硅烷改性剂对硅灰石填充ABS复合材料的性能影响

宋世坤+彭鹤松+李永安

摘 要：采用硅烷改性剂对硅灰石（GY-319）进行表面改性，与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）熔融混合制备ABS/硅灰石复合材料，研究了改性剂对硅灰石吸油值的影响，分析了ABS/硅灰石复合材料的力学性能和熔融指数（MFR）的变化规律，并用SEM观测了硅灰石在ABS中的分散性。结果表明：经改性剂处理后，硅灰石吸油值降低；ABS/硅灰石复合材料综合力学性能改善，加工流动性明显增加，其中，KH-550改性的体系效果最佳；硅灰石在ABS中的分散性提高。

关键词：硅烷改性剂剂；硅灰石；ABS；力学性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.220

0 引言

ABS树脂综合性能优异，应用广泛，但其价格较高。因此，在实际应用中，根据需求，常对ABS树脂进行各种改性，使其达到实际使用要求[1-2]。无机非金属填料能起到增量降成本的作用，对粉体进行表面改性后，广泛应用于ABS树脂[3-5]。因此，ABS的填充改性也是重要的改性方向之一。

硅灰石具有针状结构，长径比大，无毒、耐化学腐蚀、热稳定性及尺寸稳定良好，有玻璃和珍珠光泽，低吸水率和吸油值，力学性能及电性能优良以及具有一定补强作用[6-7]。本文在原来研究的基础上，进一步比较各种表面改性剂对硅灰石的改性效果，详细分析了ABS/硅灰石复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和MFR，并采用SEM测试了ABS/硅灰石復合材料的冲击断裂面形貌。

1 实验部分

1.1 原材料

ABS，PA-757，奇美宝业股份有限公司；硅灰石，GY-319，江西广源化工有限责任公司；硅烷偶联剂，KH550、KH570、CG212，市售；大分子高活性硅烷，JST-3G，市售；N，N-亚乙基双硬脂酸酰胺（EBS），市售。

1.2 仪器设备

双螺杆挤出机组：SHJ-36型，L/D=50，D=35.5mm，南京杰恩特机电有限公司；万能力学性能实验机：CMT6104型，美斯特工业系统（中国）有限公司；注塑机：ZX-80型，震雄集团公司；MFR仪：ZRZ1452型，美斯特工业系统（中国）有限公司；冲击试验机：ZBC1400-B型，美斯特工业系统（中国）有限公司；场发射扫描电子显微镜（SEM）：SU8010型，日立（中国）有限公司；高速混合机：GRH-10D，阜新鑫克机械制造有限公司。

1.3 改性粉体制备

称取5Kg干燥后的硅灰石加入到高速混合机中，先预混合一段时间，温度达到120-130℃后，加入乙醇稀释后的表面改性剂（改性剂的用量为硅灰石质量的1.5%），再搅拌改性20min，搅拌速度1250r/min；改性后经低速搅拌冷却出料。

1.4 改性效果测试

吸油值：按GB/T19281规定方法测试，整个过程要求在5min内完成。

1.5 ABS/硅灰石复合材料的制备

每次试样总量2400g，ABS：2000g，硅灰石：200g，EBS：80g，其它助剂：120g。制备工艺如下：先将原料在高速搅拌机中混合均匀，并挤出造粒，然后注塑成标准样条进行测试。挤出温度为180-200℃，注塑温度为200-220℃，压力50-70MPa，注塑时间20s。

1.6 复合材料性能测试

拉伸性能测试：按GB/T1040-2006测试；弯曲性能测试：按GB/T9341-2008测试；简支梁缺口冲击性能测试：按GB/T1043.1-2008测试，采用2 J的冲锤，跨度 40 mm；MFR测试：按GB/T3682-2000测试，温度为230℃，压力为2.16kg；断裂面形貌：样条经液氮淬断后喷金，采用SEM观察断面形貌并拍照。

2 结果与讨论

2.1 不同改性剂对改性硅灰石吸油值的影响

吸油值是评价粉体表面改性效果的一个重要指标，吸油值越低，表面改性效果越好[8-9]。不同改性剂制备的硅灰石的吸油值结果如图1所示。

从图1的结果可以看出，采用4种不同改性剂对硅灰石进行表面改性后，粉体的吸油值有不同程度的下降；其中，KH-570改性后的硅灰石吸油值最小，达到28，效果最佳；其次是大分子高活性硅烷改性剂JST-3G。KH550和CG-212两种小分子硅烷偶联剂对硅灰石有一定的改性效果。

