АБС (акрилонитрилбутадиенстирол)

АБС (акрилонитрилбутадиенстирол) — термопластичный конструкционный пластик, получаемый методом тройной сополимеризации. С момента начала его промышленного производства в 1950-х годах он стал одним из наиболее сбалансированных полимерных материалов с точки зрения комплексных эксплуатационных характеристик благодаря химической стойкости акрилонитрила, прочности бутадиена и простоте переработки стирола. От приборных панелей автомобилей до корпусов бытовой техники, от игрушечных конструкторов до электронных компонентов, АБС проник в различные области промышленного производства и повседневной жизни благодаря своим превосходным механическим свойствам, формуемости и экономичности, став одним из наиболее широко используемых видов современных конструкционных пластиков.

1. Молекулярная структура и основные характеристики

Превосходство АБС-пластика заключается в его уникальной островной структуре: непрерывная фаза состоит из сополимера стирола и акрилонитрила (САН), который придает материалу жесткость и термостойкость; дисперсная фаза – из частиц бутадиенового каучука, обеспечивающих прочность и ударопрочность; мономеры акрилонитрила повышают химическую стойкость и поверхностную адгезию материалов благодаря сильным полярным функциональным группам. Эта трехфазная структура позволяет АБС-пластику достичь идеального баланса между жесткостью и прочностью.

Сбалансированные показатели механических свойств

Механические свойства АБС-пластика можно гибко регулировать, регулируя долю тройных мономеров. Прочность на разрыв обычных марок составляет 30–50 МПа, а модуль упругости при изгибе – 1800–2800 МПа, что обеспечивает не только большую жёсткость, чем у ПЭ и ПП, но и позволяет избежать хрупкости, свойственной ПС. Его ударная вязкость особенно выдающаяся: ударная вязкость с надрезом составляет 10–40 кДж/м², а ударная вязкость при температуре -40 ℃ составляет более 70%, что значительно выше, чем у обычных инженерных пластиков. Благодаря своей ударопрочности он особенно подходит для изготовления деталей, подверженных ударным нагрузкам, таких как чехлы для чемоданов, строительные блоки для игрушек и т. д.

Тепловые характеристики и преимущества обработки

Температура тепловой деформации (HDT, 1,82 МПа) АБС составляет 80-100 ℃, а температура непрерывного использования 60-80 ℃. Хотя она не так высока, как у материалов, устойчивых к высоким температурам, таких как ПК и ПА, ее достаточно для удовлетворения потребностей обычных сценариев, таких как бытовая техника и салоны автомобилей. Его производительность переработки можно считать превосходной, с широким диапазоном скорости течения расплава (МФР) (1-40 г/10 мин), что позволяет формовать его различными процессами, такими как литье под давлением, экструзия и вакуумное формование. Скорость усадки при формовании низкая (0,4% -0,8%), а точность размеров высокая, что подходит для производства прецизионных деталей. Во время литья под давлением не требуется строгая сушка (содержание влаги ≤ 0,2% достаточно), окно обработки широкое (200-250 ℃), требования к оборудованию низкие, а себестоимость производства составляет всего 60% -70% от ПК.

Химия и поверхностные свойства

АБС обладает хорошей устойчивостью к воде, неорганическим солям, разбавленным кислотам и основаниям, но может подвергаться коррозии под воздействием сильных растворителей, таких как кетоны и сложные эфиры. Его поверхностная полярность умеренная, что позволяет легко печатать, окрашивать распылением и наносить гальваническое покрытие. После гальванического покрытия изделия из АБС могут приобретать металлическую текстуру, а их стоимость значительно ниже, чем у металлических деталей. Это преимущество обработки поверхности делает его высокоэффективным в таких областях, как производство автомобильных декоративных полос и корпусов электронных устройств. Кроме того, АБС не имеет запаха и нетоксичен (пищевой класс), соответствует стандартам FDA и Евросоюз 10/2011, и может использоваться для изготовления предметов повседневного спроса, таких как бутылки для воды и столовые приборы.

2. Производственный процесс и сырьевая система

Процесс производства АБС-пластика сложен и разнообразен, и его суть заключается в создании стабильной, прочной структуры резины путем контроля последовательности полимеризации и соотношения тройных мономеров. Система его сырья основана на цепочке нефтехимической промышленности, а чистота и соотношение ключевых мономеров напрямую определяют эксплуатационные характеристики продукта.

