ABS (akrylonitrilbutadiénstyrén)

ABS (akrylonitril-butadién-styrén) je termoplastický technický plast vyrobený ternárnou kopolymerizáciou. Od svojej industrializácie v 50. rokoch 20. storočia sa stal jedným z najvyváženejších polymérnych materiálov z hľadiska komplexného výkonu vďaka chemickej odolnosti akrylonitrilu, húževnatosti butadiénu a ľahkému spracovaniu styrénu. Od palubných dosiek automobilov až po kryty domácich spotrebičov, od stavebných kociek hračiek až po elektronické súčiastky, ABS prenikol do rôznych oblastí priemyselnej výroby a každodenného života vďaka svojim vynikajúcim mechanickým vlastnostiam, tvárnosti a cenovým výhodám a stal sa jedným z najpoužívanejších druhov moderných technických plastov.

1. Molekulárna štruktúra a základné charakteristiky

Vynikajúca vlastnosť ABS spočíva v jeho jedinečnej štruktúrovanej molekulárnej konštrukcii: kontinuálna fáza sa skladá zo styrén-akrylonitrilového kopolyméru (SAN), ktorý dodáva materiálu tuhosť a tepelnú odolnosť; dispergovaná fáza tvoria častice butadiénového kaučuku, ktoré poskytujú húževnatosť a odolnosť voči nárazu; akrylonitrilové monoméry zvyšujú chemickú odolnosť a povrchovú priľnavosť materiálov prostredníctvom silných polárnych funkčných skupín. Táto trojfázová kolaboratívna štruktúra umožňuje ABS dosiahnuť dokonalú rovnováhu medzi tuhosťou a húževnatosťou.

Vyvážený výkon mechanických vlastností

Mechanické vlastnosti ABS je možné flexibilne regulovať nastavením podielu ternárnych monomérov. Pevnosť v ťahu konvenčných druhov je 30 – 50 MPa a modul ohybu je 1800 – 2800 MPa, čo nielenže zachováva lepšiu tuhosť ako PE a PP, ale tiež zabraňuje krehkosti PS. Jeho rázová húževnatosť je obzvlášť vynikajúca s vrubovou rázovou húževnatosťou 10 – 40 kJ/m² a stále si dokáže udržať viac ako 70 % rázovej húževnatosti pri teplote -40 ℃, čo je oveľa viac ako bežné technické plasty. Táto rázová húževnatosť ho robí obzvlášť vhodným na výrobu dielov vystavených nárazu, ako sú napríklad puzdrá batožiny, stavebnice hračiek atď.

Tepelný výkon a výhody spracovania

Teplota tepelnej deformácie (HDT, 1,82 MPa) ABS je 80 – 100 ℃ a teplota nepretržitého používania je 60 – 80 ℃. Hoci nie je taká vysoká ako u materiálov odolných voči vysokým teplotám, ako sú PC a PA, postačuje na splnenie potrieb bežných scenárov, ako sú domáce spotrebiče a interiéry automobilov. Jeho spracovateľský výkon možno považovať za vynikajúci, so širokým rozsahom indexu toku taveniny (MFR) (1 – 40 g/10 min), ktorý možno tvarovať rôznymi procesmi, ako je vstrekovanie plastov, extrúzia a vákuové tvarovanie. Miera zmršťovania pri tvarovaní je nízka (0,4 % – 0,8 %) a rozmerová presnosť je vysoká, čo je vhodné na výrobu presných dielov. Počas vstrekovania plastov nie je potrebné prísne sušenie (postačuje obsah vlhkosti ≤ 0,2 %), okno spracovania je široké (200 – 250 ℃), požiadavky na zariadenie sú nízke a výrobné náklady sú len 60 % – 70 % PC.

Chémia a povrchové vlastnosti

ABS má dobrú toleranciu voči vode, anorganickým soliam, zriedeným kyselinám a zásadám, ale môže byť korodovaný silnými rozpúšťadlami, ako sú ketóny a estery. Jeho povrchová polarita je stredná, čo uľahčuje tlač, striekanie farieb a galvanické pokovovanie. Po galvanickom pokovovaní môžu výrobky z ABS dosiahnuť kovovú textúru a náklady sú oveľa nižšie ako pri kovových dieloch. Táto výhoda povrchovej úpravy ho robí vysoko účinným v oblastiach, ako sú automobilové dekoračné lišty a elektronické kryty. Okrem toho je ABS bez zápachu a netoxický (potravinárskej kvality), spĺňa normy pre kontakt s potravinami, ako sú FDA a EU 10/2011, a možno ho použiť na výrobu predmetov dennej potreby, ako sú fľaše na vodu a riad.