2.2 改性剂对复合材料力学性能的分析

图2是改性剂种类对ABS/硅灰石复合材料的力学性能的影响。对于拉伸性能来说，纯ABS的拉伸强度为42.9MPa，添加10份硅灰石后，ABS/硅灰石复合材料的下降到39.5MPa。使用各种改性剂对硅灰石进行改性后，ABS/硅灰石复合材料的拉伸强度并没有明显的改善，唯有KH-550略微有所提高。说明，改性剂对ABS/硅灰石复合材料的拉伸性能作用不明显。

对于弯曲性能来说，经改性剂处理后，复合材料的弯曲强度呈现不同规律的变化。KH-570、KH-550和CG-212改性的复合材料具有较好的弯曲强度，其中，KH-550改性效果最佳。同时，还可以看出，JSG-3G改性的硅灰石具有最佳的活化度，高达99.31%，但其改性后的ABS/硅灰石复合材料的弯曲强度还比未改性的ABS/硅灰石复合材料下降了10MPa，效果最差，可见粉体的活化度与复合材料的弯曲性能之间不存在直接联系。

对于冲击性能来说，纯ABS的冲击强度为15.44 MPa，添加10份硅灰石后，ABS/硅灰石复合材料的冲击强度下降为12.55MPa，使用改性剂改性硅灰石后，所得复合材料的冲击强度都有所提高，其中硅烷改性硅灰石具有较好的冲击强度，能在一定程度上改善复合材料的冲击强度。

2.3 改性剂对复合材料热性能的影响endprint

图3是改性剂对ABS/硅灰石复合材料热变形温度的影响。可以看出，纯ABS的维卡软化点为84.3℃，添加10份硅灰石后，ABS/硅灰石复合材料的维卡软化点为88.4℃；对硅灰石进行表面处理后，复合材料的维卡软化点出现不同程度的波动，总体变化不大；其中，硅烷偶联剂KH-550和GR-212的效果较好。

2.4 改性剂对复合材料熔指的影响

图4是改性剂对复合材料的熔融指数。可以看出，纯ABS的熔指为6.65g·10min-1，添加10份的硅灰石后，熔指增加到10.23 g·10min-1，使用硅烷改性剂后，复合材料的熔指进一步提高，其中使用KH-550提高最为明显。原因是添加硅灰石后，复合材料的密度增加，同时，硅烷改性剂处理后，粉体的吸油量下降，润滑性能提高，从而使复合材料的熔指提高。

2.5 复合材料断裂面形貌分析

为了研究硅灰石在ABS中的分散性，采用SEM对液氮脆冷后的冲击断裂面进行观测，结果如图5所示。从图5可以看出，纯ABS的断面有众多的拉丝状，呈现明显的韧性断裂；添加10份的未改性的硅灰石后，ABS/硅灰石复合材料没有拉丝现象出现，颗粒明显分布不均匀，并且结合比紧密，呈现明显的脆性断裂，JST-3G改性后的体系表面光滑，没有任何拉伸迹象，脆性断裂现象明显。KH-570、CG-212和KH-550改性后的体系都呈现了明显的拉丝，颗粒与基材指甲结合较为紧密，可见改性后的颗粒与基材的相容性较好。SEM观测结果与复合材料的冲击性能结果一致。

3 结论

采用硅烷改性剂对硅灰石（GY-319）进行了改性，并用其填充ABS樹脂，结果表明：

（1）经过硅烷改性剂处理后，硅灰石吸油值降低，其中，KH-570改性硅灰石的吸油值下降最为明显。

（2）经过偶联剂处理后，ABS/硅灰石复合材料力学性能都出现不同程度的变化，其中KH-550改性后的ABS/硅灰石复合材料综合力学性能最佳。

（3）经过偶联剂处理后，硅灰石在ABS中的分散性有所提高，冲击性能高于未表面改性的ABS/硅灰石复合材料，冲击断面呈现韧性断裂。

（4）经过偶联剂处理后，ABS/硅灰石复合材料的热变形温度变化不大，但熔指显著提高，其中KH-550改性效果最佳。

参考文献：

[1]刘媛，王卫卫，周琦等.无机填料改性ABS树脂的研究[J].塑料助剂，2008，68（02）：34-38.

[2]余声平，宋海峰，石阳阳等.ABS/改性高岭土复合材料的制备与表征[J].中国塑料，2015，29（11）：55-60.

[3]梁基照.超微细CaCO3填充ABS复合材料的力学性能[J].现代塑料加工应用，2005，17（01）：16-18.

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[5]张凌燕，唐华伟，赖伟强.白云母改性与填充ABS工程塑料的试验研究[J].塑料，2007，36（04）：5-7.

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作者简介：宋世坤（1991-），男，江西永丰人，助理工程师，主要从事非金属粉体填料加工与应用研究。endprint