HGB的分散性對(duì)ABS/HGB復(fù)合材料流動(dòng)行為的影響

鐘明強(qiáng)

(廣汽乘用車有限公司， 廣州 511343)

0 前言

聚合物樹脂作為復(fù)合材料的基體，對(duì)復(fù)合材料的綜合性能具有重大的影響。聚合物樹脂和填料具有較強(qiáng)的黏合力,其復(fù)合體系具有良好的工藝性能。無機(jī)粒子在聚合物基體中的分散情況直接影響到復(fù)合體系的加工流變性能及其制品的力學(xué)性能，因此,研究無機(jī)粒子分散性對(duì)復(fù)合體系流動(dòng)行為的影響可以為聚合物復(fù)合材料加工提供參考。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)為耐沖擊性熱塑性樹脂，其加工適應(yīng)性好，具有很好的綜合性能，在車輛、家具、建材、電器等各行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。中空玻璃微珠(HGB)具有光滑的球形表面，用作填料時(shí)對(duì)復(fù)合材料的加工性能和制品表面質(zhì)量的影響較小，并且可以減小制品的內(nèi)應(yīng)力[1-2]。用HGB填充聚合物可制備具有較高強(qiáng)度、剛度、沖擊韌性和耐熱性能的輕質(zhì)復(fù)合材料[3-5]。

許多研究顯示以HGB為填料，可以提升聚合物復(fù)合體系的沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、隔聲、隔熱等性能，同時(shí)對(duì)于復(fù)合體系的流動(dòng)行為等產(chǎn)生影響[6-11]。研究聚合物復(fù)合體系中填充顆粒的分散性對(duì)復(fù)合體系性能的影響，對(duì)材料開發(fā)研究具有重要的意義，因此筆者重點(diǎn)分析HGB分散性對(duì)ABS/HGB復(fù)合體系流動(dòng)行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

ABS，STAVEX ABS SV-0157樹脂，密度和熔融流動(dòng)速率(3.8 kg,230 ℃)分別為1.03 g/cm3和5.7 g/(10 min)，韓國(guó)三星公司；

HGB，TK70，MOLUS公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高速混合機(jī)，SHR-10A型，中國(guó)江蘇張家港市亞通機(jī)械有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)，SLJK型,筒體直徑為35 mm,長(zhǎng)徑比為28，成都科強(qiáng)高分子工程公司；

塑料切粒機(jī)，SLQ100-T型，成都科強(qiáng)高分子工程公司；

干燥箱，DL-204 S型，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；

電子顯微鏡(SEM)，S440型, 英國(guó)Leica Cambridge公司；

熔體流動(dòng)速率測(cè)定儀，XNR-400A型，承德市考思科學(xué)檢測(cè)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用STAVEX ABS SV-0157樹脂作為基體，TK70作為填料，經(jīng)備料、混合、擠出造粒、干燥后得到ABS/HGB復(fù)合體系試樣。其中，HGB的體積分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、15%和20%。

采用熔體流動(dòng)速率測(cè)定儀測(cè)試熔體體積流動(dòng)速率，料筒溫度為190～230 ℃。根據(jù)壁面剪切應(yīng)力、表觀剪切速率和表觀剪切黏度的定義，可得

(1)

(2)

(3)

式中：τw為壁面剪切應(yīng)力，MPa；γa為剪切速率，s-1；ηa為剪切黏度，Pa·s；F為載荷質(zhì)量，kg；R為口模半徑，mm；Rp為料筒半徑，mm；L為口模長(zhǎng)度，mm；MVR為熔體體積流動(dòng)速率，cm3/(10 min)。

為觀察HGB在復(fù)合體系中的分散性，實(shí)驗(yàn)中先對(duì)試樣噴金后采用SEM對(duì)其進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)，放大倍數(shù)為500倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 HGB在復(fù)合體系中分散性的評(píng)估

圖1為ABS/HGB復(fù)合體系中HGB的分散情況。由圖1可以看出：隨著HGB含量的增加，HGB比較均勻地分散在復(fù)合體系中，分布密度隨之增大，沒有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,并且HGB與ABS基體具有較好的結(jié)合界面；經(jīng)過擠出、注射等工藝，HGB沒有出現(xiàn)明顯破裂，形態(tài)保持完好，這對(duì)于復(fù)合體系材料性能改變具有較好的效果。