2. Výrobný proces a systém surovín

Výrobný proces ABS je zložitý a rozmanitý a jeho jadrom je vytvorenie stabilnej a vytvrdzovacej štruktúry gumy riadením polymerizačnej sekvencie a pomeru ternárnych monomérov. Jeho surovinový systém sa spolieha na reťazec petrochemického priemyslu a čistota a pomer kľúčových monomérov priamo určujú výkon produktu.

Zdroje surovín a vlastnosti monomérov

Tri hlavné monoméry ABS pochádzajú z petrochemického priemyslu: Akrylonitril (AN) sa vyrába amoxidáciou propylénu a má silnú polaritu a chemickú odolnosť. Jeho obsah zvyčajne tvorí 20 % – 30 %, čo určuje odolnosť proti korózii a tuhosť materiálu; butadién (BD) pochádza z krakovania nafty a poskytuje elasticitu a odolnosť proti nárazu s obsahom 15 % – 30 %. Veľkosť častíc jeho gumovej fázy (0,1 – 1 μm) je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim rázovú húževnatosť; styrén (St) sa vyrába dehydrogenáciou etylbenzénu, čím sa materiálu dodáva tekutosť a lesk s obsahom 40 % – 60 % a upravuje sa výkon spracovania. V posledných rokoch došlo k prelomu vo výskume a vývoji biostyrénu a butadiénu, čo poskytuje možnosť ekologizácie ABS.

Porovnanie bežných výrobných procesov

Priemyselná výroba ABS sa vykonáva hlavne dvoma spôsobmi: metódou miešania v objeme s lotionom (ktorá predstavuje 70 % celosvetovej produkcie) a metódou kontinuálnej polymerizácie v objeme. Metóda lotionu najprv polymerizuje butadiénový lotion za vzniku kaučukových častíc, potom sa štepením kopolymerizuje so styrénom a akrylonitrilom za vzniku štepeného latexu a nakoniec sa roztaví a zmieša so SAN živicou (styrén-akrylonitrilový kopolymér). Tento proces umožňuje presne kontrolovať veľkosť častíc kaučuku, čo vedie k vysokej rázovej húževnatosti produktu, ale proces je zdĺhavý a spotreba energie je vysoká. Kontinuálna polymerizácia v objeme realizuje ternárnu kopolymerizáciu prostredníctvom viacstupňového reaktora, čo je jednoduchý proces s nízkou spotrebou energie. Je vhodná na výrobu kaučuku s vysokou tekutosťou, ale rovnomernosť disperzie je o niečo nižšia ako pri metóde lotionu.

Po dokončení polymerizácie sa tavenina ABS extruduje a granuluje do granulovaných surovín a podľa potreby sa pridávajú prísady, ako sú antioxidanty, mazivá a farbivá. Medzi nimi antioxidanty môžu zabrániť tepelnej oxidačnej degradácii počas spracovania a použitia; mazivá zlepšujú tekutosť taveniny a znižujú opotrebovanie formy; farebná predzmes umožňuje základné zladenie farieb, ako je čierna a biela, a špeciálne farby vyžadujú následné spracovanie.

3. Klasifikačný systém a technológia modifikácie

ABS vytvoril bohatý produktový systém úpravou pomeru monomérov a modifikáciou technológie, ktorý dokáže splniť výkonnostné požiadavky rôznych scenárov. Hlavné klasifikačné metódy zahŕňajú rázovú húževnatosť, tekutosť a funkčné vlastnosti.

Základná klasifikácia a typické stupne

Podľa rázovej húževnatosti sa delí na univerzálny typ (rázová húževnatosť 10 – 20 kJ/m²), typ s vysokou rázovou húževnatosťou (20 – 40 kJ/m²) a typ s vysokou húževnatosťou (>h 40 kJ/m²): univerzálny typ je vhodný pre konštrukčné komponenty (ako sú kryty domácich spotrebičov), typ s vysokou rázovou húževnatosťou sa používa pre nárazuvzdorné komponenty (ako sú nárazníky automobilov) a typ s vysokou húževnatosťou môže nahradiť niektoré elastoméry (ako sú potrubia pre nízke teploty). Podľa rýchlosti toku taveniny (MFR) sa delí na typ s vysokou húževnatosťou (MFR> 20 g/10 min, vhodný pre tenkostenné diely), typ so strednou húževnatosťou (5 – 20 g/10 min, všeobecný scenár) a typ s nízkou húževnatosťou (< 5 g/10 min, hrubostenné konštrukčné diely).

