挤出工艺对玻纤增强ABS材料性能的影响

挤出工艺对玻纤增强ABS材料性能的影响

牛玮浩

山东亿科化学有限责任公  257000

摘要

本文研究了挤出工艺参数如挤出温度、螺杆转速和玻纤含量对玻纤增强ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）复合材料机械性能和热性能的影响。通过系统的实验设计，分析了不同参数配置下材料的拉伸强度、冲击强度和热变形温度的变化规律。结果显示，适当的增加玻纤含量和优化挤出温度能显著提高复合材料的机械性能和热稳定性。

关键词：挤出工艺，玻纤增强ABS，机械性能，热性能，复合材料

引言

ABS塑料因其优异的综合性能被广泛应用于汽车、电子以及消费品领域。引入玻纤增强可以进一步提升ABS材料的机械强度和热稳定性。然而，挤出工艺参数对复合材料的性能有着决定性影响。本文旨在探究挤出工艺参数如何优化以提高玻纤增强ABS复合材料的性能，对相关产业的材料选择和工艺优化提供指导。

一、材料与方法

1.材料的选择与预处理

本研究选用了通用型ABS树脂和E玻璃纤维作为基础材料和增强材料。ABS树脂选用的品牌为台湾奇美公司的PA-747，具有良好的机械性能和加工性能。E玻璃纤维以其高强度和低成本的特性被广泛应用于塑料增强中。玻纤的长度为6毫米，直径约为10微米。在实验前，ABS树脂以颗粒形式购入，并在室温下干燥24小时以去除表面水分。E玻璃纤维在使用前通过烘箱处理，以确保其干燥和清洁，避免在加工过程中引入杂质。玻纤通过特殊的表面处理以提高其与ABS树脂的相容性，使用的表面处理剂为硅烷偶联剂，可以增加玻纤与ABS树脂间的界面粘结强度。预处理步骤对于保证复合材料的性能是非常关键的，它们不仅影响材料的加工性和最终性能，还关系到产品的质量和一致性。通过精心的材料选择和周密的预处理，可以确保在后续的挤出过程中获得性能优异的玻纤增强ABS复合材料。

2.挤出工艺参数的设置

挤出实验使用双螺杆挤出机进行，该挤出机配置有可调节的螺杆转速和加热区域。实验中设置了多个不同的挤出温度和螺杆转速以观察其对材料性能的影响。具体参数设置如下：挤出温度，设定五个不同的挤出区域温度，从喂料区到挤出头分别为160°C、180°C、200°C、220°C和230°C。这样的逐步升温有助于ABS和玻纤的混合和塑化。螺杆转速，螺杆转速设置为20、40、60 rpm三档，用以探索不同剪切速度对复合材料性能的影响。通过调节这些参数，可以优化材料的混合均匀性和塑化效果，进而影响最终产品的性能。

3.性能测试方法

为了评估玻纤增强ABS复合材料的性能，本研究采用了以下几种测试方法：机械性能测试，使用万能材料试验机进行拉伸试验和弯曲试验，以测定材料的拉伸强度、弯曲强度和弹性模量。试样制备按照ASTM D638和ASTM D790标准进行。冲击强度测试，采用悬臂梁冲击试验方法，按照ASTM D256标准制备试样，测定材料的冲击强度。热性能测试，使用热机械分析仪(TMA)和差示扫描量热仪(DSC)分别测试材料的热变形温度和玻璃化转变温度。通过这些方法，可以全面了解挤出工艺参数对玻纤增强ABS材料性能的具体影响。

二、实验结果与讨论

1.对比分析不同玻纤含量的影响

在本研究中，首先探讨了不同玻纤含量对ABS复合材料机械性能的影响。实验中设置了五种不同的玻纤含量：0%（纯ABS）、5%、10%、15%、和20%。所有样品均在相同的挤出条件下制备，以保证结果的可比性。拉伸试验结果显示，随着玻纤含量的增加，复合材料的拉伸强度和模量均有明显提高。例如，纯ABS的拉伸强度为25 MPa，而添加20%玻纤的复合材料拉伸强度可提高至45 MPa。这一增强效果主要归因于玻纤的高刚性和强度，能够有效承担更多的应力。然而，当玻纤含量超过15%时，拉伸强度的增加幅度有所减缓，这可能是由于玻纤分散不均引起的应力集中。在弯曲性能测试中，复合材料的表现也类似。玻纤的添加改善了材料的弯曲模量和弯曲强度，其中20%玻纤含量的样品弯曲强度最高，达到了70 MPa，比纯ABS提高了近50%。这些数据均通过使用中国生产的万能试验机进行测试，并由上海交通大学材料科学与工程学院的研究团队提供技术支持。

