色母粒中的碳酸鈣含量對ABS制品的影響

許金可，應(yīng)任鋒(寧波水表(集團(tuán))股份有限公司，浙江 寧波 315032)

0 引言

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)是一種性能優(yōu)異的工程塑料，由于其具有良好的力學(xué)性能，耐化學(xué)腐蝕性和耐低溫性等多種優(yōu)點(diǎn)，所以ABS被廣泛應(yīng)用于汽車零部件、電子設(shè)備的外殼和建筑材料等多種領(lǐng)域[1-3]。在ABS制品的生產(chǎn)中，需要針對不同的使用需求進(jìn)行顏色的調(diào)節(jié)，為了提高顏色的穩(wěn)定性和分散性，在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用色母粒來進(jìn)行著色。色母粒是一種承載一定顏料的半成品樹脂，由顏料、分散劑、載體等物質(zhì)組成，其中載體和顏料直接影響著色母粒的價格和性能[4]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，ABS加入市售色母粒共混后制成的零件，容易在運(yùn)輸途中碰撞開裂，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。經(jīng)過排查生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，部分色母粒的制造廠商為了降低成本，會在生產(chǎn)色母粒過程中會采用大量的不經(jīng)過表面處理的碳酸鈣來替代載體和顏料部分，這些色母粒與ABS共混之后制備的產(chǎn)品力學(xué)性能較差，受到外力沖擊時，容易破壞基體強(qiáng)度。

為了探究色母粒中的碳酸鈣對ABS制品的具體影響，為提升產(chǎn)品質(zhì)量提供參考依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)采用四種不同碳酸鈣含量的色母粒與ABS進(jìn)行共混制備樣條，并測試樣條的力學(xué)性能和色彩性能的影響，觀察斷裂截面分析碳酸鈣含量對ABS制品力學(xué)性能的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和配方

ABS：757型，臺灣奇美公司；黑色色母粒：寧波市某色母公司；碳酸鈣：200目，常州市禹恩新材料科技有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

掃描電子顯微鏡：TM3000, Hitachi High-Technologies；沖擊試驗(yàn)機(jī)：GT-7045-HML，高鐵檢測儀器有限公司；拉伸試驗(yàn)機(jī)：AGS-J，島津(香港)有限公司；注塑機(jī)：SS380-Ⅲ,寧波雙盛塑料機(jī)械廠；NH310型色差計(jì)，深圳三恩馳有限公司；(邵D)塑料硬度計(jì)：LX-D，樂清市艾德堡儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)需求，以25∶1的比例稱量好ABS樹脂和色母粒共四份，其中色母粒有四種，分別含有碳酸鈣0%，30%，50%，70%。稱量完成后將ABS樹脂和色母粒攪拌均勻，并在80 ℃烘箱中進(jìn)行3 h干燥處理。干燥完成后，通過注塑機(jī)，用相同的工藝參數(shù)注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條，對標(biāo)準(zhǔn)樣條進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能測試，并且每種類型樣條數(shù)量不小于5根，最終數(shù)據(jù)取平均值。力學(xué)性能測試完成后，對樣條斷面進(jìn)行液氮脆斷制樣，利用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察。試驗(yàn)過程流程圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)過程流程圖

1.4 性能測試

萬能試驗(yàn)機(jī)(AGS-J，島津)測試樣條的力學(xué)性能，樣條尺寸150×20×4 mm。測試方法按照ISO-527，標(biāo)距75 mm，拉伸速率50 mm/min，單個配方的樣條數(shù)量不小于5根，最終數(shù)據(jù)取平均值。

沖擊試驗(yàn)機(jī)(GT-7045-HML，高鐵檢測儀器有限公司)測試樣條的沖擊性能，樣條尺寸80×10×4 mm帶缺口，進(jìn)行懸臂梁缺口沖擊試驗(yàn)，單個配方的樣條數(shù)量不小于5根，最終數(shù)據(jù)取平均值。

掃描電子顯微鏡(SEM, TM3000, Hitachi High-Technologies)用于表征沖擊樣條斷截面的形貌圖，測試前對斷面處進(jìn)行噴金處理，電子強(qiáng)度為5 kV。

塑料硬度計(jì)(LX-D，樂清市艾德堡儀器有限公司)用于測量ABS/碳酸鈣復(fù)合材料的硬度，測試按照GB/T-2411進(jìn)行測試，單個配方的樣品數(shù)量不小于5根，最終數(shù)據(jù)取平均值。

色差計(jì)(NH310，深圳三恩馳有限公司)測量不同碳酸鈣含量的樣品的顏色區(qū)別。測色波長為全波長，測定角度為平行于樣品表面。每個樣品取至少五個點(diǎn)，取平均值。其中色差的計(jì)算公式根據(jù)CIE(L*a*b*)色空間色差公式(1)計(jì)算[5]：

2 結(jié)果與討論

2.1 含不同碳酸鈣的色母粒對ABS拉伸強(qiáng)度的影響

圖2為不同碳酸鈣含量的色母粒與ABS共混后制備的樣條的拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果。從圖2可見，隨著色母粒中碳酸鈣含量的增加，樣條的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)碳酸鈣含量為0%時，拉伸強(qiáng)度在50.3 MPa，

