ABS/HGB與PP/HGB擠出流動中彈性性質的研究

鐘明強

(廣汽本田汽車有限公司,廣東廣州510700)

0 前言

ABS樹脂具有優異的沖擊強度,電性能、耐化學藥品性、耐油性好,加工適應性也好,易電鍍。由于ABS的特殊性能使得ABS在車輛、家具、建材、電器等行業都得到了廣泛應用[1]。聚丙烯(PP)具有良好的使用性能、加工性能和價廉等優點,是應用廣泛的熱塑性樹脂之一。中空玻璃微珠(HGB)具有光滑的球形表面,用作填料對復合材料的加工性能和制品表面質量的影響較小,且可減小制品的內應力,改變材料的加工及機械性能。國內外很多學者對于 HGB填充聚合物的流變性能進行了較為深入的研究[2-24],但對于不同體積分數的 HGB填充聚合擠出流動中彈性性質的研究還較少。

聚合物熔體的彈性性能是聚合物材料加工及成型設備設計的重要參數。本文重點研究溫度(t)、剪切應力(τw)、填料的體積分數(φf)對ABS/ HGB及 PP/HGB復合材料擠出脹大比(B)的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料及復合材料的制備

ABS 采用韓國三星公司STAVEX ABS SV-0157樹脂為基體。樹脂的密度和熔融流動速率(ASTMD 1238:3.8 kg,230℃)分別為 1.03 g cm-3和5.7 g·(10 min)-1。

PP 采用廣州石化有限公司生產的CJS-700注塑級聚丙烯樹脂為基體。樹脂的密度和熔融流動速率(2.16 kg,230℃)分別為0.91 g·cm-3和8～15 g·(10 min)-1。

HGB 選擇德國MOLUS公司生產的 TK 70等型號的中空硼硅酸鹽微球作為填料。

所有的PP復合材料均由成都科強高分子工程公司生產的SLJ K(Φ35,L/D=28)雙螺桿擠出機制備而成。其中,TK 70型號HGB的體積分數分別為10%和20%。

1.2 試驗儀器及方法

試驗儀器為承德市考思科學檢測有限公司的XNRk-400A型熔體流動速率測定儀及Canon IXUS 400數碼相機。采用照相法記錄不同條件下的擠出物直徑Do(mm);利用式(1)求出擠出脹大比B。每個條件取3個樣本,結果取平均值。

式中:Di為口模直徑,mm。

2 結果與討論

2.1 擠出脹大比對剪切應力的依賴性

擠出物脹大(或口模膨脹)是聚合物流體彈性特性的重要表征。其脹大程度常用擠出脹大比B表征。圖1顯示了ABS/TK 70及PP/TK 70復合體系,在200℃時熔體的擠出脹大比對剪切應力的依賴關系。由圖1可以看出:ABS/TK 70及PP/ TK 70體系熔體的擠出脹大比均隨著剪切應力τw的增加而增大。這是因為,隨著剪切應力的增加,聚合物分子鏈受剪切應力作用而產生的拉伸和剪切形變程度加劇,導致擠出物的內部彈性儲能增加。當其離開口模后,由于形狀記憶效應及內部聚合物分子鏈形變的彈性回復等因素的綜合作用,使得擠出脹大程度增大。

當τw>120 kPa時,ABS/TK 70體系的擠出脹大比增幅明顯有增大的趨勢。可見,對于ABS/ TK 70體系,剪切應力的增大對于熔體彈性性能的增大產生了明顯的影響。這與ABS樹脂連續相內有橡膠狀聚合物分子鏈結構有關。隨著剪切應力增加,ABS/TK 70熔體的彈性儲能及形變的能力有所增強。

圖1 ABS/TK70及PP/TK70體系B與τw的關系Fig.1 B versusτwof ABS/TK70 and PP/TK70

2.2 擠出脹大比對溫度的依賴性

圖2顯示了ABS/TK 70及PP/TK 70體系熔體的擠出脹大比對溫度的依賴關系。由圖2可知: ABS/TK 70體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而增大;而PP/TK 70體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而減小。造成這種現象的原因可能是在一定載荷下,ABS基體中的橡膠相隨著溫度的升高儲存的彈性形變能量增大,且隨著其內部分子鏈活動能力增強,分子間作用力削弱,更加有利于擠出熔體的彈性回復;而且由于ABS/TK 70體系的熔體黏度大,擠出流動速率很小。因此,在實驗溫度較低時,熔體被擠出口模之后,其表面迅速散熱固化,抑止了熔體內分子鏈的自由彈性回復。但實驗溫度升高之后,熔體的擠出熔體速率隨之增大,擠出的熔體表面凝固時間延長,高分子鏈有足夠的時間彈性回復,因而導致該體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而增大。而對于PP/TK 70體系,聚合物分子鏈的活動能力隨著溫度上升而增強,熔體在流動中儲存的形變能的黏性耗散增加,導致其彈性特性減弱,擠出后分子鏈彈性回復能力減弱。

圖2 ABS/TK70及PP/TK70體系B對溫度的依賴性Fig.2 Effect of temperature on B of ABS/TK70 and PP/TK70

