滑石粉填充ABS材料的熔接痕強度研究

戴建建，何超雄，官煥祥，陳平緒

(金發科技股份有限公司，塑料改性與加工國家工程實驗室，廣州 510663)

0 前言

ABS樹脂是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯3種單體合成的接枝共聚物，因其具有優良的沖擊、尺寸穩定性、耐化學等性能，廣泛應用于家電、辦公用品、電子電器、汽車、包裝等行業[1-2]。但為了更好地滿足差異化應用需求，常需對其進行改性[3-6]。

采用無機礦物對ABS進行填充改性，不僅可以降低成本，而且可以改善ABS的力學性能、熱性能、尺寸穩定性等[7-9]。滑石粉作為一種廣泛應用的無機填料，因其獨特的層狀結構，而常被應用于填充改性ABS，以改善其剛性、尺寸穩定性、耐熱性能[10-11]。

然而，滑石粉填充ABS材料在實際應用過程中，發現在制件熔接痕位置處易發生開裂，嚴重影響材料的正常使用[12]。因此，本文研究了滑石粉含量及粒徑、復配填充體系、潤滑劑對滑石粉填充ABS材料熔接痕強度的影響。并通過分析其熔接痕斷面處的形貌，探究其熔接痕強度惡化的機理。

1 實驗部分

1.1 主要原料

ABS，HP181，中海油樂金化工有限公司；

滑石粉，TYT-8875B(12 μm)、TYT-777A(5 μm)、HTPULTRA5L(0.5 μm)，市售；

硅灰石，NYGLOS 4W 10992，平均粒徑63 μm，美國Nyco礦物有限公司；

硫酸鋇，AB3000-N1，5 μm，廣州天秦有限公司；

潤滑劑(酰胺類潤滑劑、改性酰胺類潤滑劑、硬脂酸鋅、硅酮類潤滑劑)，市售。

1.2 主要設備及儀器

同向雙螺桿嚙合擠出機，TSE-40A，L/D=40∶1，南京瑞亞擠出機械制造有限公司；

注塑機，BS80-Ⅲ，博創智能裝備股份有限公司；

電子拉力實驗機，Z010，德國Zwick公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，S-3400N，日本株式會社日立高新技術那珂事業所。

1.3 樣品制備

將ABS樹脂、無機填料、加工助劑按設計配比稱量，混合均勻后在雙螺桿擠出機中擠出造粒，擠出溫度由加料口至機頭依次為190、210、200、210 ℃;將所得粒子在220 ℃下注塑成熔接痕樣條;熔接痕樣條采用自制的熔接痕模具注塑而成;其樣條尺寸大小與GB/T 1040—1992《塑料拉伸性能測試方法》中規定的標準樣條一致，但采用在樣條兩端同時進澆，因此在樣條中間形成明顯的熔接線，具體如圖1所示。

圖1 熔接痕樣條示意圖Fig.1 Schematic of the weld mark splines

1.4 性能測試與結構表征

熔接痕強度：參照ISO 527-2中拉伸性能測試方法進行測試，拉伸速率為50 mm/min;

SEM分析：樣條斷面噴金處理，觀察材料斷面形貌。

2 結果與討論

2.1 滑石粉含量及粒徑的影響

如圖2所示，隨著滑石粉含量的增加，填充ABS材料的熔接痕強度急劇降低，并且近似呈線性關系。由此表明，滑石粉會嚴重惡化填充ABS材料的熔接痕強度。

圖2 滑石粉含量對填充ABS材料熔接痕強度的影響Fig.2 The effect of talc content on the weld mark strength of filled ABS

(a)純ABS樹脂 (b)5 %滑石粉填充 (c)10 %滑石粉填充圖3 滑石粉填充ABS材料在熔接痕斷面處的SEM照片Fig.3 SEM of the fracture surface of the weld mark of ABS filled with talc

圖4 滑石粉隨料流在熔接痕界面處的分布示意圖Fig.4 Schematic of talc distribution with melt flow on the weld mark surface

圖5 滑石粉粒徑對填充ABS材料熔接痕強度的影響Fig.5 The effect of talc size on the weld mark strength of filled ABS

如圖3所示，添加滑石粉后斷面出現“魚鱗”狀的結構，并且隨著滑石粉含量的增加，“魚鱗”狀結構更細膩明顯。這種“魚鱗”狀的結構正是由于片狀結構的滑石粉在斷面處呈平行界面取向而形成的。圖4為滑石粉隨料流在熔接痕界面處的分布示意圖，料流在充模時呈噴泉流動，在兩股料流匯合處，片狀滑石粉在料流前鋒傾向于平行界面取向，從而阻礙了大分子的相互熔合和擴散，并且滑石粉與ABS的相容性很差，致使制品在熔接痕處的強度大幅度下降[13]。如圖5所示，添加滑石粉后，ABS材料的熔接痕強度下降明顯，而且對于添加不同粒徑的滑石粉，對熔接痕強度的影響卻很小。可能是由于片狀滑石粉在熔接痕界面處呈平行取向，小片層的滑石粉通過相互重疊與大片層滑石粉起到的阻擋作用相當，因而其熔接痕強度差異不大。

