ABS/粉末添加剂体系界面相容性的定量研究

摘要

ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)树脂是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯构成的三元共聚物，由于其具有优良的抗冲击强度、良好的加工性能和化学稳定性、易于模塑成型和制品富有光泽等优点而被广泛应用于汽车、电子电器、轻工、纺织和建筑等行业。
　　在实际生产中，为改善成型加工或赋予ABS某种性能，通常采用添加助剂的方式将相应的添加剂加入到ABS树脂基体中，常用的添加剂包括稳定剂、抗氧剂、抗静电剂、着色剂、填充剂和阻燃剂等等，这些添加剂大多以粉末的形式加入到基体树脂中。阻燃剂是其中最重要的粉末添加剂之一，这是因为ABS树脂属于易燃材料，氧指数仅为18.8-20.2％。另外，由于ABS树脂价格比较高，为降低成本，通常会加入一些填充剂，纤维素材料（如木粉）因其价廉、易得已受到越来越多的关注和应用。相较于其他添加剂，阻燃剂和填充剂的添加量通常要大很多，可达到百分之十几甚至几十，这不可避免会影响ABS/添加剂体系的力学性能，尤其是使制品的抗冲击性能大幅度下降，这在一定程度上限制了ABS树脂的应用。对于含有粉末型添加剂的高分子复合材料而言，粉末颗粒与基体树脂之间的界面相容性好坏是影响其力学性能的关键。而目前还没有关于定量研究ABS/粉末添加剂体系界面相容性与力学性能关系的研究报道。
　　本论文采用两种较新的界面相容性研究方法:Hansen溶解度参数法(HSP)和表面张力组成/界面张力法(STC-IT)，对ABS与阻燃剂(FR-245(2，4，6-tris(2，4，6-tribromophenoxy)-1,3,5 triazine)、 DBDPO(decabromodiphenyl oxide)、 CFA（charringefoaming agent））和多种木粉等粉末添加剂之间的相容性及与其制备的共混材料力学性能之间的关系进行了定量的研究。在此基础上，还对多种高分子材料的溶解度参数和表面张力的关系进行了理论分析，具体在以下四个方面开展了研究工作并取得了一些创新性研究成果。
　　(1)采用Hansen溶解度参数法测定了ABS树脂和三种阻燃剂的Hansen溶解度参数;测定了ABS/阻燃剂共混物的力学性能并分析了两者之问的关系。研究发现:ABS树脂和SAN(Styrene-Acrylonitrile)树脂的Hansen溶解度参数仅由聚苯乙烯(PS)的Hansen溶解度参数决定，与聚丙烯腈(PAN)和聚丁二烯(PB)的Hansen溶解度参数之间没有明显关系。这意味着强极性成分在溶解度参数方法中的“不可见性”。实验还发现:当填充的三种阻燃剂颗粒在共混物截面的表面积相等时，ABS/阻燃剂共混物的冲击强度随着Hansen溶解度参数半径的增加而线性降低，其线性相关系数为0.9583。这意味着对于不同的ABS/阻燃剂体系，ABS和阻燃剂间的Hansen溶解度参数半径决定了其共混物的冲击强度。
　　(2)为了更加准确的测定接触角，制造了具有加速进样功能的动态接触角测定装置;利用该装置和表面张力组成方法(STC)测定了ABS体系的表面张力组成。论文还首次采用反相气相色谱(IGC)和接触角(CA)组合技术测定了粉末阻燃剂FR-245、CFA和DBDPO的表面张力组成;定量研究了界面张力(IT)与ABS/阻燃剂共混材料力学性能间的关系。研究发现:对于表面张力的色散部分，ABS和SAN树脂都大于它们对应的均聚物组分PAN、PB和PS。而对于酸碱部分，SAN和ABS的表面张力实验值与用构成它们的均聚物组分的实验值之间，存在着摩尔比例线性对应关系。也就是共聚物的表面酸碱参数可以由组成它们的均聚物的酸碱参数通过摩尔线性加和法计算出来。实验还发现:当ABS/阻燃剂共混物中阻燃剂颗粒在截面上的表面积相等时，共混物的冲击强度随着界面张力的增加而线性下降，其线性相关性达到了0.9969。这说明对于不同的ABS/阻燃剂体系，在共混物截面上，当填充的阻燃剂与基体相间界面面积相等时，冲击强度取决于ABS-阻燃剂之间的界面张力。对比两种方法，我们认为对于选定的几种ABS/阻燃体系而言，表面张力组成方法在定量解释界面相容性与冲击性能关系方面要优于溶解度参数方法。
　　(3)采用反相气相色谱技术(IGC)测定了樟木粉、杨木粉和桉木粉的色散表面张力，并研究了ABS-木粉填充剂体系的界面相容性对其共混物力学性能的影响。研究发现:樟木粉、杨木粉与桉木粉的表面色散张力都随着温度的升高而下降。在25℃时，三种粉末的表面色散张力分别为36.1、40.8和38.8 mJ/m2。研究还发现:在等比例添加时，由樟木粉、杨木粉、桉木粉与ABS制成的共混物的冲击强度随界面张力的增大而减小，二者之间的关系与阻燃剂体系所表现出来的关系存在一些差别，造成这种差别的原因目前还很难被确定，需要以后进行更深入的研究才能解释清楚。
　　(4)深入研究了多种高分子材料体系的表面张力和其溶解度参数之间的关系。研究发现:对于30种有机溶剂，它们的色散表面张力与一个经验组合参数1/ρ2MW0.2之间存在着很好的关系。对于12种常见聚合物，当用重复单元的分子量代替该经验参数中的MW时，二者之间仍旧存在着同样的匹配关系。另外还发现:对于37种有机溶剂和22种常见聚合物材料，它们的色散表面张力和经验参数γd/δ2/3d之间存在着完美的线性关系。与前人提出的很多经验方程相比，论文提出的新方程:0.555/γd+0.132=δ-2/3d能够同时处理小分子有机溶剂和聚合物材料。这项研究工作的意义在于可以从理论上判断文献中报道的大量表面张力和溶解度参数结果的可信性，同时也证明了本论文中所测定的ABS体系溶解度参数和表面张力结果的可靠性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 ABS概述