2.3 擠出脹大比與HGB的體積分數關系

圖3顯示了溫度為200℃時ABS/TK 70及PP/TK 70體系熔體的擠出脹大比與 HGB的體積分數的關系。由圖3可知:相同剪切應力下ABS/ TK 70體系的擠出脹大比隨著 HGB的體積分數增加而增大;而PP/TK 70體系的擠出脹大比隨著HGB的體積分數的增加而減小。這是因為對PP/ TK 70體系,HGB的加入,加劇了熔體內儲存的形變能的耗散,且不利于擠出物離模后的彈性回復,導致擠出脹大比相應地下降。但對于ABS/TK 70體系,HGB的加入也將消耗熔體內部儲存的形變能,但同時也削弱了ABS內部分子鏈間的作用力,從而有利于擠出后的彈性回復,使得該體系的擠出脹大比隨著HGB的體積分數的增加而明顯增大。

圖3 ABS/TK70及PP/TK70體系B與φf的關系Fig.3 Relationship between B andφfof ABS/TK70 and PP/TK70

3 結論

(1)ABS/TK 70及PP/TK 70體系熔體的擠出脹大比均隨著剪切應力τw的增加而增大。對ABS/TK 70體系,當τw>120 kPa時,其熔體的擠出脹大比的增幅明顯增大。

(2)ABS/TK 70體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而增大;而PP/TK 70體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而減小。

(3)相同剪切應力下ABS/TK 70體系的擠出脹大比隨著HGB的體積分數增加而增大;而PP/ TK 70體系的擠出脹大比隨著 HGB的體積分數增加而減小。

[1] 段予忠.塑料改性[M].北京:科學技術文獻出版社,1988.

[2] 梁基照.PP/EPDM/玻璃微珠復合材料擠出流動中黏彈特性的研究[J].橡膠工業,2005,52(3):169-171.

[3] 錢志軍,洪升,薛斌,等.玻璃微珠改性聚氯乙烯復合材料的性能研究[J].塑料,2008,37(3):85-86.

[4] Liang J Z,Li R K Y.Mechanical properties and morphology of glass bead filled polypropylene composites[J].Polymer Composites,1998,19(6):698.

[5] 梁基照.高擠出速率下PP/GB復合物熔體流動性的研究[J].高分子材料科學與工程,2000,16(6):172-174.

[6] 李鋒華.聚合物/中空微球復合材料傳熱性能及機理的研究[D].廣州:華南理工大學,2003.

[7] 薛顏彬,邱桂學,王衛衛,等.玻璃微珠填充PP復合材料力學性能與熔融結晶的研究[J].塑料,2007,36(5): 77-79.

[8] Liang Ji-zhao.The melt elastic behavior of polypropylene/ glass bead composites in capillary flow[J].Polymer Testing,2002,21(8):927-931.

[9] 梁基照,李鋒華,蔣興華,等.中空無機微珠填充PP復合材料的流動性能[J].合成樹脂及塑料,2003,20(2): 10-12.

[10] 楊偉,史煒,謝幫互,等.玻璃微珠改性聚丙烯的熔融、結晶與形態[J].高分子材料科學與工程,2005,21(2): 250-252.

[11] Bai Shu-Lin,Chen JianKang,Huang ZhuPing,et al.The role of the interfacial strength in glass bead filled HDPE [J].Journal ofMaterials Science Letters,2000,19: 1 587-1 589.

[12] 孫向東,孫旭東,張慧波,等.空心玻璃微珠填充MC尼龍復合材料的研究[J].工程塑料應用,2005,33(1):7-9.

[13] 梁基照,李國耀.玻璃微珠表面處理對LDPE復合材料拉伸性能的影響[J].復合材料學報,2000,17(1):19-22.

[14] 楊偉,單桂芳,魏世鵬,等.玻璃微珠填充改性PA6的研究[J].中國塑料,2005,19(1):22-26.

[15] Shan Gui-Fang,Yang Wei,Xie Bang-hu,et al.Double yielding behaviors of polyamide 6 and glass bead filled polyamide 6 composites[J].Polymer Testing,2005,24(6): 704-711.

[16] 史煒,楊偉,楊鳴波,等.小粒徑玻璃微珠共混改性LLDPE的研究[J].工程塑料應用,2004,32(2):14-17.

[17] Park Soo-Jin,Jin Fan-Long,Lee Changjin.Preparation and physical properties of hollow glass microspheres reinforced epoxy matrix resins[J].Materials Science and Engineering,2005,402:335-340.

[18] Yang Wei,Liu Zheng-Ying,Shan Gui-Fang,et al.Study on the melt flow behavior of glass bead filled polypropylene[J].Polymer Testing,2005,24(4):490-497.

[19] Ding Yanfen,He Jiasong,Zhang Junet al.Rheological hybrid effect in nylon 6/liquid crystalline polymer blends caused by added glass beads[J].Non-Newtonian Fluid Mech,2006,135:166-176.

[20] 潘鵬舉,單國榮,黃志明,等.空心玻璃微珠填充環氧樹脂復合材料壓縮性能研究[J].中國塑料,2004,18(8): 78-81.

[21] 張文舉,朱宇雄,張文藝.玻璃微珠對改性聚四氟乙烯密封板材性能影響的研究[J].中國塑料,2005,19(6):63-66.

[22] Yuan Qiang,Jiang Wei,An Lijia,et al.Effects of reinforcement filler and temperature on the stability ofβ-crystal in glass bead filled polypropylene[J].Materials Science and Engineering,2006,415:297-303.

[23] Liang J Z,Li R K Y.Toughening and reinforcing in rigid inorganic particle filled polypropylene:A review[J].J Appl Polym Sci.,2002,83:1 547-1 555.

[24] Liang J Z.Tensile and impact properties of hollow glass bead filled PVC composites[J].Maclom Mater Eng, 2002,287:588-591.