Цялостен анализ на ABS суровините: от молекулярна структура до промишлени приложения

ABS (акрилонитрил бутадиен стирен), като важен троен съполимер на термопластиците, се превърна в една от най-големите и широко използвани инженерни пластмаси с общо предназначение в света след индустриализацията си от Американец Каучук Компания (сега Дау Химически) през 1954 г., благодарение на синергичните предимства на три мономера. Годишното му производство надхвърля 10 милиона тона, като широко прониква в основни области на националната икономика като автомобили, домакински уреди, 3C, играчки и др. Дълбокото разбиране на молекулярния състав, производствения процес, системата за производителност, стандартите за класификация и границите на приложение на ABS суровините е от голямо водещо значение за избора на материали, оптимизацията на процесите и продуктовите иновации.

1. Молекулен състав и структурни характеристики

Превъзходството на ABS произтича от неговия уникален трифазен синергичен молекулярен дизайн. Трите мономера образуват стабилни микроструктури чрез лосионно присаждане или полимеризация в насипно състояние, полагайки основите за макро производителност.

Разделяне на ролите на тройните мономери

Молекулярната верига на ABS е съставена от три структурни единици в специфични пропорции, всяка от които е отговорна за ключови функции:

Акрилонитрил (АН): представляващ 20% -30%, силно полярната циано група (-Китай) придава на молекулярната верига твърдост и полярност, повишавайки якостта на опън, твърдостта и химическата устойчивост на материала. За всяко 5% увеличение на съдържанието, якостта на опън може да се увеличи с 3-5 МПа, но ударната якост ще намалее с 10% -15%.

Бутадиен (БД): представляващ 15% -30%, съществува като каучукова фаза, а неговата ненаситена структура с двойни връзки придава на материала еластичност и удароустойчивост. Каучуковите частици (с диаметър 0,1-1 μm) са равномерно разпределени в непрекъснатата фаза, абсорбирайки енергията на удара като миниатюрни амортисьори. Колкото по-високо е съдържанието, толкова по-добра е нискотемпературната жилавост.

Стирен (Св.): представлява 40% -60%, осигурявайки добра течливост при обработка и блясък на повърхността. Бензоловата пръстенна структура повишава твърдостта на молекулярната верига, като същевременно намалява разходите за материали. Прекомерното съдържание може да доведе до повишена крехкост и намалена ударна якост.

Този дизайн от твърд скелет + еластична дисперсна фаза е постигнал пробив в механичните свойства на ABS, преодолявайки крехкостта на П.С. и компенсирайки недостатъчната твърдост на Специалист по икономически въпроси.

Контрол на микроструктурата и морфологията

Микроструктурата на ABS показва типична за острова структура: непрекъснатата фаза е стирен-акрилонитрилен съполимер (САН) с температура на встъкляване (Тг) около 100 ℃; дисперсната фаза е полибутадиенови каучукови частици с Тг около -80 ℃, като двете са здраво свързани чрез присадени връзки. Размерът на частиците и разпределението на каучуковата фаза са ключови фактори, влияещи върху производителността:

Размер на частиците 0,1-0,5 μm: Най-висока ударна якост, подходяща за удароустойчиви сценарии.

Размер на частиците 0,5-1 μm: по-добра течливост, удобна за сложно формоване.

Отклонение в разпределението на размера на частиците <20%: оптимална стабилност на производителността.

Съвременната технология за полимеризация прецизно контролира морфологията на каучуковата фаза чрез полимеризация със семенен лосион. Например, многоетапен метод на подаване се използва за получаване на каучукови частици със структура на сърцевина-обвивка. Ядрото е нискоомрежен бутадиенов каучук (абсорбция на удар), а обвивката е САН присаден слой (подобрена съвместимост), което увеличава ударната якост с повече от 30%.

2、 Производствен процес и контрол на качеството

Производственият процес на ABS е сложен, а техническите бариери са високи. Различните технологични маршрути влияят пряко върху производителността и цената на продукта. В момента глобалните основни процеси могат да бъдат разделени на две категории: метод на лосионно присаждане, метод на смесване в насипно състояние и метод на непрекъсната полимеризация в насипно състояние.