Источники сырья и характеристики мономеров

Три основных мономера АБС поступают из нефтехимической промышленности: акрилонитрил (АН) производится путем аммоксидирования пропилена и обладает сильной полярностью и химической стойкостью. Его содержание обычно составляет 20% -30%, что определяет коррозионную стойкость и жесткость материала; бутадиен (БД) производится путем крекинга нафты, обеспечивая эластичность и ударопрочность, с содержанием 15% -30%. Размер частиц его каучуковой фазы (0,1-1 мкм) является ключевым фактором, влияющим на ударную вязкость; стирол (Ст) производится путем дегидрирования этилбензола, придавая материалу текучесть и блеск, с содержанием 40% -60%, и регулируя производительность переработки. В последние годы были достигнуты прорывы в исследованиях и разработках стирола и бутадиена на биологической основе, что обеспечивает возможность экологичности АБС.

Сравнение основных производственных процессов

Промышленное производство АБС в основном осуществляется двумя процессами: методом лосьонной прививки, смешиванием в массе (на который приходится 70% мирового производства) и методом непрерывной полимеризации в массе. Метод лосьонной прививки сначала полимеризует бутадиеновый лосьон для формирования частиц каучука, затем проводит привитую сополимеризацию со стиролом и акрилонитрилом для получения привитого латекса и, наконец, плавит и смешивает со смолой САН (сополимер стирола и акрилонитрила). Этот процесс позволяет точно контролировать размер частиц каучука, что приводит к высокой ударной прочности продукта, но процесс длительный и потребляет много энергии. Непрерывная полимеризация в массе реализует тройную сополимеризацию через многоступенчатый реактор, что просто в процессе и с низким потреблением энергии. Он подходит для производства сортов с высокой текучестью, но однородность дисперсии каучука немного уступает методу лосьонной прививки.

После завершения полимеризации расплав АБС-пластика экструдируется и гранулируется в гранулированное сырье, а при необходимости добавляются такие добавки, как антиоксиданты, смазочные вещества и красители. Антиоксиданты предотвращают термоокислительную деградацию в процессе переработки и эксплуатации; смазочные вещества улучшают текучесть расплава и снижают износ пресс-форм; цветной мастербатч обеспечивает базовый подбор цветов, например, чёрного и белого, а специальные цвета требуют последующей обработки.

3. Система классификации и технология модификации

Благодаря регулированию соотношения мономеров и модифицированию технологий компания АБС создала богатую линейку продуктов, отвечающую эксплуатационным требованиям в различных условиях. Основные критерии классификации включают ударную вязкость, текучесть и функциональные характеристики.

Базовая классификация и типичные сорта

По ударной вязкости его можно разделить на универсальный класс (ударная вязкость 10-20 кДж/м²), класс с высокой ударной стойкостью (20-40 кДж/м²) и класс сверхвысокой вязкости (ссшшш40 кДж/м²): универсальный класс подходит для конструкционных компонентов (например, корпусов бытовой техники), класс с высокой ударной стойкостью используется для ударопрочных компонентов (например, автомобильных бамперов), а класс сверхвысокой вязкости может заменить некоторые эластомеры (например, низкотемпературные трубопроводы). По скорости течения расплава (МФР) он делится на стадию высокой текучести (MFR>20 г/10 мин, подходит для тонкостенных деталей), стадию средней текучести (5-20 г/10 мин, общий сценарий) и стадию низкой текучести (<5 г/10 мин, толстостенные конструкционные детали).

Технология модификации и функциональные разновидности

Технология модификации АБС-пластика (АБС) включает в себя, главным образом, армирование, огнестойкость, атмосферостойкость и другие направления, что значительно расширяет границы его применения. Добавление 10–30% стекловолокна к армированному стекловолокном АБС-пластику увеличивает прочность на разрыв до 60–80 МПа и температуру горячей деформации на 20–30 °C, что делает его пригодным для производства высокопрочных конструкционных компонентов (например, механических опор). Огнестойкий АБС-пластик соответствует стандарту огнестойкости УЛ94 V0 благодаря добавлению антипиренов без содержания брома или галогенов и используется для корпусов электронных устройств (например, принтеров и маршрутизаторов). Атмосферостойкий АБС-пластик с добавлением УФ-поглотителей и светостабилизаторов на основе затрудненных аминов может противостоять старению под воздействием ультрафиолета на открытом воздухе и используется для изготовления наружных деталей автомобилей (например, корпусов зеркал заднего вида), наружных рекламных щитов и т. д.

Кроме того, АБС можно смешивать с другими материалами для получения сплавов, например, сплава АБС/ПК, который сочетает в себе простоту обработки АБС с термостойкостью и ударопрочностью ПК и широко используется в салонах автомобилей и корпусах мобильных телефонов; сплав АБС/ПБТ повышает химическую и маслостойкость, что делает его пригодным для производства периферийных компонентов автомобильных двигателей.

