發(fā)泡母粒對ABS發(fā)泡材料泡孔結(jié)構(gòu)及力學性能的影響*

黃斌，張翔，蔣團輝，王毅，龔維，3

發(fā)泡母粒對ABS發(fā)泡材料泡孔結(jié)構(gòu)及力學性能的影響*

黃斌1，2，張翔2，蔣團輝2，王毅1，2，龔維1，2，3

（1.貴州大學材料與冶金工程學院，貴陽 550025； 2.貴州省材料技術創(chuàng)新基地，貴陽 550014；3.貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴陽 550001）

采用化學注塑發(fā)泡制備了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）發(fā)泡材料，研究發(fā)泡劑母粒載體分別為高抗沖聚苯乙烯（PS-HI），PS-HI+苯乙烯-丁二烯-苯乙烯塑料（SBS），SBS，ABS及聚烯烴彈性體（POE）時發(fā)泡劑母粒對ABS泡孔結(jié)構(gòu)及力學性能的影響。結(jié)果表明，發(fā)泡母粒載體對ABS發(fā)泡試樣的泡孔結(jié)構(gòu)及力學性能具有較大的影響，以POE為發(fā)泡母粒載體所制得的ABS發(fā)泡樣品的泡孔結(jié)構(gòu)、力學性能較好。其泡孔平均直徑為18.5 μm，泡孔密度為4.183×107個/cm3，沖擊強度為11.7 kJ/m2，拉伸強度為30.8 MPa。

ABS；發(fā)泡母粒；泡孔結(jié)構(gòu)；力學性能

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）是一種用途廣泛的共聚物。它結(jié)合了聚苯乙烯（PS）、聚丁二烯（PB）和聚丙烯腈（PAN）的各種性能，呈現(xiàn)出優(yōu)良的力學性能，同時擁有尺寸穩(wěn)定性好、光澤度高、耐低溫和易加工等優(yōu)點［1-3］，因此在汽車、電子電器等［4-7］領域具有廣泛的應用。但隨著石油資源的短缺以及人們環(huán)保意識的增強，將材料輕量化成為了一個必然的趨勢。目前主要采用的方法有聚合物復合化、高性能化以及發(fā)泡等，其中發(fā)泡聚合物由于在輕量化、節(jié)能等方面有著明顯優(yōu)勢［8-9］，且同時具有隔音、隔熱及絕緣等優(yōu)良性質(zhì)，使得聚合物發(fā)泡研究受到了極大的關注。

目前關于ABS發(fā)泡也進行了一定的研究。C. Forest等［10］使用不同型號的ABS，通過氣體CO2釜壓成型，探究了ABS的初始內(nèi)在結(jié)構(gòu)與泡沫最終結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，并制得了納米級的微孔結(jié)構(gòu)。A. Gandhi等［11］通過兩步法制得ABS發(fā)泡材料，在不同成型壓力下通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察泡孔形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較高成型壓力下，泡孔密度較大、泡孔直徑較小。楊永兵等［12-13］研究了發(fā)泡溫度、發(fā)泡壓力及發(fā)泡時間對ABS微孔發(fā)泡材料中氣體的擴散行為及泡孔結(jié)構(gòu)的影響，研究表明，氣體吸收量分別隨著發(fā)泡溫度、發(fā)泡壓力和發(fā)泡時間的增大而先增大后減??；氣體吸收量的提高有利于降低泡孔尺寸并提高泡孔密度，改善發(fā)泡效果。蔣團輝等［14］研究了注塑溫度對ABS復合材料泡孔結(jié)構(gòu)和力學性能的影響。上述研究主要集中在ABS特性、工藝參數(shù)等對ABS發(fā)泡的影響方面，而關于發(fā)泡母粒對ABS發(fā)泡效果及力學性能影響方面的研究較少。

筆者采用化學注塑發(fā)泡方法，制得不同發(fā)泡母粒載體的ABS發(fā)泡材料，分析了各種發(fā)泡母粒載體對ABS泡孔結(jié)構(gòu)及力學性能的影響，以期對ABS發(fā)泡制品的開發(fā)提供一定的參考。

1　實驗部分

1.1原材料

ABS：PA-757，臺灣奇美實業(yè)股份有限公司；

高抗沖聚苯乙烯（PS-HI）：PH-88，臺灣奇美實業(yè)股份有限公司；

偶氮二甲酰胺（AC）：武漢漢洪化工廠；

硬脂酸鋅［Zn（St）2］：溫州市佳達塑料助劑有限公司；

氧化鋅（ZnO）：祥云縣宏祥有限責任公司鋅品廠；

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯塑料（SBS）：F675，中國石化；

聚烯烴彈性體（POE）：ENGAGE 8200，美國DOW公司；

發(fā)泡助劑母粒：由ABS與Zn（St）2和ZnO組成，其中ABS與Zn（St）2/ZnO的質(zhì)量比為5∶1；Zn（St）2與ZnO的質(zhì)量比1∶1，自制［15］。

