ABS (акрилонитрил бутадиен стирен)

ABS (акрилонитрил бутадиен стирен) е термопластична инженерна пластмаса, образувана чрез тройна съполимеризация. От индустриализацията си през 50-те години на миналия век, тя се е превърнала в един от най-балансираните полимерни материали по отношение на цялостните си характеристики, благодарение на химическата устойчивост на акрилонитрила, здравината на бутадиена и лесната обработка на стирена. От таблата на автомобили до корпусите на домакински уреди, от строителните блокчета на играчки до електронните компоненти, ABS е проникнал в различни области на промишленото производство и ежедневието със своите отлични механични свойства, формовъчност и предимства по отношение на разходите, превръщайки се в един от най-широко използваните разновидности в съвременните инженерни пластмаси.

1. Молекулярна структура и основни характеристики

Превъзходството на ABS се крие в неговия уникален структуриран молекулярен дизайн: непрекъснатата фаза е съставена от стирен акрилонитрилен съполимер (САН), който придава на материала твърдост и устойчивост на топлина; дисперсната фаза е от частици бутадиенов каучук, осигуряващи здравина и удароустойчивост; акрилонитрилните мономери повишават химическата устойчивост и повърхностната адхезия на материалите чрез силни полярни функционални групи. Тази трифазна съвместна структура позволява на ABS да постигне перфектен баланс между твърдост и здравина.

Балансирано представяне на механичните свойства

Механичните свойства на ABS могат да се контролират гъвкаво чрез регулиране на съотношението на тройните мономери. Якостта на опън на конвенционалните видове е 30-50 МПа, а модулът на огъване е 1800-2800 МПа, което не само поддържа по-добра твърдост от Специалист по икономически въпроси и ПП, но и избягва крехкостта на П.С.. Удароустойчивостта му е особено забележителна, с удароустойчивост от 10-40 кДж/m², и все още може да поддържа над 70% удароустойчивост при -40 ℃, много по-висока от обикновените инженерни пластмаси. Тази удароустойчивост го прави особено подходящ за изработка на части, които са подложени на удар, като например корпуси за багаж, строителни блокове за играчки и др.

Термични характеристики и предимства при обработката

Температурата на топлинна деформация (HDT, 1.82MPa) на ABS е 80-100 ℃, а температурата на непрекъсната употреба е 60-80 ℃. Въпреки че не е толкова висока, колкото при устойчивите на висока температура материали като компютър и Пенсилвания, тя е достатъчна, за да отговори на нуждите на конвенционални сценарии, като домакински уреди и автомобилни интериори. Неговата производителност при обработка може да се счита за отлична, с широк диапазон на скорост на разтопяване (МФР) (1-40g/10min), която може да се формира чрез различни процеси, като шприцване, екструдиране и вакуумно формоване. Степента на свиване при формоване е ниска (0.4% -0.8%), а точността на размерите е висока, подходяща за производство на прецизни части. По време на шприцване не се изисква строго сушене (съдържание на влага ≤ 0.2% е достатъчно), прозорецът за обработка е широк (200-250 ℃), изискванията за оборудване са ниски, а производствените разходи са само 60% -70% от тези на компютър.

Химия и свойства на повърхността

ABS има добра поносимост към вода, неорганични соли, разредени киселини и основи, но може да бъде корозиран от силни разтворители като кетони и естери. Повърхностната му полярност е умерена, което го прави лесен за печат, боядисване със спрей и галванизиране. След галванизиране, ABS продуктите могат да постигнат метална текстура, а цената е много по-ниска от тази на металните части. Това предимство на повърхностната обработка го прави изключително ефективен в области като автомобилни декоративни ленти и електронни корпуси. Освен това, ABS е без мирис и нетоксичен (с качество за хранителни продукти), отговаря на стандартите за контакт с храни като FDA и ЕС 10/2011 и може да се използва за направата на ежедневни стоки като бутилки за вода и прибори за хранене.

