论文部分内容阅读
ABS作为通用合成树脂之一,被广泛应用于汽车与家电等行业。随着市场对产品性能多元化要求的不断提高,尤其是在家电领域,要求塑料产品表面具有高光泽,高耐磨以及高冲击性,而传统的高光表面,需要对塑料产品进行二次加工,通过喷涂打磨等工艺方法来实现,不仅产生人力与资源的浪费,而且对环境造成污染。因此,开发能够满足产品多样化需求的聚合物材料,为绿色生产提供绿色材料,成为研究的热点。而研发一种新型的聚合物材料,不仅耗时耗力,而且开发难度相当大。对ABS进行共混改性,可以快速简捷地获得优良性能的高分子聚合物材料。ABS/PMMA共混体系(或共混合金)在家电行业,尤其是壳体产品应用中体现出优良的综合性能,为开发高光绿色树脂材料提供了一个新的途径。但随着PMMA含量的增加,共混合金光泽度提高的同时韧性下降,限制了共混合金在某些领域的应用。聚合物作为结构材料,强度和韧性是两个重要的力学性能,对聚合物增韧改性一直是高分子材料科学研究的重要课题。目前国内外对ABS/PMMA共混合金的研究比较少,尤其是在增韧改性方面还不理想,因此对ABS/PMMA共混合金开展增韧改性的研究,掌握不同因素对合金韧性以及光泽度的影响规律,对于设计高光泽、高韧性的ABS/PMMA共混合金具有重要的理论意义与工程应用价值。本文依托国家科技支撑计划项目(2011BAF16B01)“先进注塑成型工艺与新型模具结构开发及应用推广”以及威海市科技发展计划项目(2015GGX030)"高光ABS树脂合金的制备与性能改进”,针对ABS/PMMA共混体系光泽度提升而韧性下降这一特点,对合金增韧改性开展了相应的研究,得到如下研究成果：(1)基于曲面响应法分析了共混工艺参数以及弹性体增韧剂EMA对ABS/PMMA共混合金韧性以及光泽度的影响规律,结果显示EMA的含量相对其他参数对合金冲击强度与表面光泽度的影响最为显著。随EMA含量的增加,冲击强度随之增大,而表面光泽度却不断下降。以合金的冲击强度与表面光泽度为优化目标,针对共混参数进行了优化。基于优化的共混参数下,研究了不同共混顺序对ABS/PMMA/EMA合金韧性与光泽度的影响规律。结果显示,共混顺序会影响合金的玻璃化转变温度和不同相之间的相容性。当ABS、PMMA、EMA同时进行共混时,其拉伸强度最大,原因主要是此时合金的相容性较好,相界面结合力较强,橡胶颗粒可以有效地传递轴向拉伸力；对于冲击韧性,在无缺口冲击实验下,ABS、PMMA、EMA同时进行共混的合金冲击强度最大,其断裂表面出现很多应力集中点,并伴随基体的剪切屈服；而在Ⅴ型缺口冲击实验中,当PMMA与EMA先共混,再加入ABS的情况下,其合金的冲击强度最大。共混顺序对合金的表面光泽度也产生了影响,当PMMA与EMA先共混,再加入ABS时,得到的合金光泽度最高。其原因主要是在上述共混顺序中,PMMA与EMA颗粒都经过两次挤出,颗粒粒径变小,分布更均匀,相间相容性也更好。(2)通过调整螺杆转速改变橡胶颗粒的尺寸,研究了橡胶粒径变化对ABS/PMMA的影响,选取核壳改性剂MBS为增韧剂,研究橡胶粒径对ABS/PMMA/MBS共混合金性能的影响。结果显示,当橡胶颗粒直径Dw为0.22μm时,可以有效地引发ABS/PMMA共混体系基体的屈服与多重银纹,但随着橡胶颗粒逐渐增大,大橡胶颗粒引起了不稳定的银纹,继而扩展为裂纹。添加MBS增韧剂后,ABS/PMMA/MBS共混体系的橡胶颗粒尺寸变小,橡胶颗粒直径分布域也变窄(范围0.21-0.23μm),但合金的冲击强度增加,SEM观察其断裂表面分布的应力集中点更多,而且伴随更多的基体屈服变形,显示出MBS对ABS/PMMA共混体系的增韧效果。随着橡胶颗粒的减小,ABS/PMMA共混体系的光泽度得到提高,但当橡胶颗粒Dw小于0.2μm时,光泽度出现下降趋势；对于ABS/PMMA/MBS共混体系,整体光泽度出现下降,其原因是由于MBS中含有橡胶颗粒,更多的橡胶颗粒难以与基体折光指数匹配,因此共混合金的光泽度降低。(3)研究了nano-SiO2对ABS/PMMA共混合金力学性能与光泽度的影响。分析了nano-SiO2在ABS/PMMA共混体系中的相分布,以及nano-SiO2含量对不同配比ABS/PMMA合金力学性能的影响。通过计算nano-SiO2与两种配比基体材料的界面相互作用参数,发现nano-SiO2填充粒子与基体的界面黏结强度越大时,合金的拉伸强度越强。同时发现两种配比合金的冲击强度随nano-SiO2含量的增加都出现下降的趋势。通过添加硬脂酸和偶联剂两种不同类型的改性剂,研究了nano-SiO2与ABS/PMMA界面的结合状态,结果显示,添加硬脂酸改性后nano-SiO2的共混合金,两种配比共混合金的拉伸强度都出现下降趋势,由于硬脂酸的加入,提高了nano-SiO2的分散性,降低了nano-SiO2颗粒的团聚使得合金的冲击强度升高,对于ABS/PMMA (80/20)而言,改性后冲击强度最大值比改性前延后出现。偶联剂KH570增加了nano-SiO2的团聚现象,导致共混合金的拉伸强度出现下降趋势,但其冲击强度升高。nano-SiO2的加入降低了共混合金的表面光泽度,用硬脂酸和偶联剂改性后,共混合金表面光泽度下降更为明显。(4)基于均匀化理论和Surface-based cohesive方法,采用有限元软件Abaqus/Explicit对ABS/PMMA共混合金在单向拉伸加载条件下的断裂行为进行了数值模拟,分析了nano-SiO2对共混合金宏观力学行为、损伤演化、弹性模量及强度变化的影响。添加nano-SiO2前,共混合金的损伤最先发生于橡胶颗粒与基体材料界面结合处。橡胶颗粒在轴向拉伸过程中起到应力集中点作用,最大应力区产生于橡胶颗粒内部,并沿赤道逐渐扩展,沿轴向分布的相邻橡胶颗粒由于应力场叠加作用,导致相邻橡胶颗粒发生形变。添加nano-SiO2后,共混合金的应力、应变、以及损伤的演化发生较大改变。在相同粘结界面设计条件下,nano-SiO2颗粒先于橡胶颗粒与基体发生脱离,出现损伤。因此nano-SiO2颗粒在增加共混合金刚度的同时,降低了合金的强度以及韧性。通过细观模拟,可以较直观地展示ABS/PMMA与ABS/PMMA/nano-SiO2共混合金中橡胶颗粒与nano-SiO2颗粒对合金材料弹塑性力学行为、失效过程等的影响,为后续课题的模拟研究开拓了思路,具有一定的理论指导意义。