圖2 加入不同碳酸鈣含量的色母粒樣條的拉伸強(qiáng)度變化

隨著碳酸鈣含量增大，30%時為49.14 MPa，50%時為49.99 MPa，70%時為49.14 MPa，但是所有含有不同碳酸鈣濃度的樣條的拉伸強(qiáng)度均低于50 MPa，都在49 MPa附近，這說明色母粒中的碳酸鈣對基體沒有起到增強(qiáng)作用，略微降低了基體的強(qiáng)度。這是因?yàn)樘妓徕}通過色母粒混入到基體中，在實(shí)際在基體中的含量占比較少，起不到增強(qiáng)的效果。另一方面碳酸鈣粒徑較大，表面沒有經(jīng)過有效的處理，在基體中只是單純的物理混合，起不到很好的增強(qiáng)作用。并且，過多的碳酸鈣粒子的加入，使得碳酸鈣與基體之間存在一定數(shù)量的相界面，這些相界面在拉伸時導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降。

另外，利用SEM來對混入50%碳酸鈣含量的色母樣條的拉伸斷面來進(jìn)行觀察研究。從圖3可見，拉伸斷面中分散著大量不規(guī)則形狀的碳酸鈣，對局部輪廓清晰的碳酸鈣顆粒放大觀察，可以從圖中看到，碳酸鈣與ABS基體之間存在著間隙，說明ABS基體和碳酸鈣相容性差，在未作表面處理的碳酸鈣與ABS只存在物理混合作用，表面結(jié)合不緊密，在受到軸向的拉伸力時，碳酸鈣顆粒之間彼此沒有增強(qiáng)關(guān)系，對ABS基體增強(qiáng)程度有限，并且隨著基體軸向拉伸，碳酸鈣的存在，還會破壞基體強(qiáng)度。

圖3 含50%碳酸鈣含量的色母粒樣條的拉伸斷面

2.2 不同碳酸鈣含量的色母粒對ABS沖擊強(qiáng)度的影響

圖4為不同色母粒共混樣條的沖擊數(shù)據(jù)，可見，各組別沖擊強(qiáng)度差別較大，隨著色母粒中碳酸鈣含量增加，樣條的沖擊強(qiáng)度迅速下降。在碳酸鈣含量為0%時，ABS樣條表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能，沖擊強(qiáng)度為13 407 J/m2；隨著碳酸鈣含量增加到30%時，其沖擊強(qiáng)度下降到7 810 J/m2，說明碳酸鈣含量的增加破壞了ABS樣條的內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)，在收到外力沖擊時，更加容易斷裂；隨著碳酸鈣含量繼續(xù)增加到50%，樣條的沖擊強(qiáng)度進(jìn)一步下降到6 500 J/m2，下降幅度減??；當(dāng)碳酸鈣含量增加到70%，樣條沖擊強(qiáng)度下降到5 920 J/m2。

圖4 加入不同色母粒樣條的沖擊強(qiáng)度變化

為了探究色母粒在基體中的作用機(jī)理，通過SEM來對樣條的沖擊斷面來進(jìn)行觀察研究。從圖5可見，當(dāng)碳酸鈣含量為0%時，沖擊斷面呈現(xiàn)韌性條紋，符合具有高韌性材料的典型特征。隨著碳酸鈣含量增加到30%，可以在基體中觀察到碳酸鈣的存在，碳酸鈣顆粒不規(guī)則的分布在基體中且顆粒的大小也不均勻。有些顆粒表面存在棱角，容易導(dǎo)致樣品在受到?jīng)_擊時應(yīng)力集中在這些剛性粒子的棱角處，降低基體韌性[6]，雖然在斷面中仍然可以觀察到韌性條紋的存在，但是數(shù)量較0%含量的樣品減少。隨著碳酸鈣含量進(jìn)一步增加到50%，可以觀察到單位面積上的碳酸鈣顆粒增多，韌性條紋減少。當(dāng)碳酸鈣含量增加到70%時，斷面上的碳酸鈣顆粒粒徑大小不均勻，且分布較沒規(guī)律性，并且可以觀察到部分碳酸鈣顆粒與周圍基體存在空隙。這是由于在共混過程中，碳酸鈣沒有經(jīng)過表面處理，與ABS的相容性較差，導(dǎo)致與周圍基體存在許多相界面，在受沖擊時破壞基體強(qiáng)度。一般來說，無機(jī)粒子的加入會對基體的結(jié)晶過程有誘導(dǎo)作用，在異相成核作用的引導(dǎo)下，使得基體的結(jié)晶度變高，從而有效改進(jìn)基體的力學(xué)性能。但是，從目前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可見，ABS/碳酸鈣復(fù)合材料的沖擊性能隨著色母粒種的碳酸鈣含量增加而下降。這是因?yàn)椋m然部分粒徑小，比表面積大的碳酸鈣促進(jìn)了基體的結(jié)晶過程，在部分區(qū)域增加了基體的結(jié)晶度。但在受到外力沖擊時，基體增加的結(jié)晶區(qū)域太小，不足以抵抗碳酸鈣不規(guī)則棱角產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致ABS/碳酸鈣復(fù)合材料隨著碳酸鈣含量升高，沖擊強(qiáng)度減小。

