李懷棟,張?jiān)茽N,錢 慧

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210009)

高剪切應(yīng)力對(duì)ABS/NBR共混物力學(xué)性能的影響

李懷棟,張?jiān)茽N,錢 慧＊

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210009)

研究了較高螺桿轉(zhuǎn)速條件下雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)械剪切應(yīng)力和擠出溫度對(duì)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物/丁腈橡膠(ABS/NBR)共混物力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,雙螺桿擠出機(jī)的高剪切應(yīng)力可促進(jìn)NBR顆粒的分散,提高界面結(jié)合力,進(jìn)而提高共混物的力學(xué)性能。在220℃的擠出溫度下,當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速由240 r/min提高至1200 r/min時(shí),ABS/NBR(90/10)共混物的缺口沖擊強(qiáng)度由22.1 kJ/m2提高至28.8 kJ/m2,提高了30%。雙螺桿擠出機(jī)的熔融擠出溫度對(duì)ABS/NBR共混物力學(xué)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(jī);剪切應(yīng)力;共混;螺桿轉(zhuǎn)速;力學(xué)性能

0 前言

ABS具有耐沖擊、耐熱、耐低溫、耐化學(xué)品、表面光澤性好等優(yōu)異的綜合性能,是目前產(chǎn)量最大的高聚物之一,被廣泛用于汽車工業(yè)、電子、電器、紡織、器具、建材和通訊儀器外殼等領(lǐng)域[1-2]。隨著電子工業(yè)的發(fā)展,每年有大量的ABS廢棄物產(chǎn)生。

NBR是丁二烯與丙烯腈經(jīng)乳液聚合而得的一種極性無規(guī)共聚彈性體。當(dāng)前關(guān)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(jié)構(gòu)、溶解度參數(shù)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(guān)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(dòng),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(jié)合力,從而提高共混物的力學(xué)性能[10-11]。

本文通過改變螺桿轉(zhuǎn)速和擠出溫度等工藝參數(shù),來改善ABS/NBR共混物的力學(xué)性能和熔體流動(dòng)速率,進(jìn)而促進(jìn)對(duì)廢舊ABS的回收利用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

ABS,PA 757K,鎮(zhèn)江奇美公司;

NBR,P86F,法國伊立歐公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

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

塑料注射成型機(jī),CJ80M 3V,震德塑料機(jī)械廠有限公司;

懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī),UJ-4,中國承德試驗(yàn)機(jī)廠;

熔體流動(dòng)速率儀,XNR-400A,長春市第二試驗(yàn)機(jī)廠;

微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),CM T5254,深圳市新三思計(jì)量技術(shù)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(jī)擠出造粒,實(shí)驗(yàn)中所用3組擠出溫度參數(shù)設(shè)定為:從加料口到機(jī)頭依次為170、180、190、185 ℃;200、210、220、215 ℃;230、240、250、245℃。雙螺桿擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為240、480、720、960、1200 r/min。所得共混物經(jīng)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(jié)構(gòu)表征

按GB/T 1843—2008測試懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)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?yán)鞆?qiáng)度,拉伸速度為50 mm/min;

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

按 GB 3682—2000測試熔體流動(dòng)速率,砝碼質(zhì)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(jié)果與討論

2.1 共混物的力學(xué)性能

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

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)ABS/NBR(90/10)共混物沖擊強(qiáng)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(zhuǎn)速的增加,共混物的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢,在480～720 r/min時(shí)出現(xiàn)最大值。加工溫度190℃下共混物的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢,220℃和250℃時(shí)呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢;其中加工溫度為190℃時(shí)共混物的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最高。

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)ABS/NBR(90/10)共混物拉伸強(qiáng)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(dòng)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(dòng)速率隨螺桿轉(zhuǎn)速的提高呈下降趨勢。加工溫度 250℃時(shí),共混物的熔體流動(dòng)速率最低;220℃時(shí)共混物熔體流動(dòng)速率最高。這些現(xiàn)象說明[12-14]:雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)械剪切力使ABS/NBR共混物發(fā)生了接枝、嵌段等交聯(lián)反應(yīng),以及NBR的自交聯(lián)反應(yīng)。同時(shí),擠出溫度對(duì)ABS/NBR共混物的接枝、嵌段反應(yīng)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(yīng),不利于界面結(jié)合力的增強(qiáng);擠出溫度過高(250℃),交聯(lián)反應(yīng)以NBR輕度自交聯(lián)為主,不利于NBR顆粒的分散;擠出溫度為220℃時(shí),以ABS與NBR界面的接枝、嵌段反應(yīng)為主。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)ABS/NBR(90/10)共混物彎曲強(qiáng)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(zhuǎn)速對(duì)ABS/NBR(90/10)共混物熔體流動(dòng)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(tài)結(jié)構(gòu)

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(shí),產(chǎn)生一定量的拋物線韌窩,靠近韌窩處存在應(yīng)力發(fā)白區(qū)域。擠出溫度為250℃時(shí),除了產(chǎn)生韌窩,還產(chǎn)生了一定量的空洞,且空洞內(nèi)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(yīng)力發(fā)白,依據(jù)脆-韌轉(zhuǎn)變理論,此為銀紋萌生及擴(kuò)展階段;而斷面光滑,沒有應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象,這是銀紋的失穩(wěn)擴(kuò)展階段;整體表現(xiàn)為半脆半韌斷裂[15]。擠出溫度為220℃時(shí),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(yán)重,局部凹凸不平,韌窩較深;斷面大部分表現(xiàn)為應(yīng)力發(fā)白,這是粉末NBR粒子發(fā)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F(xiàn)ig.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(zhuǎn)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(zhuǎn)速為720 r/min時(shí),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(jié)合力增強(qiáng),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(yīng)力作用下形成銀紋的進(jìn)一步增長;高螺桿轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速提供的機(jī)械剪切力較小,不利于分散相的分散;過高的螺桿轉(zhuǎn)速提供的機(jī)械剪切力太大,產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)劇烈,引起過量的NBR發(fā)生自交聯(lián)副反應(yīng),使得NBR顆粒尺寸增大;根據(jù)彈性體增韌塑料機(jī)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(jié)合強(qiáng)度等因素會(huì)影響ABS/NBR共混物的韌性。

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

3 結(jié)論

(1)ABS/NBR共混物熔融擠出過程中,高螺桿轉(zhuǎn)速可促進(jìn)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(jié)合力加強(qiáng),力學(xué)性能與流動(dòng)性能得到改善。擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速在480～720 r/min時(shí),ABS/NBR共混物性能較佳;

(2)擠出溫度對(duì)ABS/NBR共混物的力學(xué)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(jié)合力的加強(qiáng)。但擠出溫度過高,則會(huì)導(dǎo)致共混物的過度交聯(lián)副反應(yīng)及力學(xué)性能的下降,故擠出溫度為220℃、螺桿轉(zhuǎn)速在720 r/min時(shí),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(lián)系人,lihuaidong@vip.163.com