鐘明強(qiáng)

(廣汽本田汽車有限公司,廣東廣州510700)

0 前言

ABS樹脂具有優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度,電性能、耐化學(xué)藥品性、耐油性好,加工適應(yīng)性也好,易電鍍。由于ABS的特殊性能使得ABS在車輛、家具、建材、電器等行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用[1]。聚丙烯(PP)具有良好的使用性能、加工性能和價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn),是應(yīng)用廣泛的熱塑性樹脂之一。中空玻璃微珠(HGB)具有光滑的球形表面,用作填料對復(fù)合材料的加工性能和制品表面質(zhì)量的影響較小,且可減小制品的內(nèi)應(yīng)力,改變材料的加工及機(jī)械性能。國內(nèi)外很多學(xué)者對于 HGB填充聚合物的流變性能進(jìn)行了較為深入的研究[2-24],但對于不同體積分?jǐn)?shù)的 HGB填充聚合擠出流動(dòng)中彈性性質(zhì)的研究還較少。

聚合物熔體的彈性性能是聚合物材料加工及成型設(shè)備設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。本文重點(diǎn)研究溫度(t)、剪切應(yīng)力(τw)、填料的體積分?jǐn)?shù)(φf)對ABS/ HGB及 PP/HGB復(fù)合材料擠出脹大比(B)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料及復(fù)合材料的制備

ABS 采用韓國三星公司STAVEX ABS SV-0157樹脂為基體。樹脂的密度和熔融流動(dòng)速率(ASTMD 1238:3.8 kg,230℃)分別為 1.03 g cm-3和5.7 g·(10 min)-1。

PP 采用廣州石化有限公司生產(chǎn)的CJS-700注塑級(jí)聚丙烯樹脂為基體。樹脂的密度和熔融流動(dòng)速率(2.16 kg,230℃)分別為0.91 g·cm-3和8～15 g·(10 min)-1。

HGB 選擇德國MOLUS公司生產(chǎn)的 TK 70等型號(hào)的中空硼硅酸鹽微球作為填料。

所有的PP復(fù)合材料均由成都科強(qiáng)高分子工程公司生產(chǎn)的SLJ K(Φ35,L/D=28)雙螺桿擠出機(jī)制備而成。其中,TK 70型號(hào)HGB的體積分?jǐn)?shù)分別為10%和20%。

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

試驗(yàn)儀器為承德市考思科學(xué)檢測有限公司的XNRk-400A型熔體流動(dòng)速率測定儀及Canon IXUS 400數(shù)碼相機(jī)。采用照相法記錄不同條件下的擠出物直徑Do(mm);利用式(1)求出擠出脹大比B。每個(gè)條件取3個(gè)樣本,結(jié)果取平均值。

式中:Di為口模直徑,mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠出脹大比對剪切應(yīng)力的依賴性

擠出物脹大(或口模膨脹)是聚合物流體彈性特性的重要表征。其脹大程度常用擠出脹大比B表征。圖1顯示了ABS/TK 70及PP/TK 70復(fù)合體系,在200℃時(shí)熔體的擠出脹大比對剪切應(yīng)力的依賴關(guān)系。由圖1可以看出:ABS/TK 70及PP/ TK 70體系熔體的擠出脹大比均隨著剪切應(yīng)力τw的增加而增大。這是因?yàn)?隨著剪切應(yīng)力的增加,聚合物分子鏈?zhǔn)芗羟袘?yīng)力作用而產(chǎn)生的拉伸和剪切形變程度加劇,導(dǎo)致擠出物的內(nèi)部彈性儲(chǔ)能增加。當(dāng)其離開口模后,由于形狀記憶效應(yīng)及內(nèi)部聚合物分子鏈形變的彈性回復(fù)等因素的綜合作用,使得擠出脹大程度增大。

