色母粒中的碳酸钙含量对ABS制品的影响

许金可，应任锋(宁波水表(集团)股份有限公司，浙江 宁波 315032)

0 引言

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)是一种性能优异的工程塑料，由于其具有良好的力学性能，耐化学腐蚀性和耐低温性等多种优点，所以ABS被广泛应用于汽车零部件、电子设备的外壳和建筑材料等多种领域[1-3]。在ABS制品的生产中，需要针对不同的使用需求进行颜色的调节，为了提高颜色的稳定性和分散性，在实际生产中通常采用色母粒来进行着色。色母粒是一种承载一定颜料的半成品树脂，由颜料、分散剂、载体等物质组成，其中载体和颜料直接影响着色母粒的价格和性能[4]。在实际生产过程中发现，ABS加入市售色母粒共混后制成的零件，容易在运输途中碰撞开裂，严重影响产品的质量。经过排查生产的各个环节发现，部分色母粒的制造厂商为了降低成本，会在生产色母粒过程中会采用大量的不经过表面处理的碳酸钙来替代载体和颜料部分，这些色母粒与ABS共混之后制备的产品力学性能较差，受到外力冲击时，容易破坏基体强度。

为了探究色母粒中的碳酸钙对ABS制品的具体影响，为提升产品质量提供参考依据。本实验采用四种不同碳酸钙含量的色母粒与ABS进行共混制备样条，并测试样条的力学性能和色彩性能的影响，观察断裂截面分析碳酸钙含量对ABS制品力学性能的作用机理。

1 实验部分

1.1 原料和配方

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

1.2 主要仪器设备

扫描电子显微镜：TM3000, Hitachi High-Technologies；冲击试验机：GT-7045-HML，高铁检测仪器有限公司；拉伸试验机：AGS-J，岛津(香港)有限公司；注塑机：SS380-Ⅲ,宁波双盛塑料机械厂；NH310型色差计，深圳三恩驰有限公司；(邵D)塑料硬度计：LX-D，乐清市艾德堡仪器有限公司。

1.3 试验方法

根据试验需求，以25∶1的比例称量好ABS树脂和色母粒共四份，其中色母粒有四种，分别含有碳酸钙0%，30%，50%，70%。称量完成后将ABS树脂和色母粒搅拌均匀，并在80 ℃烘箱中进行3 h干燥处理。干燥完成后，通过注塑机，用相同的工艺参数注塑成标准样条，对标准样条进行相应的力学性能测试，并且每种类型样条数量不小于5根，最终数据取平均值。力学性能测试完成后，对样条断面进行液氮脆断制样，利用扫描电镜(SEM)进行观察。试验过程流程图如图1所示。

图1 试验过程流程图

1.4 性能测试

万能试验机(AGS-J，岛津)测试样条的力学性能，样条尺寸150×20×4 mm。测试方法按照ISO-527，标距75 mm，拉伸速率50 mm/min，单个配方的样条数量不小于5根，最终数据取平均值。

冲击试验机(GT-7045-HML，高铁检测仪器有限公司)测试样条的冲击性能，样条尺寸80×10×4 mm带缺口，进行悬臂梁缺口冲击试验，单个配方的样条数量不小于5根，最终数据取平均值。

扫描电子显微镜(SEM, TM3000, Hitachi High-Technologies)用于表征冲击样条断截面的形貌图，测试前对断面处进行喷金处理，电子强度为5 kV。

塑料硬度计(LX-D，乐清市艾德堡仪器有限公司)用于测量ABS/碳酸钙复合材料的硬度，测试按照GB/T-2411进行测试，单个配方的样品数量不小于5根，最终数据取平均值。

色差计(NH310，深圳三恩驰有限公司)测量不同碳酸钙含量的样品的颜色区别。测色波长为全波长，测定角度为平行于样品表面。每个样品取至少五个点，取平均值。其中色差的计算公式根据CIE(L*a*b*)色空间色差公式(1)计算[5]：

2 结果与讨论

2.1 含不同碳酸钙的色母粒对ABS拉伸强度的影响

图2为不同碳酸钙含量的色母粒与ABS共混后制备的样条的拉伸强度测试结果。从图2可见，随着色母粒中碳酸钙含量的增加，样条的拉伸强度呈现下降趋势。当碳酸钙含量为0%时，拉伸强度在50.3 MPa，