Сравнение на основните производствени процеси

Метод за смесване на лосиони за присаждане на насипни продукти (което представлява 70% от световното производство):

Извършени са три стъпки: 1. Полимеризация с бутадиенов лосион за получаване на каучуков латекс (размер на частиците 0,1-1 μm); 2. Присадена съполимеризация със стирен и акрилонитрил за образуване на присаден латекс; 3. След коагулация и изсушаване на латекса, той се смесва чрез стопилка със САН смола (стирен-акрилонитрилен съполимер) в двушнеков екструдер. Този процес може точно да контролира размера на частиците на каучуковата фаза и продуктът има висока ударна якост (15-40kJ/m²), но процесът е дълъг и консумацията на енергия е висока, с консумация на енергия от около 800kWh на тон продукт.

Метод за непрекъснато агрегиране на онтологии:

Непрекъснатата полимеризация се провежда в 3-4 реактора, свързани последователно: в първия реактор бутадиенът съполимеризира с известно количество стирен, за да образува каучукова фаза, а в следващите реактори се добавят акрилонитрил и остатъчен стирен, за да се образува непрекъсната САН фаза. Процесът е кратък (само 2-3 часа), а консумацията на енергия е ниска (около 500 kWh на тон). Подходящ е за производство на високотечливи класове (МФРшшшш 20g/10min), но равномерността на дисперсията на каучуковата фаза е малко лоша, а ударната якост е с 10%-20% по-ниска от тази на лосионния метод.

Контрол на ключови параметри на процеса

По време на процеса на агрегиране е необходимо стриктно да се контролират следните параметри:

Температура на реакцията: 70-90 ℃ за лосионния метод и 100-160 ℃ за насипния метод. Колебанията на температурата трябва да се контролират в рамките на ± 2 ℃, в противен случай разпределението на молекулното тегло ще стане по-широко.

Коефициент на конверсия: коефициентът на конверсия на етапа на присаждане на лосион е 70% -80%, а общият коефициент на конверсия на насипната полимеризация е 85% -90%. Ако е твърде нисък, разходите за възстановяване на мономера ще се увеличат, а ако е твърде висок, термичната стабилност на продукта ще намалее.

Разпределение на молекулното тегло: Чрез регулиране на дозата на инициатора, средното молекулно тегло/среднобройното молекулно тегло (МВ/Минесота) трябва да се контролира между 2,0-3,0, за да се осигури баланс между производителността на обработка и механичните свойства.

По време на етапа на гранулиране е необходимо да се добавят добавки: антиоксиданти (като композитна система 1010+168) за предотвратяване на термично разграждане, смазочни вещества (като цинков стеарат) за подобряване на течливостта, цветен мастербач за постигане на основно цветово съвпадение, а общото количество добавени добавки обикновено е по-малко от 3%.

3. Система за ефективност и ключови показатели

Системата за производителност на ABS проявява балансирана характеристика, показвайки отлични резултати в механиката, термодинамиката, химията, обработката и други аспекти без очевидни недостатъци, което е основната причина за широкото ѝ приложение.

Механични свойства: златното съотношение на твърдост и жилавост

Якост на опън: 30-50MPa (ASTM D638), по-добра от Специалист по икономически въпроси (20-30MPa) и П.С. (40-50MPa, но крехка), може да отговори на нуждите на повечето структурни компоненти.

Удароустойчивост: Удароустойчивостта при прорез е 10-40kJ/m² (ASTM D256), а коефициентът на задържане на удар при ниска температура при -40 ℃ е 70%. Това е един от най-устойчивите на удар при ниска температура видове сред общите пластмаси.

Характеристики на огъване: якост на огъване 50-80MPa, модул на огъване 1800-2800MPa, умерена твърдост, подходящ за изработка на компоненти с изисквания за опора.

Твърдост: Твърдост по Брег D от 65-85, с по-добра устойчивост на повърхностно надраскване от Специалист по икономически въпроси и ПП, което може да отговори на изискванията за износоустойчивост при ежедневна употреба.