1.2主要設備與儀器

注塑機：EM120-V型，震德塑料機械有限公司；

同向雙螺桿擠出機：CET-20型，科倍隆科亞（南京）機械有限公司；

微機控制電子萬能試驗機：CMT6104型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；

擺錘沖擊試驗機：ZBC1400-B型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；

SEM：KYKY-EM6200型，北京中科科儀股份有限公司；

電子分析天平：XS250型，美國梅特勒-托利多儀器有限公司；

轉(zhuǎn)矩流變儀：XSS-300 型，上?？苿?chuàng)橡塑機械設備有限公司。

1.3試樣制備

（1）發(fā)泡母粒的制備。

將載體與AC按9∶1比例混合均勻，在同向雙螺桿擠出機上擠出造粒，干燥后得到發(fā)泡母粒，各區(qū)段溫度依次為90，110，115，120，125，130℃，主機螺桿轉(zhuǎn)速為250 r/min。以PS-HI為載體的發(fā)泡母粒記為M1，以50% PS-HI與50% SBS為載體的發(fā)泡母粒記為M2，以SBS，ABS，POE為載體的發(fā)泡母粒分別記為M3，M4，M5。

（2）注塑微孔發(fā)泡試樣的制備。

將發(fā)泡助劑母粒、發(fā)泡母粒和ABS按照1∶2∶17的質(zhì)量比例混合均勻后添加到注塑機中，在175℃下制備試樣。通過改變發(fā)泡母粒種類獲得不同發(fā)泡質(zhì)量的芯層發(fā)泡試樣，按照發(fā)泡母粒載體不同將制得的試樣依次記為F1 （ABS+發(fā)泡母粒M1），F(xiàn)2 （ABS+發(fā)泡母粒M2），F(xiàn)3 （ABS+發(fā)泡母粒M3），F(xiàn)4 （ABS+發(fā)泡母粒M4），F(xiàn)5 （ABS+發(fā)泡母粒M5）。

1.4測試與表征

泡孔結(jié)構(gòu)表征：在液氮下將試樣冷卻3 h后取出脆斷，將斷口噴金后在SEM下進行觀察，拍攝泡孔形態(tài)，并采用image-pro圖像處理軟件對泡孔尺寸進行統(tǒng)計計算［16］。

平衡扭矩測試：將不同載體與ABS的混合物在80℃下干燥6 h，然后采用轉(zhuǎn)矩流變儀測試其平衡扭矩。測試條件：質(zhì)量100 g ，溫度165℃，轉(zhuǎn)速80 r/min，測試時間7 min。

力學性能測試：拉伸性能按GB/T 1040.2-2006測試，測試溫度為23℃；沖擊強度按GB/T 1843-2008測試，每組測試5根樣條，取平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1泡孔結(jié)構(gòu)及形貌分析

表1為不同發(fā)泡母粒載體ABS復合發(fā)泡材料的泡孔平均直徑、孔隙率及泡孔密度。從表1可以看出，試樣F5泡孔平均直徑較小，為18.5 μm；試樣F2泡孔平均直徑較大，為55.17 μm；試樣F1和F3的泡孔平均直徑比較接近，分別為30.2，30.25 μm?？紫堵瘦^大的是試樣F2，達到了21.35%；孔隙率較小的是試樣F5，為13.86%。試樣F5的泡孔密度較大，為4.183×107個/cm3，而試樣F2的泡孔密度較小，只有2.43×106個/cm3。綜合來看，試樣F5的發(fā)泡質(zhì)量較好。

表1　不同發(fā)泡母粒載體對泡孔結(jié)構(gòu)的影響

ABS發(fā)泡材料的泡孔形態(tài)如圖1所示。從圖1可以看出，試樣F5分布比較細密，泡孔基本呈圓形，而試樣F2的泡孔直徑明顯較大，甚至出現(xiàn)并泡現(xiàn)象。而F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4泡孔形態(tài)比較類似。

圖1 不同發(fā)泡母粒載體的ABS泡孔形態(tài)

圖2是不同發(fā)泡母粒載體ABS發(fā)泡材料的泡孔直徑分布圖。從圖2可以看出，試樣F5泡孔直徑分布范圍較窄，集中在10～30 μm。而試樣F2的泡孔直徑分布范圍較寬，為20～100 μm。試樣F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4分布基本接近，為20～50 μm，介于F2和F5之間。由泡孔分布和泡孔結(jié)構(gòu)可以得出，試樣F5，F(xiàn)3的發(fā)泡效果較好，而試樣F2的發(fā)泡效果相比其它幾種明顯較差。

圖3為不同載體與ABS共混物的轉(zhuǎn)矩流變曲線，相關平衡扭矩值如表2所示。可以看出，試樣F2的平衡扭矩最大，為46.5 N·m，而試樣F5的平衡扭矩最小，為39 N·m，試樣F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4的扭矩比較接近，約為45.5 N·m。一般情況下聚合物材料平衡扭矩越大，熔體黏度越大，因此，試樣F5的平衡扭矩最小，其黏度較小，較小的熔體黏度提高了氣體的擴散系數(shù)，易于成核，所以泡孔個數(shù)較多而泡孔密度較大；試樣F2的平衡扭矩最大導致材料的熔體黏度較大，使得氣體在熔體中擴散系數(shù)較低而不易逸出熔體，容易在成核點處富集濃度較高，使得泡孔直徑比較大甚至出現(xiàn)并泡現(xiàn)象（圖1b），從而使得泡孔結(jié)構(gòu)惡化。2.2 力學性能分析

