助劑用量對ABS樹脂性能的影響

宋振彪，趙文卓，唐 凱，康 寧，趙雪悠

(中國石油吉林石化公司 合成樹脂廠，吉林 吉林 132021)

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)是一種通用塑料，廣泛應用在國民生產生活中。中國已經成為世界ABS樹脂消費中心，年消費量為540萬t，占世界消費量的60%以上[1]。隨著ABS樹脂應用量的增加，用戶對產品的綜合品質要求越來越高，如何在現有生產條件下最大限度地提高ABS產品的綜合性能，是ABS樹脂生產企業面臨的重要任務之一。

ABS樹脂的生產過程比較復雜，包括橡膠合成、接枝合成、丙烯腈-苯乙烯共聚物(SAN)合成和混煉過程。混煉過程具有流程短、生產靈活、產品種類豐富等特點，是ABS樹脂生產的重要環節。樹脂的混煉過程中需要用到大量的助劑，有的助劑賦予材料特殊性能，如阻燃劑等；有的是改善材料的加工性能，如潤滑劑等。ABS樹脂常用的助劑有3種[2]，分別是乙烯基雙硬脂酰胺(EBA)、硬脂酸鎂和抗氧劑618。硬脂酸鎂在聚氯乙烯(PVC)領域充當穩定劑，而在ABS樹脂中起到潤滑劑的作用[3]；EBA又稱EBS，是ABS樹脂的主要潤滑劑，在ABS樹脂加工應用中起到重要作用[4-6]；抗氧劑618是一種ABS樹脂常用的加工類穩定劑[7-8]。選擇塑料助劑時需要考慮協同作用[9]，EBA與硬脂酸鎂都是潤滑劑，本文利用正交實驗的方法，研究3種助劑對ABS樹脂各項性能的影響，期待獲得最佳性能。

1 實驗部分

1.1 原料

ABS粉料：橡膠質量分數為60%，吉林石化公司合成樹脂廠；SAN樹脂：熔流指數為30 g/(10 min)，吉林石化公司合成樹脂廠；硬脂酸鎂：鄭州弘益泰化工產品有限公司；EBA：吉林石化公司精細化學品廠；抗氧劑618：佛山圣億塑料化工有限公司。

1.2 儀器及設備

H-5型高速混合機：連云港白熊集團；TEM48型雙螺桿擠出機、IS80FWP-2A型注射機： 日本東芝公司；mini2型熔流指數測試儀:德國Gottfer公司；CEAST 9050型懸臂梁沖擊強度測試儀：美國英斯特朗公司；AGS-5KNG型萬能拉力測試機：日本島津公司；usvis/565型色度計：美國Hunterlab公司。

1.3 試樣制備及測試過程

(1)按照配方比例稱量ABS粉料、SAN樹脂、EBA、硬脂酸鎂、抗氧劑618，利用雙螺桿擠出機進行共混擠出，擠出溫度為200 ℃。

(2)擠出后物料于80 ℃下干燥處理30 min。干燥好的樹脂測試熔流指數，測試溫度為220 ℃，壓力為98 N。

(3)將擠出物在注塑機上加工成測試樣條，注塑溫度為200 ℃，樣條在23 ℃實驗溫度下放置2 h后測試。

1.4 分析測試

拉伸強度按照ASTM D—638進行測試；沖擊強度按照ASTM D—256進行測試；彎曲強度和彎曲模量按照ASTM D—790進行測試；熔流指數按照ASTM D—1238進行測試；白度按照GB/T 2913—1982進行測試；黃色指數按照GB 2409—1980進行測試。

2 結果與討論

2.1 正交實驗設計

針對ABS樹脂常用的3種助劑，開展3個水平的正交實驗，選擇L9(34)正交實驗表[10]。其中L表示正交實驗，數字9表示需要進行9次實驗，3表示每個因素有3個水平，4表示4個因素。查找正交實驗表，得到的設計實驗方案，結果如表1(質量份，下同)和表2所示。

表1 正交實驗因素水平設計

表2 正交實驗配方設計

2.2 測試結果

將表2中各配方物料稱量后用高速混合器混合均勻，在雙螺桿擠出機上共混造粒，測試各項性能，結果如表3所示。

表3 實驗測試結果

2.3 數據處理過程

極差是3個水平結果的最大差，極差表示某因素在3個水平上結果的最大偏差，也可以說極差就是某一因素對測試結果的影響能力，極差越大說明這一因素的作用越明顯。

表4 白度數據極差處理

根據正交實驗原理，正交實驗表中空白列可以作為誤差列。進一步對數據計算處理得出各因素的貢獻率，通過對表3的數據處理，得出每個因素對白度的貢獻率，如表5所示。

表5 各因素對白度貢獻率

表5中偏差平方和是表4中各水平平均值與白度結果的總平均值之差的平方和。白度結果的平均值為：9個樣品測試結果總和/9=56.82，以EBA為例得到式(1)。

偏差平方和=[(T1-56.82)2+(T2-56.82)2+(T3-56.82)2]×3

(1)

總偏差平方和=EBA偏差平方和+硬脂酸鎂偏差平方和+抗氧劑618偏差平方和+誤差偏差平方和

自由度=實驗水平數-1

純偏差平方和=某因素偏差平方和-誤差平方和

誤差純偏差平方和=總偏差平方和-各因素純偏差平方和

貢獻率=某因素純偏差平方和/總偏差平方和

2.4 數據處理結果

按照2.3的方法分別對沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度、黃色指數、熔流指數的數據進行處理。結果如表6～表11所示。

