白炭黑／ABS复合材料力学性能研究

金 政，李文龙，马海清，迟旭阳，孙立国

（1.黑龙江大学 高效转化的化工过程与技术黑龙江省普通高校重点实验室，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 化学化工与材料学院，哈尔滨 150080）

0 引 言

ABS树脂是一种重要的商业塑料，具有很高的物理性能和力学性能[1]。ABS树脂相对其它工程塑料具有较低的成本，同时ABS树脂具有易加工性，低蠕变性以及优异的尺寸稳定性和高抗冲击强度等，因而在电子电器、仪器仪表、汽车制造、建材工业等领域得到了广泛应用[2]。但ABS树脂因为存在橡胶增韧相，因此其硬度较低，表面容易出现划痕，限制了其在电子电器和仪器仪表的外壳上的使用，虽然可以通过表面涂漆或者电镀等方法增加其表面硬度，但增加了成本降低了使用寿命。而无机填料加入聚合物基体中提高力学性能已屡见不鲜，很多研究人员已经做了大量实验，证明了无机填料可以很好的增加聚合物基体的硬度、拉伸强度以及抗冲击强度等，例如R.Y.Hong等人证明了SiO2微球可以很好的增强PMMA的硬度、抗冲强度和弯曲强度等[3]；杨柳青等人使用分子筛作为无机刚性粒子填料，在保强保韧甚至提高强度韧性的前提下，很好的提高MC尼龙的硬度、耐磨、耐热及防老化等性能[4]。综合来看，使用无机填料改性聚合物已经得到广泛的认同，加入无机填料能有效的解决ABS产品表面硬度等力学性能问题。

白炭黑是目前世界上大规模工业化生产的产量最高的一种纳米粉体材料[5]。由于纳米白炭黑粒子具有大的比表面积、高比强度和硬度，因此常将其作为无机填料增强或增韧聚合物基体[6－7]。但是与聚合物之间的相容性以及分散程度一直是需要克服的难点[8]，引入硅烷偶联剂以后，使得白炭黑表面羟基与硅氧烷键发生反应，在白炭黑表面形成有机结构，可以降低白炭黑的表面能，提高其与聚合物的相容性和分散程度[9－13]。

本文以KH-550表面改性过的气相白炭黑（纳米尺度）为无机填料，ABS树脂为基体材料，使用双螺杆挤出机和注塑机等设备将两种材料共混成型，并通过多种力学测试，系统地研究了白炭黑含量对复合材料的力学性能影响规律。

1 实验部分

1.1 实验材料

ABS树脂：PA-747，台湾奇美实业股份有限公司；气相白炭黑：A-200，沈阳化工股份有限公司；KH-550：分析纯，南京道宁化工有限公司。

1.2 实验仪器

数显恒速搅拌器：51K90RA-CF，上海申胜生物技术有限公司；双螺杆挤出机：TE-35，江苏科亚公司；全液压塑料注射机：JPH120，顺德秦川恒利公司；万能制样机：ZHY-W，承德试验机厂；微机控制电子拉力机：WDT90，深圳凯强利机械厂；悬臂梁冲击式样机：XJU，承德试验机厂；邵氏硬度计：XHS，营口市材料试验有限公司；弯曲试样机：自制。

1.3 样品的制备

将气相白炭黑加到一个5000mL的三颈瓶中，放入一定量的无水乙醇，超声分散开，然后装上搅拌装置，放入水浴中升温至60℃。称取白炭黑质量分数5%的KH-550，并与4倍体积的蒸馏水混合，然后将混合液倒入三颈瓶中，恒温反应4h，离心干燥。

按照复合材料质量分数的0、0.5%、1%、1.5%、2%的比例称取改性白炭黑，将改性白炭黑和ABS树脂颗粒先进行物理混合，然后加到双螺杆中，挤出造粒。双螺杆挤出机各段温度（由进料斗至机头）分别为：165、170、175、180、185和170℃。复合材料粒子经注塑机注塑成国家标准测试用样条。注塑成型机各段温度（由料斗至喷嘴）分别为：190、195、200和205℃。

1.4 性能测试与表征

复合材料经液氮脆断，喷金处理后，采用Hitachi公司S4800扫描电镜观察断面形貌；拉伸试验按照GB／T 1040-90的测试标准；冲击试验按照GB／T 1043-93的测试标准；邵氏硬度试验按照GB／T 2411-1980的测试标准；弯曲试验按照GB／T 1449-83的测试标准。

2 结果与讨论

2.1 改性气相白炭黑电镜照片

图1为改性白炭黑的扫描电镜照片，由图1可知，白炭黑是一种纳米级别的无机材料，粒径约600nm，这种尺寸的无机粒子，由于比表面积较大，很容易团聚在一起，形成图1中的聚集结构。