Термични характеристики: Подходящи за конвенционални температури на околната среда

Температура на гореща деформация (HDT): 80-100 ℃ (1.82MPa, ASTM D648), температура на непрекъсната употреба 60-80 ℃, може да издържи на краткотрайна среда от 70-80 ℃ (например вътре в домакински уреди).

Температура на топене: няма ясна точка на топене, диапазон на топене 200-250 ℃, широк прозорец за обработка за лесен контрол.

Коефициент на линейно разширение: 7-10 × 10⁻⁵/℃, по-нисък от Специалист по икономически въпроси (15-20 × 10⁻⁵/℃) и ПП (10-15 × 10⁻⁵/℃), с отлична размерна стабилност.

Термична стабилност: температура на разлагане 270 ℃, не се разгражда лесно по време на обработка, не е необходимо добавяне на голямо количество термичен стабилизатор като ПВЦ.

Химична и атмосферна устойчивост: Селективни характеристики на толерантност

Химична устойчивост: устойчив на вода, разредени киселини, разредени основи и алкохоли, чувствителен към силни разтворители като кетони, естери и ароматни въглеводороди (може да набъбва), подходящ за изработка на компоненти, които не влизат в контакт със силни разтворители.

Устойчивост на атмосферни влияния: склонни към пожълтяване при естествено стареене (окисление на двойна връзка на бутадиен), немодифицираните продукти имат експлоатационен живот на открито по-малък от 1 година и може да бъде удължен до повече от 5 години с добавяне на устойчиви на атмосферни влияния добавки.

Устойчивост на влага: Степен на водопоглъщане от 0,2% -0,4% (24 часа, 23 ℃), вариация на размера <0,1% във влажна среда, подходящ за мокри среди като бани.

Производителност на обработка: отлична адаптивност към формоване

Скорост на течливост на стопилката (МФР): 1-40g/10min (220 ℃/10kg), която може да се регулира, за да отговаря на различни изисквания за обработка чрез регулиране на молекулното тегло.

Степен на свиване при формоване: 0,4% -0,8%, висока точност на размерите, подходяща за прецизни компоненти.

Метод на обработка: съвместим с различни процеси като шприцване, екструдиране, вакуумно формоване, формоване чрез раздуване и др., с кратък цикъл на шприцване (10-60 секунди) и висока производствена ефективност.

4. Система за класификация и избор на марка

ABS суровините образуват богата продуктова система чрез регулиране на съотношенията на мономерите, молекулните тегла и методите за модификация, които могат да бъдат разделени на множество категории въз основа на фокуса върху производителността и сценариите на приложение, осигурявайки прецизни решения за различни нужди.

Класифицирани по основни характеристики

ABS с общ клас: акрилонитрил 25%, бутадиен 20%, стирен 55%, балансиращи механични свойства и обработваемост, МФР 5-15g/10min. Използва се за корпуси на домакински уреди, играчки и др., представлявайки над 60% от общото производство.

Високоустойчив на удар ABS: със съдържание на бутадиен от 25% -30%, ударна якост от 25-40kJ/m² и отлична нискотемпературна жилавост, той се използва за удароустойчиви компоненти като автомобилни брони и куфари.

ABS с висок клас течливост: МФР 20-40g/10min, ниско молекулно тегло, подходящ за тънкостенно шприцоване (като например калъфи за мобилни телефони, дебелина на стената <1mm), скоростта на пълнене е с 30% по-бърза от общата.

Топлоустойчив ABS: Чрез увеличаване на съдържанието на акрилонитрил или въвеждане на алфа метилстирен, HDT може да се повиши до 100-120 ℃ и се използва за периферни устройства на автомобилни двигатели и компоненти на кафе машини.

Класифицирани по модифицирана функция

Подобрен ABS: Добавяне на 10% -40% стъклени влакна, с якост на опън 60-100MPa и модул на огъване 5000-8000MPa, използван за механични опори и прецизни зъбни колела.

Огнеупорен ABS: достига ниво UL94 V0 (0,8 мм), кислороден индекс 28, използва се за корпуси на електронни устройства (като принтери, рутери), разделен на две категории: бромиран (евтин) и безхалогенен (екологичен).