图2 加入不同碳酸钙含量的色母粒样条的拉伸强度变化

随着碳酸钙含量增大，30%时为49.14 MPa，50%时为49.99 MPa，70%时为49.14 MPa，但是所有含有不同碳酸钙浓度的样条的拉伸强度均低于50 MPa，都在49 MPa附近，这说明色母粒中的碳酸钙对基体没有起到增强作用，略微降低了基体的强度。这是因为碳酸钙通过色母粒混入到基体中，在实际在基体中的含量占比较少，起不到增强的效果。另一方面碳酸钙粒径较大，表面没有经过有效的处理，在基体中只是单纯的物理混合，起不到很好的增强作用。并且，过多的碳酸钙粒子的加入，使得碳酸钙与基体之间存在一定数量的相界面，这些相界面在拉伸时导致拉伸强度下降。

另外，利用SEM来对混入50%碳酸钙含量的色母样条的拉伸断面来进行观察研究。从图3可见，拉伸断面中分散着大量不规则形状的碳酸钙，对局部轮廓清晰的碳酸钙颗粒放大观察，可以从图中看到，碳酸钙与ABS基体之间存在着间隙，说明ABS基体和碳酸钙相容性差，在未作表面处理的碳酸钙与ABS只存在物理混合作用，表面结合不紧密，在受到轴向的拉伸力时，碳酸钙颗粒之间彼此没有增强关系，对ABS基体增强程度有限，并且随着基体轴向拉伸，碳酸钙的存在，还会破坏基体强度。

图3 含50%碳酸钙含量的色母粒样条的拉伸断面

2.2 不同碳酸钙含量的色母粒对ABS冲击强度的影响

图4为不同色母粒共混样条的冲击数据，可见，各组别冲击强度差别较大，随着色母粒中碳酸钙含量增加，样条的冲击强度迅速下降。在碳酸钙含量为0%时，ABS样条表现出良好的抗冲击性能，冲击强度为13 407 J/m2；随着碳酸钙含量增加到30%时，其冲击强度下降到7 810 J/m2，说明碳酸钙含量的增加破坏了ABS样条的内部力学结构，在收到外力冲击时，更加容易断裂；随着碳酸钙含量继续增加到50%，样条的冲击强度进一步下降到6 500 J/m2，下降幅度减小；当碳酸钙含量增加到70%，样条冲击强度下降到5 920 J/m2。

图4 加入不同色母粒样条的冲击强度变化

为了探究色母粒在基体中的作用机理，通过SEM来对样条的冲击断面来进行观察研究。从图5可见，当碳酸钙含量为0%时，冲击断面呈现韧性条纹，符合具有高韧性材料的典型特征。随着碳酸钙含量增加到30%，可以在基体中观察到碳酸钙的存在，碳酸钙颗粒不规则的分布在基体中且颗粒的大小也不均匀。有些颗粒表面存在棱角，容易导致样品在受到冲击时应力集中在这些刚性粒子的棱角处，降低基体韧性[6]，虽然在断面中仍然可以观察到韧性条纹的存在，但是数量较0%含量的样品减少。随着碳酸钙含量进一步增加到50%，可以观察到单位面积上的碳酸钙颗粒增多，韧性条纹减少。当碳酸钙含量增加到70%时，断面上的碳酸钙颗粒粒径大小不均匀，且分布较没规律性，并且可以观察到部分碳酸钙颗粒与周围基体存在空隙。这是由于在共混过程中，碳酸钙没有经过表面处理，与ABS的相容性较差，导致与周围基体存在许多相界面，在受冲击时破坏基体强度。一般来说，无机粒子的加入会对基体的结晶过程有诱导作用，在异相成核作用的引导下，使得基体的结晶度变高，从而有效改进基体的力学性能。但是，从目前实验数据的可见，ABS/碳酸钙复合材料的冲击性能随着色母粒种的碳酸钙含量增加而下降。这是因为，虽然部分粒径小，比表面积大的碳酸钙促进了基体的结晶过程，在部分区域增加了基体的结晶度。但在受到外力冲击时，基体增加的结晶区域太小，不足以抵抗碳酸钙不规则棱角产生的应力，导致ABS/碳酸钙复合材料随着碳酸钙含量升高，冲击强度减小。

