硅烷改性劑對硅灰石填充ABS復(fù)合材料的性能影響

宋世坤+彭鶴松+李永安

摘 要：采用硅烷改性劑對硅灰石（GY-319）進(jìn)行表面改性，與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）熔融混合制備ABS/硅灰石復(fù)合材料，研究了改性劑對硅灰石吸油值的影響，分析了ABS/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能和熔融指數(shù)（MFR）的變化規(guī)律，并用SEM觀測了硅灰石在ABS中的分散性。結(jié)果表明：經(jīng)改性劑處理后，硅灰石吸油值降低；ABS/硅灰石復(fù)合材料綜合力學(xué)性能改善，加工流動(dòng)性明顯增加，其中，KH-550改性的體系效果最佳；硅灰石在ABS中的分散性提高。

關(guān)鍵詞：硅烷改性劑劑；硅灰石；ABS；力學(xué)性能

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

0 引言

ABS樹脂綜合性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛，但其價(jià)格較高。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需求，常對ABS樹脂進(jìn)行各種改性，使其達(dá)到實(shí)際使用要求[1-2]。無機(jī)非金屬填料能起到增量降成本的作用，對粉體進(jìn)行表面改性后，廣泛應(yīng)用于ABS樹脂[3-5]。因此，ABS的填充改性也是重要的改性方向之一。

硅灰石具有針狀結(jié)構(gòu)，長徑比大，無毒、耐化學(xué)腐蝕、熱穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定良好，有玻璃和珍珠光澤，低吸水率和吸油值，力學(xué)性能及電性能優(yōu)良以及具有一定補(bǔ)強(qiáng)作用[6-7]。本文在原來研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步比較各種表面改性劑對硅灰石的改性效果，詳細(xì)分析了ABS/硅灰石復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和MFR，并采用SEM測試了ABS/硅灰石復(fù)合材料的沖擊斷裂面形貌。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

ABS，PA-757，奇美寶業(yè)股份有限公司；硅灰石，GY-319，江西廣源化工有限責(zé)任公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH550、KH570、CG212，市售；大分子高活性硅烷，JST-3G，市售；N，N-亞乙基雙硬脂酸酰胺（EBS），市售。

1.2 儀器設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)組：SHJ-36型，L/D=50，D=35.5mm，南京杰恩特機(jī)電有限公司；萬能力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)機(jī)：CMT6104型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；注塑機(jī)：ZX-80型，震雄集團(tuán)公司；MFR儀：ZRZ1452型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)：ZBC1400-B型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）：SU8010型，日立（中國）有限公司；高速混合機(jī)：GRH-10D，阜新鑫克機(jī)械制造有限公司。

1.3 改性粉體制備

稱取5Kg干燥后的硅灰石加入到高速混合機(jī)中，先預(yù)混合一段時(shí)間，溫度達(dá)到120-130℃后，加入乙醇稀釋后的表面改性劑（改性劑的用量為硅灰石質(zhì)量的1.5%），再攪拌改性20min，攪拌速度1250r/min；改性后經(jīng)低速攪拌冷卻出料。

1.4 改性效果測試

吸油值：按GB/T19281規(guī)定方法測試，整個(gè)過程要求在5min內(nèi)完成。

1.5 ABS/硅灰石復(fù)合材料的制備

每次試樣總量2400g，ABS：2000g，硅灰石：200g，EBS：80g，其它助劑：120g。制備工藝如下：先將原料在高速攪拌機(jī)中混合均勻，并擠出造粒，然后注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條進(jìn)行測試。擠出溫度為180-200℃，注塑溫度為200-220℃，壓力50-70MPa，注塑時(shí)間20s。

1.6 復(fù)合材料性能測試

拉伸性能測試：按GB/T1040-2006測試；彎曲性能測試：按GB/T9341-2008測試；簡支梁缺口沖擊性能測試：按GB/T1043.1-2008測試，采用2 J的沖錘，跨度 40 mm；MFR測試：按GB/T3682-2000測試，溫度為230℃，壓力為2.16kg；斷裂面形貌：樣條經(jīng)液氮淬斷后噴金，采用SEM觀察斷面形貌并拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同改性劑對改性硅灰石吸油值的影響

吸油值是評價(jià)粉體表面改性效果的一個(gè)重要指標(biāo)，吸油值越低，表面改性效果越好[8-9]。不同改性劑制備的硅灰石的吸油值結(jié)果如圖1所示。

從圖1的結(jié)果可以看出，采用4種不同改性劑對硅灰石進(jìn)行表面改性后，粉體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，達(dá)到28，效果最佳；其次是大分子高活性硅烷改性劑JST-3G。KH550和CG-212兩種小分子硅烷偶聯(lián)劑對硅灰石有一定的改性效果。

2.2 改性劑對復(fù)合材料力學(xué)性能的分析

圖2是改性劑種類對ABS/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。對于拉伸性能來說，純ABS的拉伸強(qiáng)度為42.9MPa，添加10份硅灰石后，ABS/硅灰石復(fù)合材料的下降到39.5MPa。使用各種改性劑對硅灰石進(jìn)行改性后，ABS/硅灰石復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度并沒有明顯的改善，唯有KH-550略微有所提高。說明，改性劑對ABS/硅灰石復(fù)合材料的拉伸性能作用不明顯。