Устойчив на атмосферни влияния ABS: Добавен Ултравиолетово абсорбатор и HALS стабилизатор на светлината, QUV стареене за 1000 часа с цветова разлика Δ E<3, използва се за автомобилно външно и външно осветление.

ABS за галванично покритие: Размер на частиците от каучуковата фаза 0,1-0,3 μm, адхезия при галванично покритие 5N/см, използва се за обков за баня и автомобилни декоративни ленти.

Класифицирани по област на приложение

Специализирани материали, оптимизирани за специфични нужди на индустрията:

Специфичен за автомобили ABS: устойчив предимно на атмосферни влияния и удари, отговарящ на изискванията за ЛОС (летливи органични съединения) <500 μg/g и ниво на миризма <3.

ABS, специфичен за домакински уреди: Високо гланцов клас (glossines>90GU), главно клас, забавящ горенето, може да се формова директно без боядисване.

3C специфичен ABS: отлична размерна стабилност, контрол на толеранса от ± 0,05 мм, подходящ за прецизен монтаж.

ABS, подходящ за контакт с храни: съвместим с FDA 21CFR 177.1040 и Великобритания 4806.6, с остатъци от бисфенол А <0.05mg/kg, използва се за бутилки за вода и прибори за хранене.

5. Области на приложение и пазарно разпределение

ABS суровините, с техните всеобхватни предимства като балансирана производителност и контролируема цена, заемат около 10% от световния пазар на пластмаси и показват разнообразни области на приложение, сред които автомобилите, домакинските уреди и 3C са трите основни пазара.

Автомобилна индустрия: Лека и функционална интеграция

Всеки автомобил използва 5-15 кг ABS, а основните му приложения включват:

Интериорни части: табло (устойчив на атмосферни влияния ABS), панели на вратите (подсилен ABS), кутия за подлакътници (универсален ABS), подобрена текстура чрез боядисване или облепване.

Външни компоненти: корпус на огледалото за обратно виждане (устойчив на атмосферни влияния ABS), дръжка на вратата (галванизиран ABS), броня (ултраздрав ABS), изисквани да издържат на температурни цикли от -40 ℃ до 80 ℃.

Функционални компоненти: вентилационен отвор за климатик (термоустойчив ABS), конектор за окабеляване (огнеупорен ABS), отговарящи на изискванията за точност на сглобяване и експлоатационен живот.

Популяризирането на превозни средства с нова енергия допълнително стимулира търсенето на ABS. Корпусът на батерията е изработен от ABS/компютър сплав, която съчетава изолация, огнеустойчивост и лекота, намалявайки теглото с повече от 30% в сравнение с металните корпуси.

Домакински уреди и потребителска електроника: Балансиране на външния вид и производителността

Големи домакински уреди: облицовка на хладилник (универсален ABS), контролен панел за пералня (огнеупорен ABS), корпус на телевизор (високогланцов ABS), представляващи 20% -30% от употребата на пластмаса в домакинските уреди.

Малки уреди: корпус на прахосмукачка (високоустойчив ABS), компоненти на кафемашина (термоустойчив ABS), въртяща се чиния за микровълнова фурна (ABS за хранителни цели), с акцент върху температурната устойчивост и безопасността.

3C продукти: рамка за мобилен телефон (ABS/компютър сплав), корпус за лаптоп (подсилен ABS), корпус за принтер (огнеупорен ABS), с необходимата точност на размерите от ± 0,05 мм и устойчивост на падане от 1,5 м.

Ежедневни потребности и играчки: комбинация от безопасност и издръжливост

Индустрия на играчките: тухличките ЛЕГО, колите с дистанционно управление и др. използват високоустойчив ABS, който може да издържи на многократни удари и снаждане и отговаря на стандартите ЕН 71-3 (безопасност на играчките).

Ежедневни потребности: корпус на куфар за багаж (подсилен ABS), рамка на куфарче (устойчив на удар ABS), аксесоари за баня (водоустойчив ABS), баланс между лекота и издръжливост.

Офис консумативи: зъбни колела за принтери (износоустойчив ABS), папки (универсален ABS), корпуси за клавиатури (огнеупорен ABS), със стабилно търсене.