图5 加入不同色母粒的冲击样条断面图

2.3 不同碳酸钙含量的对ABS硬度的影响

在图6中可见，ABS/碳酸钙复合材料的硬度随着碳酸钙含量的增加，总体是变大的状态。当色母粒中碳酸钙含量等于0%时，复合材料的硬度为70，当色母粒中碳酸钙含量增加到50%时，复合材料硬度增加到71，当色母粒中碳酸钙含量增加到70%时，复合材料硬度增加到72。这说明碳酸钙加入到ABS当中，使得复合材料的硬度提高，一方面，碳酸钙本身的硬度比ABS大，随着含量增加，使得硬度提高；另一方面碳酸钙诱导了部分基体的结晶过程，使得复合材料的结晶度提高，硬度增加。

图6 碳酸钙的含量对ABS硬度(邵D)的影响

2.4 不同碳酸钙含量的色母粒对ABS产品色彩性能的影响

在实际的使用过程中必须考虑到在黑色的色母粒中加入白色的碳酸钙是否会影响产品的颜色。所以为了研究色母粒中的碳酸钙对颜色的影响，采用色差仪来进行分析。一般来说，一个物体表面的颜色可以由色相、明度、饱和度来进行定义，对产品进行L*、a*、b*指数分析可以鉴别产品之间是否存在色差。

表1为含有不同色母粒的样板的色彩量化数据，通过各项数值的差别来反映产品的色差变化。明度值L*值越大，说明样品的亮度越高，反之，则说明样品的亮度越低，越暗。从表中可以看到，样品的L*随着色母中碳酸钙含量增加逐渐增高，但是总体上数值的变化差距小，说明在该含量范围下的碳酸钙对产品的明度影响不大。

a*的值表示是样品的红绿程度，正值说明样品偏红，负值说明样品偏绿。b*的值表示的是样品的黄蓝程度，正值说明样品偏黄，负值说明样品偏蓝。由表1数据可知，所有样品的颜色偏向一致，且a*和b*值每组之间虽存在波动，但是差距不明显，说明在该含量范围的碳酸钙对产品的色品指数影响不大。

表1 不同色母粒样板的L*、a*、b*值

△E是评价色彩变化的一个参数，一般来说，两个颜色的△E值越大，则说明两者存在的色差就越大。当△E小于3时，认为两者颜色相近，用肉眼分辨不出[7]。由表1可以看到，随着色母粒中的碳酸钙含量增加，△E值逐渐变大，但是仍小于3，说明在该含量范围下的碳酸钙对产品颜色造成了一定的影响，但是△E仍然小于3，可以认为产品颜色不存在明显色差。

3 结论

通过分析不同碳酸钙含量的色母粒对ABS力学性能和色彩性能的影响，结果表明：

(1)在该含量范围下，色母粒中的碳酸钙对产品的拉伸性能影响不大，但是会大大降低产品的冲击强度，这是因为混入的碳酸钙颗粒相容性不好，且表面有棱角，在受到外力冲击时易破坏基体强度，降低冲击性能。

(2)在该含量范围下，色母粒中的碳酸钙对产品的色彩性能影响不大，用肉眼观察不会出现明显色差。但是，由于用肉眼无法分辨，所以在质量管理过程中，便不可以通过观察制品的颜色来分辨产品是否添加了含有碳酸钙的色母粒。

(3)建议在今后的有色ABS制品的质量管理当中，也需关注色母粒中无关填料的含量，可通过对产品进行灰分测试或硬度测试来进行检验，若产品添加了含有碳酸钙的色母粒会导致产品灰分含量增加或硬度变高。需警惕色母粒中碳酸钙对产品的危害，因为这些碳酸钙等无机填料因色母调色混入制品当中，对制品的各项性能不仅起不到任何改善作用，反而只会起到负面的作用。所以，不可过分追求降低成本而破坏产品稳定性。