Technológia modifikácie a funkčné varianty

Technológia modifikácie ABS zahŕňa najmä vystuženie, spomaľovanie horenia, odolnosť voči poveternostným vplyvom a ďalšie smery, čo výrazne rozširuje hranice jeho použitia. Pridanie 10 % – 30 % sklenených vlákien do ABS vystuženého sklenenými vláknami zvyšuje pevnosť v ťahu na 60 – 80 MPa a teplotu deformácie za tepla o 20 – 30 ℃, vďaka čomu je vhodný na výrobu vysokopevnostných konštrukčných komponentov (ako sú mechanické podpery); ABS s retardérom horenia dosahuje štandard UL94 V0 pre spomaľovače horenia pridaním brómu alebo bezhalogénových spomaľovačov horenia a používa sa na kryty elektronických zariadení (ako sú tlačiarne a smerovače); ABS odolný voči poveternostným vplyvom s pridanými UV absorbérmi a stabilizátormi svetla na báze bránených amínov odoláva vonkajšiemu UV starnutiu a používa sa na exteriér automobilov (ako sú kryty spätných zrkadiel), vonkajšie billboardy atď.

Okrem toho sa ABS môže miešať aj s inými materiálmi za vzniku zliatin, ako je napríklad zliatina ABS/PC, ktorá kombinuje jednoduchosť spracovania ABS s tepelnou odolnosťou a odolnosťou voči nárazom PC a je široko používaná v interiéroch automobilov a krytoch mobilných telefónov; zliatina ABS/PBT zvyšuje chemickú a olejovú odolnosť, vďaka čomu je vhodná na výrobu periférnych komponentov automobilových motorov.

4. Diverzifikované oblasti použitia

ABS so svojimi vlastnosťami vyváženého výkonu a kontrolovateľných nákladov zaujíma kľúčové miesto v oblasti automobilov, domácich spotrebičov, 3C, hračiek atď. a je nevyhnutným základným materiálom pre modernú výrobu.

Automobilový priemysel: Ľahká a funkčná integrácia

Použitie ABS v automobiloch zahŕňa interiérové, exteriérové a funkčné časti: interiérové časti, ako sú prístrojová doska, dverové panely a lakťové opierky, využívajú svoju jednoduchú úpravu na dosiahnutie zložitých tvarov a zvýraznenie textúry lakovaním alebo polepom; exteriérové komponenty, ako sú kryty spätných zrkadiel a kľučky dverí, sú vyrobené z ABS odolného voči poveternostným vplyvom, aby sa zabezpečilo dlhodobé vonkajšie použitie bez vyblednutia; funkčné komponenty, ako sú vetracie otvory klimatizácie a konektory káblov, zaisťujú presnosť montáže vďaka svojej rozmerovej stabilite a teplotnej odolnosti. V porovnaní s kovom môžu komponenty ABS znížiť hmotnosť o 30 % – 50 % a množstvo ABS použitého na vozidlo môže dosiahnuť 10 – 30 kg, čo z neho robí kľúčový materiál na odľahčenie automobilov.

Domáce spotrebiče a spotrebná elektronika: Vyváženie vzhľadu a výkonu

Priemysel domácich spotrebičov je najväčším trhom pre ABS, ktorý sa široko používa vo vnútorných častiach chladničiek, ovládacích paneloch práčok, krytoch televízorov atď. Jeho povrch môže dosiahnuť zrkadlový efekt vďaka vysoko lesklému vstrekovaniu alebo zlepšiť hmatový pocit vďaka textúrovanému dizajnu. V oblasti 3C sa ABS (najmä zliatina ABS/PC) používa na stredný rám mobilných telefónov a krytov notebookov, vyvažuje odolnosť proti pádu a prenos signálu (negalvanizované časti), pričom cena je len tretinová v porovnaní so zliatinou horčíka. Okrem toho sa kryt vysávača, telo tlačiarne atď. tiež spoliehajú na odolnosť voči nárazom a poškriabaniu ABS.

Denné potreby a hračky: kombinácia bezpečnosti a odolnosti

ABS sa stal preferovaným materiálom v hračkárskom priemysle vďaka svojim netoxickým vlastnostiam, odolnosti voči pádom a ľahkému farbeniu. Kocky Lego, puzdrá áut na diaľkové ovládanie a ďalšie materiály používajú vysoko odolný ABS, ktorý vydrží opakované spájanie a nárazy bez poškodenia. V každodenných potrebách využívajú kufre na batožinu a rámy kufríkov svoju pevnosť aj odolnosť na dosiahnutie nízkej hmotnosti a odolnosti. Kúpeľňové doplnky, ako sú dýzy na mydlo a úložné stojany, využívajú svoju vodeodolnosť a jednoduché čistenie, aby zabránili rastu plesní počas dlhodobého používania.