2. Производствен процес и система за суровини

Производственият процес на ABS е сложен и разнообразен, а основната цел е да се изгради стабилна, заздравяваща каучукова структура чрез контролиране на последователността на полимеризация и съотношението на тройните мономери. Суровинната система се основава на веригата на нефтохимическата промишленост, а чистотата и съотношението на ключовите мономери директно определят производителността на продукта.

Източници на суровини и характеристики на мономерите

Трите основни мономера на ABS идват от нефтохимическата промишленост: Акрилонитрилът (АН) се произвежда чрез амоксидиране на пропилен и има силна полярност и химическа устойчивост. Съдържанието му обикновено е 20% -30%, което определя устойчивостта на корозия и твърдостта на материала; Бутадиенът (БД) се получава от крекинга на нафта, осигурявайки еластичност и удароустойчивост, със съдържание от 15% -30%. Размерът на частиците на каучуковата фаза (0,1-1 μm) е ключовият фактор, влияещ върху ударната якост; Стиренът (Св.) се произвежда чрез дехидрогениране на етилбензен, придавайки на материала течливост и блясък, със съдържание от 40% -60%, и регулирайки производителността на обработка. През последните години бяха постигнати пробиви в изследванията и разработването на биобазирани стирен и бутадиен, предоставяйки възможност за екологизиране на ABS.

Сравнение на основните производствени процеси

Промишленото производство на ABS се състои основно от два процеса: метод на лосионно присаждане с смесване в насипно състояние (който представлява 70% от световното производство) и метод на непрекъсната полимеризация в насипно състояние. Методът на лосионно присаждане първо полимеризира бутадиеновия лосион, за да се образуват каучукови частици, след това присадката се съполимеризира със стирен и акрилонитрил, за да се получи присаден латекс, и накрая се стопява и смесва със САН смола (стирен-акрилонитрилен съполимер). Този процес може точно да контролира размера на каучуковите частици, което води до висока ударна якост на продукта, но процесът е дълъг и консумацията на енергия е висока. Непрекъснатата полимеризация в насипно състояние осъществява тройна съполимеризация чрез многоетапен реактор, което е прост процес и с ниска консумация на енергия. Подходящ е за производство на каучук с висока течливост, но равномерността на дисперсията е малко по-ниска от тази на лосионния метод.

След завършване на полимеризацията, стопилката на ABS се екструдира и гранулира в гранулирани суровини, като добавки като антиоксиданти, лубриканти и оцветители се добавят според нуждите. Сред тях антиоксидантите могат да предотвратят термичното окислително разграждане по време на обработка и употреба; лубрикантите подобряват течливостта на стопилката и намаляват износването на матрицата; цветният мастербач реализира основно съвпадение на цветовете, като например черно и бяло, а специалните цветове изискват последваща обработка.

3. Система за класификация и технология за модификация

ABS е създал богата продуктова система чрез регулиране на съотношението на мономерите и модифициране на технологията, която може да отговори на изискванията за производителност в различни сценарии. Основните методи за класификация включват ударна якост, течливост и функционални характеристики.

Основна класификация и типични степени

Според якостта на удар, може да се раздели на универсален клас (якост на удар 10-20kJ/m²), клас с висока удароустойчивост (20-40kJ/m²) и клас със свръхздравина (≈40kJ/m²): универсалният клас е подходящ за структурни компоненти (като корпуси на домакински уреди), класът с висока удароустойчивост се използва за удароустойчиви компоненти (като автомобилни брони), а класът със свръхздравина може да замени някои еластомери (като нискотемпературни тръбопроводи). Според скоростта на течливост на стопилката (МФР) се разделя на клас с висока течливост (МФР≈20g/10min, подходящ за тънкостенни части), клас със средна течливост (5-20g/10min, общ сценарий) и клас с ниска течливост (<5g/10min, дебелостенни структурни части).

