guangshuo1， 2
（1. Jiangxi Guangyuan Chemical Co. Ltd.， Ji'an 331500， China；2. Colloge of Equipment Manufacturing， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

Selecting three kinds of ultra-fine calcium carbonate （CC） （CC-1250，CC-2500，CC-6000） made of ultra-white big calcite produced from yongfeng of Ji′an with different fineness as inorganic fillers and acrylonitrile-butadiene-styrene plastic （ABS）as matrix，the ABS/CC composites were prepared successfully using a twin-screw extruder，the effects of CC fineness and content on the mechanical properties，melt flow rate （MFR） and density of the composites were studied in detail. The results show that，under same CC content （20 phr），compared with the CC-1250 and CC-6000，CC-2500 with medium fineness has best dispersion in the ABS matrix and the ABS/CC-2500 composite has best comprehensive mechanical properties，processing flowability and lowest density. With the increase of CC-2500 content，the tensile strength and bending strength of the composite decrease gradually，MFR increases initially and decreases afterwards，density increases gradually，while the Charpy and Izod notched impact strength decrease as a whole，but when CC-2500 content is 20 phr，their values are rebounded and are basically equal to those when CC-2500 content is 5 phr. When CC-2500 content is 20 phr，the composite has best comprehensive properties，the tensile strength，bending strength，Charpy notched impact strength，Izod notched impact strength，MFR and density are 37.25 MPa，54.98 MPa，18.42 kJ/m2，22.87 kJ/m2，12.33 g/10 min and 1.081 g/cm3，respectively. The SEM results show that under high content， CC-2500 still has homogeneous dispersion in ABS matrix.

calcite；ultra-fine calcium carbonate；acrylonitrile-butadiene-styrene plastic；fineness；mechanical property；melting flow rate；density；dispersion

TQ314.263

A

1001-3539（2016）08-0115-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.025

聯(lián)系人：彭鶴松，工學(xué)學(xué)士，主要從事碳酸鈣、滑石粉等無(wú)機(jī)非金屬粉體填料在塑料中的加工應(yīng)用研究

2016-07-08