1．2．1 ABS的组成、结构与特性

1．2．2 ABS的生产、供需及应用

1．3 ABS主要粉末添加剂

1．3．1 抗氧剂

1．3．2 光稳定剂

1．3．3 抗静电剂

1．3．4 着色剂

1．3．5 填充剂

1．3．6 阻燃剂

1．4 界面相容性的定量研究方法

1．4．1 直接测定法

1．4．2 间接测定法

1．5 本论文的研究目的与研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

2 溶解度参数方法对ABS／粉末阻燃剂体系界面相容性的定量研究

2．1 引言

2．2 溶解度参数方法介绍

2．2．1 原理

2．2．2 溶解度参数的获取

2．3 实验部分

2．3．1 实验原料

2．3．2 ABS体系溶解度参数的测定

2．3．3 阻燃剂溶解度参数的测定

2．3．4 ABS／阻燃剂共混物制备与力学性能测定

2．4 结果与讨论

2．4．1 ABS体系溶解度参数分析

2．4．2 阻燃剂溶解度参数分析

2．4．3 ABS／阻燃剂共混物形貌表征

2．4．4 阻燃ABS力学性能

2．4．5 阻燃ABS力学性能与ABS-阻燃剂溶解度参数半径的关系

2．5 本章小结

3 表面张力组成与界面张力方法对ABS／粉末阻燃剂体系界面相容性的定量研究

3．1 引言

3．2 表面张力组成与界面张力方法介绍

3．2．1 表面张力组成理论与界面张力方法

3．2．2 表面张力组成的测定方法

3．3 实验部分

3．3．1 实验原料

3．3．2 具有非线性加速进样系统的动态接触角装置的制造

3．3．3 ABS体系表面张力组成的测定

3．3．4 阻燃剂表面张力组成的测定

3．4 结果与讨论

3．4．1 ABS的表面张力组成

3．4．2 阻燃剂的表面张力组成

3．4．3 界面张力与共混物力学行为的关系

3．5 本章小结

4 表面张力组成与界面张力方法对ABS／木粉填充剂体系界面相容性的定量研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验仪器与原料

4．2．2 原料准备

4．2．3 木粉物理性质测定

4．2．4 木粉色散表面张力的测定

4．2．5 ABS／木粉共混物力学性能的测定

4．2．6 木粉及ABS／木粉共混物形貌表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 木粉的物理性质

4．3．2 木粉及ABS／木粉共混物的形貌表征

4．3．3 木粉的色散表面张力

4．3．4 界面张力与ABS／木粉共混物力学性能的关系

4．4 本章小结

5 表面张力与溶解度参数的关系研究

5．1 引言

5．2 色散表面张力与密度和分子量的关系

5．2．1 溶剂的表面张力与密度和分子量的关系

5．2．2 聚合物重复单元的表面张力与密度和分子量的关系

5．3 不用摩尔体积同时适用于聚合物和溶剂的表面张力和溶解度参数的经验方程的建立

5．3．1 经验方程提出的背景

5．3．2 经验方程的建立

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历

声明