圖2　不同發(fā)泡母粒載體的ABS泡孔直徑分布圖

圖3　復合材料的轉(zhuǎn)矩流變曲線

表2　復合材料的平衡扭矩 N·m

圖4為不同發(fā)泡母粒對ABS復合材料發(fā)泡前后沖擊強度、拉伸強度的影響?？梢钥闯?，發(fā)泡后ABS復合材料力學性能整體下降，主要因為發(fā)泡后有效承載面積減小而導致。由圖4a可以看出，發(fā)泡后試樣F1的沖擊強度下降比例較小，為20.3%；試樣F5的沖擊強度下降比例次之，為35.4%，而試樣F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4的沖擊強度下降比例較大，分別為40.5%，50%，50.5%。對于拉伸強度，發(fā)泡后試樣F5的拉伸強度下降比例較小，為12%；試樣F4的拉伸強度下降比例次之，為22%，而試樣F2，F(xiàn)3，F(xiàn)1的拉伸強度下降比例較大，分別為35.1%，34.7%，30.5%（圖4b）。從拉伸和沖擊強度發(fā)泡后下降的比例考慮，發(fā)泡后試樣F5的綜合性能較好，其沖擊強度、拉伸強度分別為11.7 kJ/m2，30.8 MPa。其主要機理從以下兩方面分析，首先，細小而均勻的泡孔有提升拉伸和沖擊強度的作用［17］，均勻的泡孔尺寸在受力時應力分布均勻，不易產(chǎn)生應力集中，而較大的泡孔尺寸易產(chǎn)生應力集中，因此，發(fā)泡后試樣F5的泡孔尺寸細小而均勻（圖1e），應力分布均勻且不易產(chǎn)生應力集中，其拉伸和沖擊強度下降比例較??；而試樣F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4泡孔尺寸較大，受力時易產(chǎn)生應力集中，其拉伸和沖擊強度下降比例較大。其次，筆者建立了泡孔尺寸鈍化模型，如圖5所示，從圖5可知，泡孔尺寸越小和泡孔個數(shù)越多，鈍化裂紋尖端的作用越明顯，試樣F5的泡孔尺寸細小而致密，鈍化裂紋尖端的作用越明顯，綜合性能下降比例較??；而試樣F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4泡孔尺寸較大且泡孔個數(shù)較少，鈍化裂紋尖端的作用較差，所以其綜合性能下降比例較大。以上兩方面的原因揭示了圖4中各種力學性能的影響規(guī)律。

圖4　不同發(fā)泡劑母粒對ABS復合材料發(fā)泡前后力學性能的影響

圖5　發(fā)泡試樣裂紋鈍化示意圖

3　結(jié)論

發(fā)泡母粒載體對ABS材料的發(fā)泡質(zhì)量影響較大，以POE為發(fā)泡母粒載體，ABS發(fā)泡材料的發(fā)泡質(zhì)量較好，其泡孔直徑為18.5 μm，泡孔密度達到4.183×107個/cm3，同時其綜合力學性能較好，發(fā)泡后沖擊強度與拉伸強度下降幅度較小。綜合考慮力學性能與發(fā)泡質(zhì)量，對ABS材料及其制品的發(fā)泡，選POE為載體制備發(fā)泡母粒較理想。

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Effect of Foaming Masterbatch on Cell Structural and Mechanical Property of ABS Foaming Material

Huang Bin1，2， Zhang Xiang2， Jiang Tuanhui2， Wang Yi1，2， Gong Wei1，2，3
（1. College of Materials and Metallurgy， Guizhou University， Guiyang 550025， China；2. Material Engineering and Technology Innovation Center of Guizhou， Guiyang 550014， China；3. College of Materials and Architectural Engineering， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）

The acrylonitrile-butadiene-styrene （ABS） foaming material was prepared by the chemically foaming injection molding. The effect of foaming masterbatches such as PS-HI，PS-HI+SBS，SBS，ABS and POE on the cell structural and mechanical property of ABS foams was researched. The results showed that the composite foaming masterbatch carriers played an important role in the cell structural and mechanical property of ABS foams. The ABS foams had an optical cell structural and mechanical property when the POE was used as the foaming masterbatch carrier. The mean cell diameter was 18.5 μm and cell density was 4.183×107cells/cm3. The impact strength and tensile strength was 11.7 kJ/m2and 30.8 MPa，respectively.

ABS；foaming masterbatch；cell structure；mechanical property

TQ325.2

A

1001-3539（2016）06-0036-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.06.008

*黔重大專項項目［（2012）6023 號］，黔科合人才團隊項目［（2014）4006號，（2015）29號］

聯(lián)系人：龔維，博士，教授，研究方向為高分子結(jié)構(gòu)與性能

2016-03-19