Технология на модификация и функционални разновидности

Технологията за модифициране на ABS включва главно армиране, забавяне на горенето, устойчивост на атмосферни влияния и други насоки, което значително разширява границите на приложението му. Добавянето на 10% -30% стъклени влакна към ABS, подсилен със стъклени влакна, увеличава якостта на опън до 60-80MPa и температурата на гореща деформация с 20-30 ℃, което го прави подходящ за производство на високоякостни структурни компоненти (като механични опори); Огнеупорният ABS достига стандарта за забавяне на горенето UL94 V0 чрез добавяне на бромни или безхалогенни забавители на горенето и се използва за корпуси на електронни устройства (като принтери и рутери); Устойчивият на атмосферни влияния ABS с добавени Ултравиолетово абсорбатори и стабилизатори на светлината от препятстващи амини може да устои на Ултравиолетово стареене на открито и се използва за автомобилна екстериорна част (като корпуси на огледала за обратно виждане), външни билбордове и др.

Освен това, ABS може да се смесва и с други материали, за да се образуват сплави, като например ABS/компютър сплав, която съчетава лекотата на обработка на ABS с устойчивостта на топлина и удар на компютър и се използва широко в автомобилните интериори и корпусите на мобилни телефони; ABS/ПБТ сплавта повишава химическа и маслоустойчивост, което я прави подходяща за производство на периферни компоненти на автомобилни двигатели.

4. Разнообразни области на приложение

ABS, със своите характеристики на балансирана производителност и контролируеми разходи, заема ключова позиция в областта на автомобилите, домакинските уреди, 3C, играчките и др. и е незаменим основен материал за съвременното производство.

Автомобилна индустрия: Лека и функционална интеграция

Приложението на ABS в автомобилите обхваща интериорни, екстериорни и функционални части: интериорни части като табло, панели на вратите и кутии за подлакътници използват лесната си обработка, за да постигнат сложни форми и да подобрят текстурата чрез боядисване или обвиване; външни компоненти като корпуси на огледала за обратно виждане и дръжки на вратите са изработени от устойчив на атмосферни влияния ABS, за да се осигури дългосрочна употреба на открито без избледняване; функционални компоненти като вентилационни отвори за климатици и конектори за окабеляване осигуряват точност на сглобяване чрез своята размерна стабилност и устойчивост на температури. В сравнение с метала, ABS компонентите могат да намалят теглото с 30%-50%, а количеството ABS, използвано на превозно средство, може да достигне 10-30 кг, което го прави ключов материал за олекотяване на автомобили.

Домакински уреди и потребителска електроника: Балансиране на външен вид и производителност

Индустрията за домакински уреди е най-големият пазар за ABS, който се използва широко във вътрешните части на хладилници, контролните панели на перални машини, корпусите на телевизори и др. Повърхността му може да постигне огледален ефект чрез високо гланцово шприцване или да подобри тактилното усещане чрез текстуриран дизайн. В областта на 3C, ABS (особено ABS/компютър сплав) се използва за средната рамка на корпусите на мобилни телефони и лаптопи, балансирайки устойчивостта на падане и предаването на сигнала (негалванизирани части), с цена само една трета от магнезиевата сплав. Освен това, корпусите на прахосмукачки, корпусите на принтери и др. също разчитат на устойчивостта на удар и надраскване на ABS.

Ежедневни потребности и играчки: комбинация от безопасност и издръжливост

ABS се е превърнал в предпочитан материал в индустрията за играчки поради своите нетоксични, устойчиви на падане и лесни за оцветяване свойства. Тухличките Лего, корпусите на колички с дистанционно управление и други материали използват ABS с висока устойчивост на удар, който може да издържи на многократно снаждане и удар без повреди. В ежедневните нужди, куфарите за багаж и рамките на куфарчетата използват характеристиките си както на твърдост, така и на здравина, за да постигнат леко тегло и издръжливост; Аксесоарите за баня, като кутии за сапун и рафтове за съхранение, използват своята водоустойчивост и лекота на почистване, за да предотвратят появата на мухъл при продължителна употреба.

