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1、收稿日期：572013-04-08硫酸钙晶须改性PC/ABS合金材料的性能研究Study on Properties of Calcium Sulfate Whiskers Modified PC/ABS Alloy基金项目：西南科技大学青年基金(10zx3127)作者简介：谢长琼(1976)，女，硕士，西南科技大学教师，主要研究方向为高分子及复合材料改性。Vol.41 No.7(Sum.255)July 2013 谢长琼，何智宇，周元林 Xie Changqiong,He Zhiyu,Zhou Yuanlin-西南科技大学先进建筑材料四川省重点实验室，四川 绵阳 621010-Key Lab
2、 for Advanced Building Materials of Sichuan Province,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China摘要:以硫酸钙晶须、硅烷偶联剂为改性剂，通过熔融挤出法制备了聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物/硫酸钙晶须(PC/ABS/CSW)合金材料，研究了CSW和偶联剂用量对合金材料的力学性能、耐应力开裂性能及熔体流动性能的影响。结果表明：改性后的CSW在PC/ABS基体中分散均匀，PC/ABS基体的拉伸强度提高了17.3%，冲击强度提高了10.3%，同时，其
3、耐应力开裂性能也有很大提高。Abstract:With Calcium Sulfate Whiskers(CSW)and coupling agent as modifier,the polycarbonate/acrylonitrile-butadiene-styrene/calcium sulfate whisker(PC/ABS/CSW)alloy was prepared by melting extrusion method.And the effects of modifier content on mechanical properties,stress-crack perfor
4、mance and melt flowability of the alloy were investigated.The results show that:the modified CSW disperses in PC/ABS alloy evenly,and then the tensile strength and impact strength of the PC/ABS alloy increase by 17.3%and 10.3%respectively,moreover,the stress-crack performance of the PC/ABS alloy can
5、 be enhanced.关键词:聚碳酸酯；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；硫酸钙晶须；合金；力学性能；耐应力开裂性能 Key words:PC;ABS;Calcium sulfate whiskers;Alloy;Mechanical property;Stress-crack performance文章编号：1005-3360（2013）07-0057-04聚碳酸酯(PC)作为一种综合性能优良的工程塑料，具有冲击强度高、耐热、耐蠕变、介电性能好、尺寸稳定性优良等优点1。而丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)是一种热塑性树脂，其耐冲击性、耐低温性及耐化学药品性优良，还具有良好的成型加工性以及
6、较高的性价比2。研究表明3-6，将PC与ABS共混可综合两者的优良性能，既提高了ABS的耐热性、冲击强度和拉伸强度，又降低了PC的熔体黏度和材料成本，并改善其加工性能，同时还显著降低了制品的内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性，因此PC/ABS合金在汽车、机械、家电、计算机等方面获得了广泛应用。但是PC与ABS的相容性较差，而且其合金的性能受两组分的型号、配比及加工工艺等因素的影响很大7，从而大大限制了PC/ABS合金材料的应用范围，因此如何提高两者的相容性成为了PC/ABS合金材料产品开发的关键。许多研究者研究了不同相容剂对合金材料性能的影响，结果表明，相容剂的引入增加了PC/ABS合金材料的
7、韧性，但材料的刚性变化不大8。硫酸钙晶须(CSW)是一种以天然生石膏为原料，经特定配方及工艺合成的硫酸钙纤维状单晶。与传统的短纤维相比，CSW具有耐高温、强度高、韧性好、同橡胶塑料等聚合物亲和力强等优点，是一种性能优良、价格低廉的绿色环保材料，因此被广泛应用于聚合物的改性9-11。但是，CSW材料与其他无机填料一样具有亲水疏油性，与有机聚合物材料的相容性差，因而易在复合材料相界面产生缺陷，达不到良好的改性效果。所以为了改善CSW的分散性以及与聚合物的相容性，充分发挥其增韧、补强效果，有必要对CSW进行表面处理。本研究采用CSW对PC/ABS合金进行改性，研究了CSW用量对合金的力学性能、应力开