圖5 加入不同色母粒的沖擊樣條斷面圖

2.3 不同碳酸鈣含量的對ABS硬度的影響

在圖6中可見，ABS/碳酸鈣復(fù)合材料的硬度隨著碳酸鈣含量的增加，總體是變大的狀態(tài)。當(dāng)色母粒中碳酸鈣含量等于0%時，復(fù)合材料的硬度為70，當(dāng)色母粒中碳酸鈣含量增加到50%時，復(fù)合材料硬度增加到71，當(dāng)色母粒中碳酸鈣含量增加到70%時，復(fù)合材料硬度增加到72。這說明碳酸鈣加入到ABS當(dāng)中，使得復(fù)合材料的硬度提高，一方面，碳酸鈣本身的硬度比ABS大，隨著含量增加，使得硬度提高；另一方面碳酸鈣誘導(dǎo)了部分基體的結(jié)晶過程，使得復(fù)合材料的結(jié)晶度提高，硬度增加。

圖6 碳酸鈣的含量對ABS硬度(邵D)的影響

2.4 不同碳酸鈣含量的色母粒對ABS產(chǎn)品色彩性能的影響

在實(shí)際的使用過程中必須考慮到在黑色的色母粒中加入白色的碳酸鈣是否會影響產(chǎn)品的顏色。所以為了研究色母粒中的碳酸鈣對顏色的影響，采用色差儀來進(jìn)行分析。一般來說，一個物體表面的顏色可以由色相、明度、飽和度來進(jìn)行定義，對產(chǎn)品進(jìn)行L*、a*、b*指數(shù)分析可以鑒別產(chǎn)品之間是否存在色差。

表1為含有不同色母粒的樣板的色彩量化數(shù)據(jù)，通過各項(xiàng)數(shù)值的差別來反映產(chǎn)品的色差變化。明度值L*值越大，說明樣品的亮度越高，反之，則說明樣品的亮度越低，越暗。從表中可以看到，樣品的L*隨著色母中碳酸鈣含量增加逐漸增高，但是總體上數(shù)值的變化差距小，說明在該含量范圍下的碳酸鈣對產(chǎn)品的明度影響不大。

a*的值表示是樣品的紅綠程度，正值說明樣品偏紅，負(fù)值說明樣品偏綠。b*的值表示的是樣品的黃藍(lán)程度，正值說明樣品偏黃，負(fù)值說明樣品偏藍(lán)。由表1數(shù)據(jù)可知，所有樣品的顏色偏向一致，且a*和b*值每組之間雖存在波動，但是差距不明顯，說明在該含量范圍的碳酸鈣對產(chǎn)品的色品指數(shù)影響不大。

表1 不同色母粒樣板的L*、a*、b*值

△E是評價色彩變化的一個參數(shù)，一般來說，兩個顏色的△E值越大，則說明兩者存在的色差就越大。當(dāng)△E小于3時，認(rèn)為兩者顏色相近，用肉眼分辨不出[7]。由表1可以看到，隨著色母粒中的碳酸鈣含量增加，△E值逐漸變大，但是仍小于3，說明在該含量范圍下的碳酸鈣對產(chǎn)品顏色造成了一定的影響，但是△E仍然小于3，可以認(rèn)為產(chǎn)品顏色不存在明顯色差。

3 結(jié)論

通過分析不同碳酸鈣含量的色母粒對ABS力學(xué)性能和色彩性能的影響，結(jié)果表明：

(1)在該含量范圍下，色母粒中的碳酸鈣對產(chǎn)品的拉伸性能影響不大，但是會大大降低產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度，這是因?yàn)榛烊氲奶妓徕}顆粒相容性不好，且表面有棱角，在受到外力沖擊時易破壞基體強(qiáng)度，降低沖擊性能。

(2)在該含量范圍下，色母粒中的碳酸鈣對產(chǎn)品的色彩性能影響不大，用肉眼觀察不會出現(xiàn)明顯色差。但是，由于用肉眼無法分辨，所以在質(zhì)量管理過程中，便不可以通過觀察制品的顏色來分辨產(chǎn)品是否添加了含有碳酸鈣的色母粒。

(3)建議在今后的有色ABS制品的質(zhì)量管理當(dāng)中，也需關(guān)注色母粒中無關(guān)填料的含量，可通過對產(chǎn)品進(jìn)行灰分測試或硬度測試來進(jìn)行檢驗(yàn)，若產(chǎn)品添加了含有碳酸鈣的色母粒會導(dǎo)致產(chǎn)品灰分含量增加或硬度變高。需警惕色母粒中碳酸鈣對產(chǎn)品的危害，因?yàn)檫@些碳酸鈣等無機(jī)填料因色母調(diào)色混入制品當(dāng)中，對制品的各項(xiàng)性能不僅起不到任何改善作用，反而只會起到負(fù)面的作用。所以，不可過分追求降低成本而破壞產(chǎn)品穩(wěn)定性。