Промишлени и медицински изделия: Структура и осигуряване на безопасност

В индустриалната област, тръбите, клапаните и корпусите на инструменти, изработени от ABS, имат химическа устойчивост и размерна стабилност, които отговарят на изискванията за общи работни условия. В медицинските изделия ABS се използва за безконтактни компоненти, като например инфузионни стойки и тави за инструменти, като повърхността му може да се дезинфекцира и не се напуква лесно. В областта на строителството, ABS тръбите се използват за домашно окабеляване и канализационни тръби поради тяхната удароустойчивост и лесно свързване, особено подходящи за зони с ниски температури.

5. Тенденции в опазването на околната среда и развитието

Екологичността на ABS продължава да се подобрява с развитието на технологиите за рециклиране и зелените суровини, като същевременно индустрията насърчава високопроизводителни и функционални иновации, за да затвърди основната си позиция като инженерна пластмаса.

Рециклиране и кръгова икономика

Технологията за физическо рециклиране на ABS е зряла. След сортиране, почистване, раздробяване и гранулиране, отпадъчните ABS продукти могат да се използват за производство на нискокачествени продукти (като кофи за боклук и пластмасови табуретки). Съотношението на смесване на рециклираните материали може да достигне 30% -50%, без това да повлияе значително на производителността. Химическото рециклиране разлага ABS на мономери като стирен чрез пиролиза, които се използват повторно за полимеризация, за да се постигне затворен цикъл на циркулация. В момента тази технология е навлязла в етап на индустриални демонстрации в Европа. Глобалният процент на рециклиране на ABS е около 25% -30%, а Европейският съюз планира да увеличи процента на рециклиране до над 50% до 2030 г. чрез Стратегията за пластмаса ддддххх.

Зелени суровини и чисто производство

Постигнат е пробив в научноизследователската и развойна дейност на биобазиран ABS, който използва биобазиран стирен (от ферментация на биомаса) и биобазиран бутадиен (от ферментация на нишесте) за производството на ABS, намалявайки въглеродния отпечатък с повече от 40% в сравнение с традиционните продукти. Няколко компании пуснаха търговски проби. По отношение на производствения процес, технологията за непрекъсната полимеризация в насипно състояние намалява консумацията на енергия с 20% в сравнение с лосионния метод и не изхвърля отпадъчни води, което постепенно замества традиционния процес.

Посока на технологичните иновации

В бъдеще ABS ще се развива към висока производителност и функционална интеграция: чрез прецизен контрол на размера на частиците и разпределението на каучуковите фази, ще бъде разработен ултраздрав ABS с ударна якост по-голяма от 50kJ/m², който да замени някои еластомери; ще се използва нанокомпозитна технология (като добавяне на въглеродни нанотръби), за да се придадат на ABS проводимост и топлопроводимост, за използване в 5G устройства и компоненти за разсейване на топлината; ще се разработи екологично чист ABS с ниска миризма и ниско съдържание на летливи органични съединения, за да се отговори на строгите изисквания за миризма в автомобилните интериори (като например ≤ ниво 3). Освен това, приложението на ABS тел за 3D печат в областта на персонализираното производство бързо нараства поради високата точност на формоване и малката деформация.

ABS, като класически троен съполимер, може да се разглежда като модел за съвместно проектиране на полимерни материали в процеса на разработване. Чрез допълване на предимствата на три мономера, ABS постига перфектен баланс между твърдост, жилавост и обработваемост, подкрепяйки нуждите на съвременната производствена индустрия от лекота и функционалност. С насърчаването на кръговата икономика и зрелостта на зелените технологии, ABS ще намали допълнително екологичния си отпечатък, като същевременно запази предимствата си в производителността, и ще продължи да играе водеща роля в инженерните пластмаси.