8、裂性能及流动性能的影响。此外，为了改善CSW的分散性及与PC/ABS合金的相容性，本研究选用硅烷偶联剂KH570对CSW加工与应用文献标识码:A中图分类号:TQ323.4158硫酸钙晶须改性PC/ABS合金材料的性能研究进行表面改性。1 实验部分1.1 主要原料PC，6709，重庆长风化工厂；ABS，GN-(0215A)，中国石油吉林石化公司；苯乙烯马来酸酐接枝聚丙烯(SMA)，SMA-900，上海事必达石化高技术公司；CSW，工业级，晶须长度30200 m，直径14 m，上海孚华实业有限公司；硅烷偶联剂KH570，工业级，成都晨邦化工有限公司；乙醇，分析纯，成都市联合化工试剂研究所。1.2
9、仪器与设备同向双螺杆挤出机，TE-35，南京科亚科技有限公司；立式注射机，LSD-200，深圳立塑机械有限公司；高速混合机，SHR-10，张家港亚塑机械公司；微机控制电子万能试验机，WSM，长春智能仪器设备有限公司；摆锤式冲击试验机，ZBC-25B，深圳新三思材料检测有限公司；熔体流动速率(MFR)测试仪，XRL-400，承德精密试验机有限公司。1.3 样品制备1.3.1 CSW的表面改性采用硅烷偶联剂KH570对CSW进行表面处理。首先将KH570的无水乙醇溶液在水浴中加热到60，搅拌均匀并加入CSW，改性处理一定时间后趁热过滤，滤饼干燥后即得到表面改性的CSW。1.3.2 PC/ABS/C
10、SW合金的制备将PC和ABS分别在110和90下烘干处理4 h，然后按一定比例将PC、ABS、CSW及其他助剂在高速混合机中混合均匀，再经同向双螺杆挤出机挤出造粒(挤出温度220250),所得粒料在100下烘干处理4 h后，利用注射机注塑成标准测试样条(注射温度225260)。1.4 性能检测拉伸性能按GB/T 10402006进行测试。简支梁缺口冲击强度按GB/T 10432008进行测试。应力开裂性能测试：在室温下用四氯化碳浸泡放置24 h后的注塑试样，试样从开始放入溶剂到出现裂纹的时间记为应力开裂时间。MFR按GB/T 36822000进行测试(测试前将样品在90下真空干燥4 h)。2
11、结果与讨论2.1 CSW用量对PC/ABS合金力学性能的影响由前期研究12可知，当PC和ABS配比为80/20时，PC/ABS合金的力学性能达到最佳；另外当相容剂SMA用量为6份时，合金的力学性能最佳。因此本研究选用的PC、ABS和SMA的配比为80/20/6。图1是CSW用量对PC/ABS合金力学性能的影响。从图1可以看出，随着CSW用量的增加，合金的拉伸强度呈先增大后减小趋势，当CSW用量为15份时达到最大值。但是同未填充PC/ABS相比，合金的拉伸强度增加幅度不大。这主要是由于CSW强度较高，可以在合金中起到承载作用，因而对合金有一定的增强效果，但由于CSW是一种无机填料，其与合金材料之
12、间的相容性较差，因而对合金拉伸强度的提高作用不大；另外，当CSW用量超过15份时合金的拉伸性能下降，这是由于分散在基体中的CSW出现了严重的团聚现象，导致其与基体界面的缺陷增多，易引起应力集中，进而使材料的强度降低，甚至造成材料的断裂。05101520256065707580CSW?/?/MPa5055606570?/(kJm-2)图1 CSW用量对PC/ABS合金力学性能的影响Fig.1 Effect of CSW content on mechanical properties of PC/ABS alloy此外由图1还可看出，随着CSW用量的增加，复合材料的冲击强度仅有小幅提高。这是因为
13、CSW是一种无机晶须材料，其长径比大、强度较高，在合592013年7月 第41卷 第7期（总第255期）硫酸钙晶须改性PC/ABS合金材料的性能研究金材料产生裂纹的过程中，CSW受剪切力作用不容易和基体树脂脱黏，因此主要发生的是CSW的断裂，由于其在断裂过程中吸收了较多能量，因而阻碍了裂纹的扩展，从而使合金材料的冲击强度提高。但当CSW用量超过15份时，晶须之间的距离缩短，因而容易发生团聚，使引发的微裂纹之间可能发生贯穿并形成较大的裂纹，进而引起合金材料冲击强度的下降。综上所述，当合金PC/ABS/SMA/CSW的配比为80/20/6/15时，其力学性能最佳。因此，CSW的用量以15份为宜。2
14、.2 偶联剂用量对PC/ABS合金力学性能的影响由上述结果可知，CSW对合金材料有一定的增强增韧作用，但由于CSW与PC/ABS合金的相容性较差，使其改性效果不显著。为了改善CSW的分散性及与合金材料的相容性，充分发挥其增强增韧作用，本研究选用硅烷偶联剂KH570对CSW进行表面改性处理，并研究了偶联剂用量对PC/ABS合金(即PC/ABS/SMA/CSW(80/20/6/15)力学性能的影响，结果如图2所示。0123456872768084?/?/MPa626466687072?/(kJm-2)图2 偶联剂用量对PC/ABS合金力学性能的影响Fig.2 Effect of coupling
15、agent content on mechanical properties of PC/ABS alloy从图2可以看出，随着偶联剂KH570用量的增加，PC/ABS合金的拉伸强度和冲击强度均呈先增大后减小趋势，并都在偶联剂用量为3份时达到最大值，此时拉伸强度为82.5 MPa，冲击强度为69.7 kJ/m2。这是由于当偶联剂用量过低时，其不能在CSW表面形成单分子层，因而使该表面改性的CSW对PC/ABS合金的增强增韧效果不明显；而当偶联剂用量过高时(超过3份)，其在CSW表面的单分子层外又形成了多分子层(物理吸附层)，降低了聚合物与CSW之间的黏结效果，从而导致合金力学性能有所降低。因此