2.2 復配填充體系的影響

如圖6所示，采用纖維狀硅灰石來部分替代片狀滑石粉，可以明顯提高滑石粉填充ABS材料的熔接痕強度[14]。采用球狀的硫酸鋇與滑石粉等量復配，卻沒有采用纖維狀硅灰石與滑石粉等量復配后熔接痕強度高。

a—無填充 b—10%滑石粉c—5%滑石粉/15%硅灰石 d—5%滑石粉/5%硫酸鋇圖6 復配填充體系對滑石粉填充ABS材料熔接痕強度的影響Fig.6 The effect of the compounded fill system on the weld mark strength of ABS filled with talc

如圖7(b)所示，某些硅灰石一端斜插在基體內，一端裸露在外面，這種形式的硅灰石在界面處起到了橋接作用。而對于填充滑石粉的ABS材料[如圖7(a)所示]，片層的滑石粉均勻分散在界面處阻礙了ABS分子鏈的相互纏結和擴散，并且片狀滑石粉可能受到阻力較大難以插入界面層內，即使有個別插入，其深度可能也較淺，難以起到良好的橋接作用。因而填充硅灰石比填充滑石粉有更高的熔接痕強度。復配填充滑石粉與硅灰石[如圖7(c)所示]，一方面硅灰石起到橋接作用，另一方面硅灰石抑制片狀滑石粉沿熔接痕界面平行取向，減弱了片狀滑石粉的阻擋作用，從而熔接痕強度明顯提高。圖7(d)為滑石粉和硫酸鋇復合填充ABS材料的熔接痕斷面形貌圖，從中可觀察到許多白點即為硫酸鋇。細小的球狀硫酸鋇無法像纖維狀硅灰石起到橋接作用，因而沒有滑石粉與硅灰石復配的熔接痕強度高。

填料：(a)10 %滑石粉 (b)10 %硅灰石 (c)5 %滑石粉+5 %硅灰石 (d)5 %滑石粉+5 %硫酸鋇圖7 含不同填料的ABS材料在熔接痕斷面處的SEM照片Fig.7 SEM of the fracture surface of the weld mark of ABS filled with different fillers

潤滑劑：●—酰胺類 ■—改性酰胺類 ▲—硬脂酸鋅 ▼—硅酮類圖8 潤滑劑對滑石粉填充ABS材料熔接痕強度的影響Fig.8 The effect of lubricants on the weld mark strength of ABS filled with talc

2.3 潤滑劑的影響

圖8為潤滑劑對滑石粉填充ABS材料熔接痕強度的影響，其中酰胺類和改性酰胺類為內潤滑劑，而硬脂酸鋅和硅酮為外潤滑劑。如圖8所示，加入酰胺類潤滑劑降低材料的熔接痕強度，而加入改性酰胺類潤滑劑卻能改善材料的熔接痕強度。這是由于相比酰胺類潤滑劑，改性酰胺類潤滑劑是在亞乙基雙脂肪酸酰胺的基礎上進行接枝極性基團(亦稱為錨固基團)。這種極性基團可與滑石粉牢固結合，同時酰胺主鏈與ABS具有良好的相容性，從而在熔接痕界面處起到良好的錨固作用，提升了材料的熔接痕強度。對于外潤滑劑，硬脂酸鋅對材料的熔接痕強度影響較小而硅酮類潤滑劑卻降低材料的熔接痕強度。硅酮類潤滑劑由于與ABS基體的相容性不佳，且極易遷移到熔接痕界面處，導致材料在界面處相容性變差，從而降低熔接痕強度。硬脂酸鋅一方面與ABS基體具有一定的相容性，另一方面可能吸附在滑石粉周圍[15]，未對滑石粉與ABS基體的相容性產生顯著影響，因而對填充ABS材料的熔接痕強度影響不大。

3 結論

(1)提高滑石粉用量會降低ABS材料的熔接痕強度；片狀滑石粉在熔接痕界面處呈平行于界面取向，阻擋了大分子鏈的相互擴散和熔合，因而會降低ABS材料的熔接痕強度；

(2)采用滑石粉與硅灰石復配，可有效地提高滑石粉填充ABS的熔接痕強度；

(3)相比酰胺類潤滑劑，添加極性基團改性的酰胺類內潤滑劑可以有效改善滑石粉填充ABS的熔接痕強度；外潤滑劑硬脂酸鋅對滑石粉填充ABS的熔接痕強度影響不大。