高剪切應力對ABS/NBR共混物力學性能的影響

李懷棟,張云燦,錢 慧

(南京工業大學材料科學與工程學院,江蘇南京210009)

高剪切應力對ABS/NBR共混物力學性能的影響

李懷棟,張云燦,錢 慧＊

(南京工業大學材料科學與工程學院,江蘇南京210009)

研究了較高螺桿轉速條件下雙螺桿擠出機的機械剪切應力和擠出溫度對丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物/丁腈橡膠(ABS/NBR)共混物力學性能的影響。結果表明,雙螺桿擠出機的高剪切應力可促進NBR顆粒的分散,提高界面結合力,進而提高共混物的力學性能。在220℃的擠出溫度下,當螺桿轉速由240 r/min提高至1200 r/min時,ABS/NBR(90/10)共混物的缺口沖擊強度由22.1 kJ/m2提高至28.8 kJ/m2,提高了30%。雙螺桿擠出機的熔融擠出溫度對ABS/NBR共混物力學性能的影響存在最佳值。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物;丁腈橡膠;雙螺桿擠出機;剪切應力;共混;螺桿轉速;力學性能

0 前言

ABS具有耐沖擊、耐熱、耐低溫、耐化學品、表面光澤性好等優異的綜合性能,是目前產量最大的高聚物之一,被廣泛用于汽車工業、電子、電器、紡織、器具、建材和通訊儀器外殼等領域[1-2]。隨著電子工業的發展,每年有大量的ABS廢棄物產生。

NBR是丁二烯與丙烯腈經乳液聚合而得的一種極性無規共聚彈性體。當前關于NBR共混物的研究較多,如NBR/聚酰胺[3],NBR/聚丙烯熱塑性彈性體[4],NBR/聚氯乙烯熱塑性彈性體[5],高苯乙烯樹脂/NBR共混物[6]。高聚物共混改性用NBR主要有塊狀NBR和粉狀NBR兩類。粉狀NBR(如 P83)專用于高聚物共混改性。

為了提高高聚物及其共混合金的韌性,加入彈性體仍是最有效的方法[7]。由于NBR與ABS的極性、分子結構、溶解度參數相近,可以作為ABS/聚氯乙烯合金的高分子增韌劑[8],國外也有關于ABS/NBR體系的研究[9]。近年來,一些研究者在熔融擠出過程中施加超聲振動,明顯提高彈性體粒子在塑料基體中的分散性,改善二者界面結合力,從而提高共混物的力學性能[10-11]。

本文通過改變螺桿轉速和擠出溫度等工藝參數,來改善ABS/NBR共混物的力學性能和熔體流動速率,進而促進對廢舊ABS的回收利用。

1 實驗部分

1.1 主要原料

ABS,PA 757K,鎮江奇美公司;

NBR,P86F,法國伊立歐公司。

1.2 主要設備及儀器

雙螺桿擠出機,TE-20(長徑比為32),科倍隆-科亞(南京)機械有限公司;

塑料注射成型機,CJ80M 3V,震德塑料機械廠有限公司;

懸臂梁沖擊試驗機,UJ-4,中國承德試驗機廠;

熔體流動速率儀,XNR-400A,長春市第二試驗機廠;

微機控制電子萬能試驗機,CM T5254,深圳市新三思計量技術有限公司;

掃描電子顯微鏡,JSM-5900,日本電子公司。

1.3 試樣制備

共混物采用雙螺桿擠出機擠出造粒,實驗中所用3組擠出溫度參數設定為:從加料口到機頭依次為170、180、190、185 ℃;200、210、220、215 ℃;230、240、250、245℃。雙螺桿擠出機螺桿轉速分別設定為240、480、720、960、1200 r/min。所得共混物經80℃干燥后注射成型,注射壓力為100 M Pa左右,注射溫度為220℃,成型模具溫度為50～70℃。

1.4 性能測試與結構表征

按GB/T 1843—2008測試懸臂梁缺口沖擊強度,V形缺口,缺口深度為2 mm,擺錘速度為3.5 m/s;

按 GB/T 1040—1992測試拉伸強度,拉伸速度為50 mm/min;

按 GB/T 9341—2008測試彎曲強度,彎曲速度為2 mm/m in;

按 GB 3682—2000測試熔體流動速率,砝碼質量為10 kg,溫度為220℃;

ABS/NBR試樣沖擊斷面中間部分,60℃真空干燥2 h,表面噴金處理,在掃描電子顯微鏡上觀察。

2 結果與討論

2.1 共混物的力學性能

從圖1可以看出,隨著螺桿轉速的增加,不同加工溫度下ABS/NBR共混物的缺口沖擊強度基本呈現先上升后下降的變化趨勢。190℃和220℃熔融擠出時所獲共混物的缺口沖擊強度比250℃熔融擠出時要高;其中220℃下熔融擠出的共混物的沖擊強度最高,在螺桿轉速為720 r/min時達到最大值28.8 kJ/m2。這是由于低螺桿轉速下,NBR在ABS基體樹脂中分散不均勻,NBR破壞了ABS原有的構象。隨著螺桿轉速的增大,NBR分散逐漸均勻,與ABS界面結合增強,沖擊強度提高。

圖1 螺桿轉速對ABS/NBR(90/10)共混物沖擊強度的影響Fig.1 Effect of the screw speed on Izod impact strength of ABS/NBR(90/10)blends

從圖2和圖3可以看出,隨螺桿轉速的增加,共混物的拉伸強度呈現先增加后下降的變化趨勢,在480～720 r/min時出現最大值。加工溫度190℃下共混物的彎曲強度呈現先增加后下降的變化趨勢,220℃和250℃時呈現緩慢下降的趨勢;其中加工溫度為190℃時共混物的拉伸強度和彎曲強度最高。

