HGB的分散性对ABS/HGB复合材料流动行为的影响

钟明强

(广汽乘用车有限公司， 广州 511343)

0 前言

聚合物树脂作为复合材料的基体，对复合材料的综合性能具有重大的影响。聚合物树脂和填料具有较强的黏合力,其复合体系具有良好的工艺性能。无机粒子在聚合物基体中的分散情况直接影响到复合体系的加工流变性能及其制品的力学性能，因此,研究无机粒子分散性对复合体系流动行为的影响可以为聚合物复合材料加工提供参考。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)为耐冲击性热塑性树脂，其加工适应性好，具有很好的综合性能，在车辆、家具、建材、电器等各行业都得到了广泛应用。中空玻璃微珠(HGB)具有光滑的球形表面，用作填料时对复合材料的加工性能和制品表面质量的影响较小，并且可以减小制品的内应力[1-2]。用HGB填充聚合物可制备具有较高强度、刚度、冲击韧性和耐热性能的轻质复合材料[3-5]。

许多研究显示以HGB为填料，可以提升聚合物复合体系的冲击强度、拉伸强度、隔声、隔热等性能，同时对于复合体系的流动行为等产生影响[6-11]。研究聚合物复合体系中填充颗粒的分散性对复合体系性能的影响，对材料开发研究具有重要的意义，因此笔者重点分析HGB分散性对ABS/HGB复合体系流动行为的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

ABS，STAVEX ABS SV-0157树脂，密度和熔融流动速率(3.8 kg,230 ℃)分别为1.03 g/cm3和5.7 g/(10 min)，韩国三星公司；

HGB，TK70，MOLUS公司。

1.2 主要设备及仪器

高速混合机，SHR-10A型，中国江苏张家港市亚通机械有限公司；

双螺杆挤出机，SLJK型,筒体直径为35 mm,长径比为28，成都科强高分子工程公司；

塑料切粒机，SLQ100-T型，成都科强高分子工程公司；

干燥箱，DL-204 S型，天津市中环实验电炉有限公司；

电子显微镜(SEM)，S440型, 英国Leica Cambridge公司；

熔体流动速率测定仪，XNR-400A型，承德市考思科学检测有限公司。

1.3 实验方法

采用STAVEX ABS SV-0157树脂作为基体，TK70作为填料，经备料、混合、挤出造粒、干燥后得到ABS/HGB复合体系试样。其中，HGB的体积分数分别为0、5%、10%、15%和20%。

采用熔体流动速率测定仪测试熔体体积流动速率，料筒温度为190～230 ℃。根据壁面剪切应力、表观剪切速率和表观剪切黏度的定义，可得

(1)

(2)

(3)

式中：τw为壁面剪切应力，MPa；γa为剪切速率，s-1；ηa为剪切黏度，Pa·s；F为载荷质量，kg；R为口模半径，mm；Rp为料筒半径，mm；L为口模长度，mm；MVR为熔体体积流动速率，cm3/(10 min)。

为观察HGB在复合体系中的分散性，实验中先对试样喷金后采用SEM对其进行微观形貌观测，放大倍数为500倍。

2 结果与讨论

2.1 HGB在复合体系中分散性的评估

图1为ABS/HGB复合体系中HGB的分散情况。由图1可以看出：随着HGB含量的增加，HGB比较均匀地分散在复合体系中，分布密度随之增大，没有出现团聚现象,并且HGB与ABS基体具有较好的结合界面；经过挤出、注射等工艺，HGB没有出现明显破裂，形态保持完好，这对于复合体系材料性能改变具有较好的效果。

(a) HGB体积分数为10%

图2为ABS/HGB复合体系熔体在200 ℃时的流动曲线。由图2可以看出：熔体的剪切流动服从幂律定律；剪切应力随着HGB体积分数(φf)的增大明显增大，而且复合体系的剪切应力明显大于纯ABS体系的剪切应力。这说明在该实验条件下，HGB对于复合体系流动阻力的增加产生了十分明显的影响。这是因为ABS的分子链结构中含有苯环等结构，其分子链间作用较大，熔体本身黏度大，HGB进一步增大了复合体系的黏度。因此，HGB的加入使得复合体系的熔体流动阻力明显增大。200 ℃时，ABS/HGB复合体系的非牛顿指数(n)见表1。

图2 ABS/HGB复合体系的流动曲线

表1 200 ℃时ABS/HGB复合体系的非牛顿指数

2.2 HGB分散性对复合体系流动性的影响

HGB体积分数对ABS/HGB复合体系熔体剪切黏度的影响见图3。

图3 HGB体积分数对ABS/HGB复合体系熔体剪切黏度的影响

由图3可以看出：ABS/HGB复合体系熔体的剪切黏度随着HGB体积分数的增大而增大，但是增大的幅度逐渐降低。这是由于随着HGB体积分数的增大，ABS复合体系中的HGB数量有了明显增加，但HG分散较好，团聚现象并不严重，从而使得HGB与熔体间的摩擦损耗作用增加，复合体系黏度增加。因此，对于ABS/HGB复合体系熔体来说，随着HGB体积分数的增大，摩擦损耗起到主导作用。由于ABS/HGB复合体系熔体黏度大、流动能力较弱，HGB在熔体中的运动速率也相对较小。当HGB体积分数较小时，HGB与熔体间的摩擦损耗急剧增大，复合体系黏度增加迅速；但随着HGB体积分数进一步增大，其在复合体系中的运动速率降低，使得HGB与熔体间摩擦损耗增加的幅度降低，宏观上表现为ABS/HGB复合体系熔体黏度增大的幅度降低。

图4为ABS/HGB复合体系在熔体测试仪测试载荷质量为10.00 kg下，剪切黏度对温度的依赖性。

图4 ABS/HGB复合体系剪切黏度对温度的依赖性

由图4可以看出：复合体系的lnηa-1/T直线的斜率基本一致，这说明对于不同HGB体积分数的ABS/HG复合体系，其黏流活化能基本相同;在HGB分散性良好、没有明显团聚的情况下，HGB体积分数对复合体系熔体的温敏性影响不大。由图4也可以看出：复合体系的黏流活化能大于纯ABS体系，HGB的加入使得复合体系熔体的剪切黏度温敏性有所提高。这是因为ABS分子链刚性大，内部缠结点多，其活性较弱，随着HGB的加入，HGB与高分子链结点增多；同时，HGB的加入也使得复合体系隔热能力提升[5]，最终使得复合体系熔体黏流活化能明显增大。

3 结语

从试样的微观形貌图可以看出HGB与ABS基体具有较好的结合界面，并且HGB比较均匀地分散于基体之中，没有出现明显的团聚现象。

随着HGB体积分数增大，HGB在ABS基体中的分布密度增大，使得摩擦损耗作用增大，复合体系黏度也随之增大。

ABS/HGB流动曲线线性良好，说明熔体的黏度变化平稳，也表明HGB分散均匀，团聚现象不严重。

随着HGB的加入，提高了熔体的温敏性，即黏流活化能增大；但是HGB的体积分数增大对其黏流活化能影响不大。