(a) HGB體積分?jǐn)?shù)為10%

圖2為ABS/HGB復(fù)合體系熔體在200 ℃時(shí)的流動(dòng)曲線。由圖2可以看出：熔體的剪切流動(dòng)服從冪律定律；剪切應(yīng)力隨著HGB體積分?jǐn)?shù)(φf)的增大明顯增大，而且復(fù)合體系的剪切應(yīng)力明顯大于純ABS體系的剪切應(yīng)力。這說明在該實(shí)驗(yàn)條件下，HGB對(duì)于復(fù)合體系流動(dòng)阻力的增加產(chǎn)生了十分明顯的影響。這是因?yàn)锳BS的分子鏈結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)等結(jié)構(gòu)，其分子鏈間作用較大，熔體本身黏度大，HGB進(jìn)一步增大了復(fù)合體系的黏度。因此，HGB的加入使得復(fù)合體系的熔體流動(dòng)阻力明顯增大。200 ℃時(shí)，ABS/HGB復(fù)合體系的非牛頓指數(shù)(n)見表1。

圖2 ABS/HGB復(fù)合體系的流動(dòng)曲線

表1 200 ℃時(shí)ABS/HGB復(fù)合體系的非牛頓指數(shù)

2.2 HGB分散性對(duì)復(fù)合體系流動(dòng)性的影響

HGB體積分?jǐn)?shù)對(duì)ABS/HGB復(fù)合體系熔體剪切黏度的影響見圖3。

圖3 HGB體積分?jǐn)?shù)對(duì)ABS/HGB復(fù)合體系熔體剪切黏度的影響

由圖3可以看出：ABS/HGB復(fù)合體系熔體的剪切黏度隨著HGB體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，但是增大的幅度逐漸降低。這是由于隨著HGB體積分?jǐn)?shù)的增大，ABS復(fù)合體系中的HGB數(shù)量有了明顯增加，但HG分散較好，團(tuán)聚現(xiàn)象并不嚴(yán)重，從而使得HGB與熔體間的摩擦損耗作用增加，復(fù)合體系黏度增加。因此，對(duì)于ABS/HGB復(fù)合體系熔體來說，隨著HGB體積分?jǐn)?shù)的增大，摩擦損耗起到主導(dǎo)作用。由于ABS/HGB復(fù)合體系熔體黏度大、流動(dòng)能力較弱，HGB在熔體中的運(yùn)動(dòng)速率也相對(duì)較小。當(dāng)HGB體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，HGB與熔體間的摩擦損耗急劇增大，復(fù)合體系黏度增加迅速；但隨著HGB體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，其在復(fù)合體系中的運(yùn)動(dòng)速率降低，使得HGB與熔體間摩擦損耗增加的幅度降低，宏觀上表現(xiàn)為ABS/HGB復(fù)合體系熔體黏度增大的幅度降低。

圖4為ABS/HGB復(fù)合體系在熔體測(cè)試儀測(cè)試載荷質(zhì)量為10.00 kg下，剪切黏度對(duì)溫度的依賴性。

圖4 ABS/HGB復(fù)合體系剪切黏度對(duì)溫度的依賴性

由圖4可以看出：復(fù)合體系的lnηa-1/T直線的斜率基本一致，這說明對(duì)于不同HGB體積分?jǐn)?shù)的ABS/HG復(fù)合體系，其黏流活化能基本相同;在HGB分散性良好、沒有明顯團(tuán)聚的情況下，HGB體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合體系熔體的溫敏性影響不大。由圖4也可以看出：復(fù)合體系的黏流活化能大于純ABS體系，HGB的加入使得復(fù)合體系熔體的剪切黏度溫敏性有所提高。這是因?yàn)锳BS分子鏈剛性大，內(nèi)部纏結(jié)點(diǎn)多，其活性較弱，隨著HGB的加入，HGB與高分子鏈結(jié)點(diǎn)增多；同時(shí)，HGB的加入也使得復(fù)合體系隔熱能力提升[5]，最終使得復(fù)合體系熔體黏流活化能明顯增大。

3 結(jié)語(yǔ)

從試樣的微觀形貌圖可以看出HGB與ABS基體具有較好的結(jié)合界面，并且HGB比較均勻地分散于基體之中，沒有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

隨著HGB體積分?jǐn)?shù)增大，HGB在ABS基體中的分布密度增大，使得摩擦損耗作用增大，復(fù)合體系黏度也隨之增大。

ABS/HGB流動(dòng)曲線線性良好，說明熔體的黏度變化平穩(wěn)，也表明HGB分散均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象不嚴(yán)重。

隨著HGB的加入，提高了熔體的溫敏性，即黏流活化能增大；但是HGB的體積分?jǐn)?shù)增大對(duì)其黏流活化能影響不大。