圖2 螺桿轉速對ABS/NBR(90/10)共混物拉伸強度的影響Fig.2 Effect of the screw speed on tensile strength of ABS/NBR(90/10)blends

2.2 共混物的熔體流動速率

從圖4可以看出,不同擠出溫度下,ABS/NBR共混物的熔體流動速率隨螺桿轉速的提高呈下降趨勢。加工溫度 250℃時,共混物的熔體流動速率最低;220℃時共混物熔體流動速率最高。這些現象說明[12-14]:雙螺桿擠出機的機械剪切力使ABS/NBR共混物發生了接枝、嵌段等交聯反應,以及NBR的自交聯反應。同時,擠出溫度對ABS/NBR共混物的接枝、嵌段反應也具有一定的影響。擠出溫度過低(190℃),不利于ABS與NBR之間的接枝、嵌段反應,不利于界面結合力的增強;擠出溫度過高(250℃),交聯反應以NBR輕度自交聯為主,不利于NBR顆粒的分散;擠出溫度為220℃時,以ABS與NBR界面的接枝、嵌段反應為主。

圖3 螺桿轉速對ABS/NBR(90/10)共混物彎曲強度的影響Fig.3 Effect of the screw speed on bending strength of ABS/NBR(90/10)blends

圖4 螺桿轉速對ABS/NBR(90/10)共混物熔體流動速率的影響Fig.4 Effect of the screw speed on melt flow rate of ABS/NBR(90/10)blends

2.3 共混物的形態結構

從圖5可以看出,NBR在基體ABS中形成了分散相。空洞為NBR和ABS中的PB被抽出所形成的。擠出溫度為190℃時,產生一定量的拋物線韌窩,靠近韌窩處存在應力發白區域。擠出溫度為250℃時,除了產生韌窩,還產生了一定量的空洞,且空洞內留有未被抽出的NBR粒子,空洞尺寸較大且大小不均。純ABS具有一定量的韌窩,表面呈碎魚鱗狀,韌窩邊緣有少量的應力發白,依據脆-韌轉變理論,此為銀紋萌生及擴展階段;而斷面光滑,沒有應力發白現象,這是銀紋的失穩擴展階段;整體表現為半脆半韌斷裂[15]。擠出溫度為220℃時,共混物具有一定量的韌窩,且尺寸較小,韌窩表面還有少量的小韌窩;斷面撕裂比較嚴重,局部凹凸不平,韌窩較深;斷面大部分表現為應力發白,這是粉末NBR粒子發生空穴化和剪切屈服的共同作用,是典型的塑性變形[16]。

圖5 不同擠出溫度下ABS/NBR共混物沖擊斷面的SEM照片Fig.5 SEM micrographs fo r fractured surface of ABS/NBR blends prepared at different extrusion temperature

從圖6可以看出,低螺桿轉速(240 r/m in)下,NBR橡膠顆粒分散不均且顆粒尺寸較大;螺桿轉速為720 r/min時,橡膠顆粒尺寸明顯減小,空洞與基體間的相界面模糊不清,界面結合力增強,使得分散的彈性體粒子成為微裂紋增長的障礙物,有效阻止在應力作用下形成銀紋的進一步增長;高螺桿轉速(1200 r/min)下,NBR橡膠顆粒分布不均勻,顆粒尺寸太大,相界面清晰。這是由于過低的螺桿轉速提供的機械剪切力較小,不利于分散相的分散;過高的螺桿轉速提供的機械剪切力太大,產生的化學反應劇烈,引起過量的NBR發生自交聯副反應,使得NBR顆粒尺寸增大;根據彈性體增韌塑料機理可知[17],橡膠粒子的尺寸和尺寸分布、粒子和基體的界面結合強度等因素會影響ABS/NBR共混物的韌性。

圖6 不同螺桿轉速下ABS/NBR(90/10)共混物沖擊斷面的SEM照片Fig.6 SEM micrographs of fractured surface of ABS/NBR(90/10)blends prepared at different screw speed

3 結論

(1)ABS/NBR共混物熔融擠出過程中,高螺桿轉速可促進NBR粒子在基體樹脂中的分散,提高了NBR與ABS的相容性,使界面結合力加強,力學性能與流動性能得到改善。擠出機螺桿轉速在480～720 r/min時,ABS/NBR共混物性能較佳;

(2)擠出溫度對ABS/NBR共混物的力學性能也有一定的影響。過低的擠出溫度,不利于NBR顆粒在基體中的分散及界面結合力的加強。但擠出溫度過高,則會導致共混物的過度交聯副反應及力學性能的下降,故擠出溫度為220℃、螺桿轉速在720 r/min時,ABS/NBR共混物的綜合性能較佳。

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Effect of High Shearing Stress on Mechanical Properties of ABS/NBR Blends

LI Huaidong,ZHANG Yuncan,Q IAN Hui＊
(College of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China)

The effect of shearing stress in a tw in screw extruder during melt extrusion on the mechanical properties of acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer/nitrile-butadiene rubber(ABS/NBR)blends was investigated.It was found that a higher shearing stress could accelerate the distribution of NBR particles in the ABS matrix and enhance the inter facial bonding between NBR and ABS.A t 220℃,when the screw speed increased from 240 r/min to 1200 r/m in,Izod impact strength of the blends(ABS/NBR=90/10)increased from 22.1 kJ/m2to 28.8 kJ/m2.

acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer;nitrile-butadiene rubber;twin-screw extruder;shearing stress;blending;screw speed;mechanical property

TQ325.2

B

1001-9278(2010)10-0062-04

2010-07-06

＊聯系人,lihuaidong@vip.163.com