Архитектура и индустрия: Структурни и атмосферни изисквания

В областта на архитектурата, тръбопроводните конектори (химически устойчив ABS), декоративните линии (галванизиран ABS) и осветителните корпуси (устойчив на атмосферни влияния ABS) представляват приблизително 5% от общото потребление.

В индустриалната област, корпусите за инструменти (високоустойчив на удар ABS), корпусите за инструменти (огнеупорен ABS) и малките механични компоненти (подсилен ABS) могат да заменят някои метали, за да се постигне намаляване на теглото.

6. Екологични предизвикателства и устойчиво развитие

Устойчивото развитие на суровините от ABS е изправено пред две основни предизвикателства: рециклиране и въздействие върху околната среда. През последните години, чрез технологични иновации и политически насоки, постепенно се създаде система за зелено развитие.

Напредък в технологиите за рециклиране и оползотворяване

Физическо рециклиране: Отпадъчните ABS продукти могат да бъдат сортирани, почистени, натрошени и гранулирани, за да се получи рециклиран ABS със степен на запазване на производителността от 70% -90%. Те се използват за нискобюджетни продукти като кофи за боклук и пластмасови табуретки, с глобален процент на физическо рециклиране от приблизително 20% -25%.

Химично рециклиране: ABS се разлага на мономери като стирен и акрилонитрил чрез пиролиза (400-600 ℃), с чистота над 99%, които могат да бъдат използвани повторно за полимеризация. Степента на възстановяване в затворен цикъл е около 5%, а цената е с 30%-50% по-висока от физическото рециклиране, но качеството е близко до това на суровините.

Биоразградима модификация: Чрез смесване на биоразградими компоненти като ПБАТ (полибутилен адипат терефталат), ABS продуктите могат да се разградят при условия на компостиране в продължение на 6-12 месеца, което ги прави подходящи за продукти за еднократна употреба.

Зелени суровини и чисто производство

Биобазиран ABS: Използвайки биобазиран стирен (от ферментация на биомаса) и биобазиран бутадиен (от преобразуване на нишесте), въглеродният отпечатък е намален с повече от 40% в сравнение с традиционните продукти и в момента е в етап на търговска демонстрация.

Процес на опазване на околната среда: В сравнение с метода на лосион, технологията за непрекъсната полимеризация в насипно състояние намалява използването на органични разтворители с повече от 90% и намалява изхвърлянето на отпадъчни води с 50%, което се е превърнало в предпочитан процес за нови инсталации.

Забавители на горенето без халогени: Забавителите на горене на основата на фосфор и азот постепенно заместват тези на основата на бром, намалявайки емисиите на диоксини и спазвайки разпоредбите на ЕС относно ограничението на опасните вещества (RoHS (Директива за ограничение на опасните вещества)) и REACH.

Бъдещи тенденции в развитието

Висока производителност: Разработване на ултраздрав ABS (якост на удар 50kJ/m²) и устойчив на висока температура ABS (HDT 130 ℃), които да заменят някои инженерни пластмаси.

Интеграция на функции: Антибактериалният ABS (с добавени сребърни йони), самовъзстановяващият се ABS (микрокапсулна технология) и интелигентният реагиращ ABS (чувствителен към температура/фоточувствителен) са навлезли в етапа на приложение.

Кръгова икономика: До 2030 г. глобалната цел за рециклиране на ABS ще бъде увеличена до 50%, като химическото рециклиране ще представлява 20%, а биосуровините - над 10%.

Като модел на тройна съполимеризационна технология, процесът на разработване на ABS суровини е свидетел на пробива на полимерните материали от единични към комплексни характеристики. От проектиране на молекулярна структура до индустриално приложение, от основни видове до функционална модификация, ABS винаги приема баланса си като основна конкурентоспособност, изграждайки мост между производителността на общите пластмаси и инженерните пластмаси. С насърчаването на зеленото производство и кръговата икономика, ABS ще продължи да разширява границите на приложението си чрез технологични иновации и да поддържа основната си позиция като материал в устойчивото развитие.