16、偶联剂的最佳用量为3份，此时合金具有最佳力学性能。由以上分析可知，偶联改性的CSW的引入使合金力学性能有了很大提高；偶联剂的改性效果较为理想，起到了明显的增容作用；合金的拉伸强度和冲击强度分别提高了17.4%和10.3%。2.3 PC/ABS合金的耐应力开裂性能PC是一种综合性能优异的工程塑料，但是它有一个较为突出的缺点易产生应力开裂。通常可采用溶剂法来检验制品的耐应力开裂性能，其测试原理如下：将待测试样放置于溶剂中，通过溶剂的浸泡将冻结的内应力(由分子来不及松弛而被冻结起来的弹性形变引起)释放出来从而使试样产生裂痕，用发生应力开裂时间的长短来表征其耐应力开裂性能。表1是不同SMA、CSW含量
17、的PC/ABS合金应力开裂时间。从表1可看出，相容剂SMA的加入能够很好地改善合金的耐应力开裂性能。这是由于相容剂SMA的加入增强了两相界面之间的相互作用，使两相界面的黏结力增强、相界面变得模糊、界面层加厚，有效地阻止了溶剂的浸入，从而使合金的耐应力开裂性能得以改善。同时从表1还可看出，当加入适量的CSW时，合金的耐应力开裂性能亦有所改善，且随着CSW用量的增加，合金的应力开裂时间先增长后缩短。这是由于CSW是一种性能非常优异的晶须材料，其长径比大、强度很高，在合金材料产生裂纹的过程中，CSW受剪切力作用不容易和基体树脂脱黏，阻止了溶剂的浸入，从而阻碍了裂纹的产生。但是随着CSW用量的继续增大
18、，CSW在合金中的分散效果下降并出现团聚现象，使材料受溶剂浸入时易产生应力开裂，从而缩短了合金的应力开裂时间。此外，从表1还可看出，当偶联剂KH570的用量为3份时，合金的耐应力开裂性能提高，这主要是由于经过偶联剂改性的CSW在合金 表1 PC/ABS合金的应力开裂时间Tab.1 Stress-crack time of PC/ABS alloysPC/ABS/SAM/CSW/KH570应力开裂时间/sPC/ABS/SAM/CSW/KH570应力开裂时间/s80/20/0/0/06580/20/6/10/016880/20/2/0/08580/20/6/15/018680/20/4/0/012
19、280/20/6/20/015280/20/6/0/015680/20/6/25/014080/20/6/5/016580/20/6/15/320260硫酸钙晶须改性PC/ABS合金材料的性能研究中分散更均匀，更能发挥其增强增韧作用。因此当CSW和KH570用量分别为15和3份时，合金的耐应力开裂性能最佳。2.4 PC/ABS合金的MFR表2是不同SMA、CSW含量下PC/ABS合金的MFR。从表2可以看出，相容剂SMA的加入使合金的MFR降低。这是因为在PC与SMA共混过程中PC的酚端基OH会与SMA中马来酸酐的酯基发生反应，使界面黏结作用增大，从而提高了PC与SMA的相容性；而SMA中的苯
20、乙烯链段与ABS的相容性也较好，因此SMA的加入显著改善了PC、ABS之间的相容性，使共混物两相之间的作用力增大，降低了两相之间的滑动能力，从而使合金的熔体黏度提高、MFR降低。同时由表2还可看出，随着CSW用量的增加，合金的MFR降低。这主要是由于CSW是一种无机晶须材料，它的引入会提高合金的熔体黏度，从而使MFR降低。此外，由表2还可看出，加入了3份偶联剂的PC/ABS合金，其MFR变化较小，这说明偶联剂的引入对合金的加工性能影响不大。表2 PC/ABS合金材料的MFRTab.2 MFR of PC/ABS alloysPC/ABS/SAM/CSW/KH570MFR/g(10min)-1P
21、C/ABS/SAM/CSW/KH570MFR/g(10min)-180/20/0/0/05.2580/20/6/10/03.0380/20/2/0/03.6580/20/6/15/02.9880/20/4/0/03.3680/20/6/20/02.3280/20/6/0/03.1280/20/6/25/02.0280/20/6/5/03.0580/20/6/15/33.023 结论(1)当CSW用量为15份时，PC/ABS合金的冲击强度及拉伸强度均有所改善，但其增加幅度不大。(2)当偶联剂用量为3份时，PC/ABS合金的拉伸强度和冲击强度均出现最大值，同加入偶联剂之前相比分别提高了17.4%和
22、10.3%。(3)当PC/ABS/SMA/CSW/KH570合金的配比为80/20/6/15/3时，合金的耐应力开裂性最佳。此时合金的MFR稍有下降，但降低幅度不大，仍能满足实际生产的要求。参考文献：1 阳范文,赵耀明.聚碳酸酯合金的研究现状及发展趋势J.中国塑料,2001,15(3):27-30.2 戈明亮.国内聚碳酸酯/ABS合金力学性能的研究进展J.广州化工,2005,33(3):13-15.3 Suarez H,Barlow J W,Paul D R.Mechanical properties of ABS/PC blendsJ.Journal of Applied Polymer S
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