Priemyselné a zdravotnícke pomôcky: Zabezpečenie konštrukcie a bezpečnosti

V priemyselnej oblasti majú rúry, ventily a kryty prístrojov vyrobené z ABS chemickú odolnosť a rozmerovú stabilitu, ktoré spĺňajú požiadavky všeobecných pracovných podmienok. V zdravotníckych pomôckach sa ABS používa na bezkontaktné komponenty, ako sú infúzne stojany a podnosy na prístroje, a jeho povrch sa dá dezinfikovať a ľahko sa nepraská. V stavebníctve sa rúry ABS používajú na domáce rozvody a kanalizačné potrubia vďaka svojej odolnosti voči nárazu a jednoduchému pripojeniu, zvlášť vhodné pre oblasti s nízkymi teplotami.

5. Trendy v ochrane a rozvoji životného prostredia

Ekologická šetrnosť ABS sa neustále zlepšuje s rozvojom recyklačných technológií a zelených surovín, zatiaľ čo priemysel podporuje vysoko výkonné a funkčné inovácie s cieľom upevniť si svoju kľúčovú pozíciu ako technického plastu.

Recyklácia a obehové hospodárstvo

Technológia fyzikálnej recyklácie ABS je vyspelá. Po triedení, čistení, drvení a roztavení granulátu sa odpadové produkty ABS môžu použiť na výrobu nízkokvalitných produktov (ako sú odpadkové koše a plastové stoličky). Pomer miešania recyklovaných materiálov môže dosiahnuť 30 % – 50 % bez výrazného ovplyvnenia výkonu. Chemická recyklácia rozkladá ABS na monoméry, ako je styrén, prostredníctvom pyrolýzy, ktoré sa opätovne používajú na polymerizáciu, aby sa dosiahla uzavretá cirkulácia. V súčasnosti táto technológia vstúpila do štádia priemyselnej demonštrácie v Európe. Globálna miera recyklácie ABS je približne 25 % – 30 % a Európska únia plánuje do roku 2030 zvýšiť mieru recyklácie na viac ako 50 % prostredníctvom stratégie pre plasty d".

Zelené suroviny a čistá výroba

Vo výskume a vývoji bioplastu ABS sa dosiahol prelom, ktorý využíva biostyrén (z fermentácie biomasy) a biobutadién (z fermentácie škrobu) na výrobu ABS, čím sa znižuje uhlíková stopa o viac ako 40 % v porovnaní s tradičnými produktmi. Niekoľko spoločností uviedlo na trh komerčné vzorky. Pokiaľ ide o výrobný proces, technológia kontinuálnej polymerizácie v objeme znižuje spotrebu energie o 20 % v porovnaní s lotionovou metódou a nevypúšťa odpadové vody, čím postupne nahrádza tradičný proces.

Smer technologických inovácií

V budúcnosti sa ABS bude vyvíjať smerom k vysokému výkonu a funkčnej integrácii: presnou kontrolou veľkosti častíc a distribúcie gumových fáz bude vyvinutý ultra odolný ABS s rázovou húževnatosťou vyššou ako 50 kJ/m², ktorý nahradí niektoré elastoméry; použitím nanokompozitnej technológie (ako je pridanie uhlíkových nanorúrok) na zabezpečenie vodivosti a tepelnej vodivosti ABS na použitie v 5G zariadeniach a komponentoch na odvod tepla; vývojom ekologického ABS s nízkym zápachom a nízkym obsahom prchavých organických zlúčenín, ktorý spĺňa prísne požiadavky na zápach v interiéroch automobilov (napríklad ≤ úroveň 3). Okrem toho sa vďaka vysokej presnosti tvarovania a malej deformácii rýchlo rozširuje použitie ABS drôtu pre 3D tlač v oblasti personalizovanej výroby.

ABS, ako klasický ternárny kopolymér, možno považovať za model kolaboratívneho návrhu polymérnych materiálov v procese jeho vývoja. Doplnením výhod troch monomérov dosahuje ABS dokonalú rovnováhu medzi pevnosťou, húževnatosťou a spracovateľnosťou, čím podporuje potreby moderného výrobného priemyslu z hľadiska nízkej hmotnosti a funkčnosti. S podporou obehového hospodárstva a rozvojom zelených technológií bude ABS ďalej znižovať svoju environmentálnu stopu a zároveň si zachovať svoje výkonnostné výhody a naďalej zohrávať vedúcu úlohu v oblasti technických plastov.