當(dāng)τw>120 kPa時(shí),ABS/TK 70體系的擠出脹大比增幅明顯有增大的趨勢。可見,對于ABS/ TK 70體系,剪切應(yīng)力的增大對于熔體彈性性能的增大產(chǎn)生了明顯的影響。這與ABS樹脂連續(xù)相內(nèi)有橡膠狀聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨著剪切應(yīng)力增加,ABS/TK 70熔體的彈性儲(chǔ)能及形變的能力有所增強(qiáng)。

圖1 ABS/TK70及PP/TK70體系B與τw的關(guān)系Fig.1 B versusτwof ABS/TK70 and PP/TK70

2.2 擠出脹大比對溫度的依賴性

圖2顯示了ABS/TK 70及PP/TK 70體系熔體的擠出脹大比對溫度的依賴關(guān)系。由圖2可知: ABS/TK 70體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而增大;而PP/TK 70體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而減小。造成這種現(xiàn)象的原因可能是在一定載荷下,ABS基體中的橡膠相隨著溫度的升高儲(chǔ)存的彈性形變能量增大,且隨著其內(nèi)部分子鏈活動(dòng)能力增強(qiáng),分子間作用力削弱,更加有利于擠出熔體的彈性回復(fù);而且由于ABS/TK 70體系的熔體黏度大,擠出流動(dòng)速率很小。因此,在實(shí)驗(yàn)溫度較低時(shí),熔體被擠出口模之后,其表面迅速散熱固化,抑止了熔體內(nèi)分子鏈的自由彈性回復(fù)。但實(shí)驗(yàn)溫度升高之后,熔體的擠出熔體速率隨之增大,擠出的熔體表面凝固時(shí)間延長,高分子鏈有足夠的時(shí)間彈性回復(fù),因而導(dǎo)致該體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而增大。而對于PP/TK 70體系,聚合物分子鏈的活動(dòng)能力隨著溫度上升而增強(qiáng),熔體在流動(dòng)中儲(chǔ)存的形變能的黏性耗散增加,導(dǎo)致其彈性特性減弱,擠出后分子鏈彈性回復(fù)能力減弱。

圖2 ABS/TK70及PP/TK70體系B對溫度的依賴性Fig.2 Effect of temperature on B of ABS/TK70 and PP/TK70

2.3 擠出脹大比與HGB的體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

圖3顯示了溫度為200℃時(shí)ABS/TK 70及PP/TK 70體系熔體的擠出脹大比與 HGB的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。由圖3可知:相同剪切應(yīng)力下ABS/ TK 70體系的擠出脹大比隨著 HGB的體積分?jǐn)?shù)增加而增大;而PP/TK 70體系的擠出脹大比隨著HGB的體積分?jǐn)?shù)的增加而減小。這是因?yàn)閷P/ TK 70體系,HGB的加入,加劇了熔體內(nèi)儲(chǔ)存的形變能的耗散,且不利于擠出物離模后的彈性回復(fù),導(dǎo)致擠出脹大比相應(yīng)地下降。但對于ABS/TK 70體系,HGB的加入也將消耗熔體內(nèi)部儲(chǔ)存的形變能,但同時(shí)也削弱了ABS內(nèi)部分子鏈間的作用力,從而有利于擠出后的彈性回復(fù),使得該體系的擠出脹大比隨著HGB的體積分?jǐn)?shù)的增加而明顯增大。

圖3 ABS/TK70及PP/TK70體系B與φf的關(guān)系Fig.3 Relationship between B andφfof ABS/TK70 and PP/TK70

3 結(jié)論

(1)ABS/TK 70及PP/TK 70體系熔體的擠出脹大比均隨著剪切應(yīng)力τw的增加而增大。對ABS/TK 70體系,當(dāng)τw>120 kPa時(shí),其熔體的擠出脹大比的增幅明顯增大。

(2)ABS/TK 70體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而增大;而PP/TK 70體系的擠出脹大比隨著溫度的上升而減小。

(3)相同剪切應(yīng)力下ABS/TK 70體系的擠出脹大比隨著HGB的體積分?jǐn)?shù)增加而增大;而PP/ TK 70體系的擠出脹大比隨著 HGB的體積分?jǐn)?shù)增加而減小。

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