對于彎曲性能來說，經(jīng)改性劑處理后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)不同規(guī)律的變化。KH-570、KH-550和CG-212改性的復(fù)合材料具有較好的彎曲強(qiáng)度，其中，KH-550改性效果最佳。同時(shí)，還可以看出，JSG-3G改性的硅灰石具有最佳的活化度，高達(dá)99.31%，但其改性后的ABS/硅灰石復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度還比未改性的ABS/硅灰石復(fù)合材料下降了10MPa，效果最差，可見粉體的活化度與復(fù)合材料的彎曲性能之間不存在直接聯(lián)系。

對于沖擊性能來說，純ABS的沖擊強(qiáng)度為15.44 MPa，添加10份硅灰石后，ABS/硅灰石復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度下降為12.55MPa，使用改性劑改性硅灰石后，所得復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度都有所提高，其中硅烷改性硅灰石具有較好的沖擊強(qiáng)度，能在一定程度上改善復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。

2.3 改性劑對復(fù)合材料熱性能的影響endprint

圖3是改性劑對ABS/硅灰石復(fù)合材料熱變形溫度的影響?？梢钥闯?，純ABS的維卡軟化點(diǎn)為84.3℃，添加10份硅灰石后，ABS/硅灰石復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)為88.4℃；對硅灰石進(jìn)行表面處理后，復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，總體變化不大；其中，硅烷偶聯(lián)劑KH-550和GR-212的效果較好。

2.4 改性劑對復(fù)合材料熔指的影響

圖4是改性劑對復(fù)合材料的熔融指數(shù)。可以看出，純ABS的熔指為6.65g·10min-1，添加10份的硅灰石后，熔指增加到10.23 g·10min-1，使用硅烷改性劑后，復(fù)合材料的熔指進(jìn)一步提高，其中使用KH-550提高最為明顯。原因是添加硅灰石后，復(fù)合材料的密度增加，同時(shí)，硅烷改性劑處理后，粉體的吸油量下降，潤滑性能提高，從而使復(fù)合材料的熔指提高。

2.5 復(fù)合材料斷裂面形貌分析

為了研究硅灰石在ABS中的分散性，采用SEM對液氮脆冷后的沖擊斷裂面進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，純ABS的斷面有眾多的拉絲狀，呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂；添加10份的未改性的硅灰石后，ABS/硅灰石復(fù)合材料沒有拉絲現(xiàn)象出現(xiàn)，顆粒明顯分布不均勻，并且結(jié)合比緊密，呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂，JST-3G改性后的體系表面光滑，沒有任何拉伸跡象，脆性斷裂現(xiàn)象明顯。KH-570、CG-212和KH-550改性后的體系都呈現(xiàn)了明顯的拉絲，顆粒與基材指甲結(jié)合較為緊密，可見改性后的顆粒與基材的相容性較好。SEM觀測結(jié)果與復(fù)合材料的沖擊性能結(jié)果一致。

3 結(jié)論

采用硅烷改性劑對硅灰石（GY-319）進(jìn)行了改性，并用其填充ABS樹脂，結(jié)果表明：

（1）經(jīng)過硅烷改性劑處理后，硅灰石吸油值降低，其中，KH-570改性硅灰石的吸油值下降最為明顯。

（2）經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后，ABS/硅灰石復(fù)合材料力學(xué)性能都出現(xiàn)不同程度的變化，其中KH-550改性后的ABS/硅灰石復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最佳。

（3）經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后，硅灰石在ABS中的分散性有所提高，沖擊性能高于未表面改性的ABS/硅灰石復(fù)合材料，沖擊斷面呈現(xiàn)韌性斷裂。

（4）經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后，ABS/硅灰石復(fù)合材料的熱變形溫度變化不大，但熔指顯著提高，其中KH-550改性效果最佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉媛，王衛(wèi)衛(wèi)，周琦等.無機(jī)填料改性ABS樹脂的研究[J].塑料助劑，2008，68（02）：34-38.

[2]余聲平，宋海峰，石陽陽等.ABS/改性高嶺土復(fù)合材料的制備與表征[J].中國塑料，2015，29（11）：55-60.

[3]梁基照.超微細(xì)CaCO3填充ABS復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2005，17（01）：16-18.

[4]張凌燕，賴偉強(qiáng)，唐華偉等.硅灰石改性及填充工程塑料ABS的研究[J].非金屬礦，2007，30（03）：23-25.

[5]張凌燕，唐華偉，賴偉強(qiáng).白云母改性與填充ABS工程塑料的試驗(yàn)研究[J].塑料，2007，36（04）：5-7.

[6]丁茜，章自壽，羅建新等.硅灰石填充β-聚丙烯基復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2016，33（09）：2061-2066.

[7]陳科.硅灰石粉填充改性聚丙烯復(fù)合材料性能研究[J].塑料科技，2016，44（02）：34-36.

[8]顧善發(fā).硅灰石表面有機(jī)改性及對顆粒分散性的影響[J].中國粉體技術(shù)，2017，23（01）：14-18.

[9]王鑒，馬震，孟慶明.硅灰石表面改性研究及應(yīng)用[J].當(dāng)代化工， 2016，45（10）：2296-2298.

作者簡介：宋世坤（1991-），男，江西永豐人，助理工程師，主要從事非金屬粉體填料加工與應(yīng)用研究。endprint