2.挤出参数对材料性能的影响

在分析了挤出温度和螺杆转速对复合材料性能的影响后，发现这些参数对材料的机械性能和热性能均有显著影响。挤出温度的优化显示，较高的挤出温度有助于改善玻纤和ABS的界面结合，从而提高材料的整体性能。例如，当挤出温度从180°C提高到230°C时，复合材料的拉伸强度从35 MPa提高到了45 MPa。此外，螺杆转速的增加对材料的影响也非常显著。在螺杆转速为60 rpm的条件下，由于剪切力较大，ABS和玻纤的混合更加均匀，从而使得材料的机械性能得到进一步提升。然而，过高的转速也可能导致材料过度热解，影响材料的热稳定性。这部分实验数据的收集和分析主要依赖于北京化工大学的高分子材料实验室，使用的数据分析软件为“OriginLab”，一个在中国广泛使用的科学绘图和数据分析软件。

3.材料的热性能分析

热性能是评估材料在高温应用中稳定性的重要指标。本研究使用差示扫描量热仪(DSC)和热机械分析仪(TMA)来测试复合材料的热性能。实验结果表明，玻纤的添加显著提高了材料的热变形温度（HDT）和玻璃化转变温度（Tg）。纯ABS的HDT为85°C，而20%玻纤增强的ABS复合材料的HDT提高至105°C。这表明增强的复合材料能够在更高的工作温度下保持稳定性。玻璃化转变温度的提高也反映了内部结构的变化。通过DSC分析发现，玻纤的加入使得ABS基体的分子运动受到限制，因此Tg有所提高。这些测试均在上海的复旦大学材料科学实验室进行。通过对不同玻纤含量及挤出工艺参数的详细研究，本文展示了这些变量如何影响玻纤增强ABS复合材料的机械性能和热性能。结果表明，通过优化含量和挤出参数，可以显著提高材料的性能，为工业应用中的材料设计和生产提供了有价值的参考。这些发现不仅为玻纤增强塑料的应用提供了科学依据，也为相关领域的研究人员提供了实验方法和理论支持。

结论

本研究系统地探讨了挤出工艺参数（包括挤出温度、螺杆转速）以及玻纤含量对玻纤增强ABS材料性能的影响。通过一系列综合实验，我们获得了以下主要结论：玻纤含量的增加对复合材料的机械性能有显著提升作用，实验结果表明，随着玻纤含量从0%增加到20%，复合材料的拉伸强度和弯曲强度显著提高。尤其是在玻纤含量为20%时，复合材料的拉伸强度和弯曲强度较纯ABS提高了约80%和50%。这一效果归因于玻纤的高刚性和高强度，能有效提升材料整体的承载能力。挤出温度和螺杆转速的优化对材料性能同样关键，较高的挤出温度有助于改善ABS与玻纤之间的界面结合，从而增强材料的整体性能。合适的螺杆转速可以确保材料混合的均匀性，避免因过高转速引起的热降解。实验中，230°C的挤出温度和60 rpm的螺杆转速被证明是最佳的挤出条件，能最大程度地提升材料性能。热性能的提升，玻纤的添加显著提高了复合材料的热变形温度和玻璃化转变温度，使材料能够在更高温度下维持稳定性。这一改善使得玻纤增强ABS复合材料更适合于要求高温性能的应用场景。通过调整挤出工艺参数并优化玻纤含量，可以显著提升ABS复合材料的机械性能和热性能。这些发现不仅为玻纤增强ABS的生产与应用提供了科学依据，而且为相关领域的材料研发提供了重要的理论和实践指导。未来的研究可以进一步探索不同类型或品牌的ABS和玻纤的组合，以实现更广泛的应用需求满足。此外，研究玻纤与ABS之间更为复杂的相互作用机理，将有助于开发出性能更优的复合材料。

参考文献

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