2.2 组成比对白炭黑／ABS复合材料邵氏硬度的影响

邵氏硬度计是一种简便的测试仪器，它主要表征了材料硬度上的一些变化，更加直观地给出了无机粒子与聚合物之间作用的效果。图2为白炭黑含量对复合材料的硬度影响。由图2可见，白炭黑在含量较低时对复合材料起到很好地增强作用，体现在宏观硬度上的增加，后期的下降主要由于白炭黑颗粒的体积分数增加，在复合材料里团聚加剧，造成缺陷，导致表面上的硬度下降。与纯ABS树脂相比，在白炭黑占复合材料的1.5wt%时，邵氏强度提高了约12.20%。

2.3 组成比对白炭黑／ABS复合材料拉伸性能的影响

图3为白炭黑含量对复合材料拉伸强度的影响曲线。由图3可见，随着白炭黑含量的增加，曲线呈现先升后降的趋势，主要原因在于刚性白炭黑粒子在加入很少时，大部分粒子进入到聚合物基体裂缝空隙内，与聚合物形成整体结构，把无机粒子从聚合物基体中剥离出来需要消耗很多的能量，宏观体现在拉伸强度增大，间接表明材料的刚性得到很好的提高。但随着白炭黑含量的增加，团聚现象加大，在聚合物基体内产生除了裂缝以外的应力集中点，使得材料更加容易开裂，拉伸强度下降。当白炭黑含量为1.5wt%时，拉伸强度提高了约13.56%。图4为白炭黑含量在1.5wt%时复合材料断面的扫描电镜照片，由图4可见，凸起和下凹结构主要为裂缝的扩张将白炭黑粒子从ABS基体中剥离残留的白炭黑粒子和离去粒子所占的 “坑状”结构，这种剥离需要消耗很大的剥离能，即需要更大的外部应力来使材料断裂，更加直观地验证了图3中拉伸强度曲线的变化，证实了无机粒子对增强复合材料力学性能有很大的贡献。

图5为白炭黑含量对复合材料断裂伸长率的影响曲线。曲线随着白炭黑含量的增加，呈现下降趋势，主要原因在于白炭黑粒子的尺寸较小，并不能使得应力在复合材料中均匀分散开，只能形成少量的银纹结构，造成材料韧性的下降。当白炭黑含量为2wt%时，断裂伸长率下降了约11.87%。

2.4 组成比对白炭黑／ABS复合材料弯曲性能的影响

图5 白炭黑含量对复合材料断裂伸长率的影响Fig.5 Effects of fumed silica contents on the elongation at break of composites

弯曲模量又称挠曲模量，材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力，通常用E来表示弯曲模量。弯曲模量与试样的支撑跨度成正比，与试样宽度、厚度和扰度成反比关系。其中扰度表示材料在载荷作用下的形变大小，材料刚性越好，扰度越小，反之，扰度越大。图6为白炭黑含量对复合材料弯曲模量的影响曲线，弯曲模量曲线变化趋势与拉伸强度变化趋势基本相同，粒子加入到聚合物基体中，复合材料的刚性增加，扰度变小，弯曲模量增大，证实粒子对聚合物基体起到了很好的增强作用。但随着含量的增加，材料的缺陷也在增多，变形能力也会变差，但还是较优于纯的基体材料，所以弯曲模量也会先升后降。当白炭黑含量为1wt%时，弯曲模量上升了约22.09%。

图6 白炭黑含量对复合材料弯曲模量的影响Fig.6 Effects of fumed silica contents on the flexural modulus of composites

2.5 组成比对白炭黑／ABS复合材料冲击性能的影响

图7为白炭黑含量对复合材料冲击强度的影响曲线。冲击实验是一种动态力学性能试验，主要用来测定冲断一定形状的试样所消耗的功，又叫冲击韧性试验。材料的韧性越好，摆锤下落冲断试样所消耗的能量越大，材料的冲击强度越大。图7中曲线呈下降趋势，说明材料的韧性下降很多，也间接证实粒子对聚合物基体起到了增强作用。当白炭黑含量为2wt%时，冲击强度下降了约5.53%。

图7 白炭黑含量对复合材料冲击强度的影响Fig.7 Effects of fumed silica contents on the impact strength of composites

3 结 论

1）邵氏硬度、拉伸强度及弯曲模量曲线表明，改性白炭黑能有效地增强ABS树脂，在提高ABS树脂表面硬度的同时，对复合材料的拉伸强度和弯曲模量也有显著提高。

2）断裂伸长率曲线和冲击强度曲线表明，在改性白炭黑增强ABS树脂的同时也牺牲了复合材料部分韧性。

3）当白炭黑含量在1.5wt%时，综合力学性能最佳。

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