表6 助劑對白度的作用

表7 助劑對沖擊強度的作用

表8 助劑對拉伸強度的作用

表9 助劑對熔流指數的作用

表10 助劑對黃色指數的作用

表11 助劑對彎曲強度的作用

彎曲強度的分析結果出現負數，說明3個因素對彎曲強度的影響不大，實驗過程中的系統誤差、操作誤差等因素的影響大于助劑。

表12統計了3種助劑對沖擊強度等各項性能的最大極差，并計算最大極差在數據平均值的占比，進而評價助劑對各項性能的影響程度。從表12可以看出，沖擊強度和白度受助劑影響較大，助劑對其他性能影響不大。

表12 各項性能的最大極差

2.5 助劑用量對ABS樹脂性能的影響

2.5.1 硬脂酸鎂的影響

通常硬脂酸鎂作為輔助潤滑劑應用在ABS樹脂領域，從表13可以看出，硬脂酸鎂對ABS樹脂的流動性具有微弱的作用，貢獻率占3.4%，硬脂酸鎂加入量增加3倍，ABS樹脂熔流指數只增加0.3 g/(10 min)。同時硬脂酸鎂對沖擊強度、拉伸強度具有正向作用，說明硬脂酸鎂能夠改善橡膠分散效果，起到潤滑劑作用。ABS樹脂中橡膠分散均勻，材料受到沖擊時能夠有更多的橡膠粒子吸收應力，避免應力集中而使材料產生裂紋，提高了材料的沖擊強度。同樣橡膠分散均勻后減少拉伸過程中的應力集中點，使拉伸強度提高。

表13 硬脂酸鎂對ABS樹脂性能的影響

硬脂酸鎂加入量對ABS樹脂的彎曲強度沒有影響，其貢獻率為負值說明硬脂酸鎂的作用效果小于實驗操作、測試等產生的誤差。彎曲強度測試時樣條受到壓縮應力，橡膠粒子的分散程度對SAN樹脂基體的框架結構影響不大，橡膠的含量對框架結構的尺寸影響大。

硬脂酸鎂對白度貢獻率占97.6%，實驗過程中ABS樹脂白度提高近3個值。這是由于鎂離子的存在起到增白作用，這種增白不是改善ABS樹脂分子結構，也不是吸收ABS樹脂中殘余的化學品，而是起到遮蓋作用，類似鈦白粉類色粉的作用原理。添加硬脂酸鎂獲得的ABS樹脂白度雖然增加，但是黃色指數仍然較高(大于24)，制品顏色灰白。

2.5.2 EBA的影響

EBA是ABS樹脂主要的潤滑劑，對ABS樹脂的熔流指數貢獻率為92.1%，同時對ABS樹脂沖擊強度也有一定影響，其影響的原理與硬脂酸鎂潤滑劑相同，ABS樹脂不是均一的聚合物，是橡膠相和SAN樹脂相兩種物質組成的共混物。共混物的性能與共混效果密切相關，EBA能夠改善共混過程中分子間滑動阻力，進而提高分散效果。這一現象說明EBA具有很好的內潤滑作用。

表14 EBA對ABS樹脂性能的影響

EBA對ABS樹脂的拉伸強度影響很小，這與硬脂酸鎂的作用效果不同。EBA的主要作用是內潤滑，其作用是改善分子鏈之間的滑動，通過小分子消除高分子鏈之間的結合點，使高分子鏈之間相互獨立，受到拉伸外力作用時分子鏈更容易發生解纏。雖然EBA提高了橡膠分散程度，降低了拉伸過程中的應力集中，但EBA使拉伸過程中的高分子鏈更加容易滑動，二者作用相互抵消，導致拉伸強度沒有明顯變化。可以預見，繼續增加EBA含量，當ABS樹脂中橡膠分散達到極限后，EBA降低材料拉伸強度的作用將體現出來。

2.5.3 抗氧劑618的作用

本實驗中抗氧劑618對ABS樹脂的熔流指數、沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度、白度都沒有明顯影響，其作為亞磷酸酯類抗氧劑能夠吸收高分子氧化過程產生的過氧化物，進而消除過氧化物對高分子鏈分解的作用。正常情況下增加抗氧劑618含量能夠改善ABS樹脂加工過程中氧化降解，提高產品白度，降低黃色指數。本實驗中抗氧劑618的最小加入量為0.1%(質量分數)，其對產品白度沒有影響，說明該加入量大于樹脂實際需求量。

表15 抗氧劑618對ABS樹脂性能的作用

3 結 論

(1)ABS樹脂中潤滑劑EBA對材料沖擊強度、熔流指數影響大于其他兩種助劑。

(2)硬脂酸鎂對ABS樹脂的白度、黃色指數、拉伸強度貢獻率大。

(3)抗氧劑618質量分數為0.1%時，產品性能已經達到最優，再增加用量影響不明顯。

(4)助劑對ABS樹脂性能的影響范圍有限，對沖擊強度和白度、黃色指數影響程度相對較大。

(5)3種潤滑劑都取最高水平時，ABS樹脂綜合性能最佳。