4. Разнообразные области применения

АБС, обладающий такими характеристиками, как сбалансированная производительность и контролируемая стоимость, занимает центральное место в таких областях, как автомобилестроение, бытовая техника, 3C, игрушки и т. д., и является незаменимым базовым материалом для современного производства.

Автомобильная промышленность: легкая и функциональная интеграция

Применение АБС в автомобилях охватывает внутренние, внешние и функциональные детали: такие детали интерьера, как приборная панель, дверные панели и подлокотники, благодаря своей простоте обработки позволяют достигать сложных форм и улучшать текстуру с помощью покраски или оклейки; Внешние компоненты, такие как корпуса зеркал заднего вида и дверные ручки, изготовлены из АБС-пластика, устойчивого к атмосферным воздействиям, что обеспечивает длительное использование на открытом воздухе без выцветания; Функциональные компоненты, такие как дефлекторы кондиционеров и разъемы электропроводки, обеспечивают точность сборки благодаря своей размерной стабильности и термостойкости. По сравнению с металлом, компоненты из АБС-пластика позволяют снизить вес на 30–50%, а количество АБС, используемого на автомобиль, может достигать 10–30 кг, что делает его ключевым материалом для снижения веса автомобилей.

Бытовая техника и электроника: баланс между внешним видом и производительностью

Бытовая техника является крупнейшим рынком для АБС-пластика, который широко используется в производстве обшивки холодильников, панелей управления стиральными машинами, корпусов телевизоров и т.д. Благодаря литью под давлением с высоким глянцем его поверхность может приобретать зеркальный эффект, а текстурированный дизайн – усиливать тактильные ощущения. В категории 3C АБС (особенно сплав АБС/ПК) используется для изготовления средней части корпуса мобильных телефонов и ноутбуков, обеспечивая баланс между ударопрочностью и передачей сигнала (негальванизированные детали), при этом его стоимость составляет всего треть стоимости магниевого сплава. Кроме того, корпусы пылесосов, принтеров и т.д. также отличаются ударопрочностью и устойчивостью к царапинам из АБС-пластика.

Товары первой необходимости и игрушки: сочетание безопасности и долговечности

АБС стал предпочтительным материалом в производстве игрушек благодаря своей нетоксичности, ударопрочности и лёгкости окрашивания. В производстве кубиков Лего, корпусов машинок с дистанционным управлением и других материалов используется ударопрочный АБС, способный выдерживать многократное склеивание и удары без повреждений. В повседневных вещах, чемоданах и портфелях, такие характеристики, как жёсткость и прочность, обеспечивают лёгкость и долговечность; Аксессуары для ванной комнаты, такие как мыльницы и полки для хранения, водонепроницаемы и легко моются, предотвращая появление плесени при длительном использовании.

Промышленные и медицинские приборы: конструкция и обеспечение безопасности

В промышленности трубы, клапаны и корпуса приборов, изготовленные из АБС, обладают химической стойкостью и размерной стабильностью, отвечающими требованиям обычных условий эксплуатации. В медицинских приборах АБС используется для изготовления бесконтактных компонентов, таких как инфузионные стойки и лотки для инструментов. Его поверхность поддается дезинфекции и не подвержена растрескиванию. В строительстве трубы АБС используются для электропроводки и канализации в жилых домах благодаря своей ударопрочности и простоте соединения, что особенно важно для эксплуатации в условиях низких температур.

5. Тенденции охраны окружающей среды и развития

Экологичность АБС-пластика продолжает повышаться благодаря развитию технологий переработки и использования экологически чистого сырья, в то время как отрасль продвигает высокопроизводительные и функциональные инновации для укрепления своих основных позиций в качестве конструкционного пластика.

Переработка и циклическая экономика

Технология физической переработки АБС-пластика (АБС) является отработанной. После сортировки, очистки, дробления и плавления, отходы АБС-пластика могут быть использованы для производства низкосортной продукции (например, мусорных баков и пластиковых табуреток). Соотношение компонентов в смеси может достигать 30–50% без существенного влияния на эксплуатационные характеристики. Химическая переработка разлагает АБС-пластик на мономеры, такие как стирол, посредством пиролиза, которые затем повторно используются для полимеризации, обеспечивая замкнутый цикл переработки. В настоящее время эта технология находится на стадии промышленной демонстрации в Европе. Мировой уровень переработки АБС-пластика составляет около 25–30%, и Европейский союз планирует увеличить этот показатель до более чем 50% к 2030 году в рамках Стратегии по пластику ("PlasticStrategy).

Экологичное сырье и чистое производство

Прорыв был достигнут в исследованиях и разработках АБС на биологической основе. Для производства АБС используются биостирол (полученный в результате ферментации биомассы) и биобутадиен (полученный в результате ферментации крахмала), что позволяет сократить углеродный след более чем на 40% по сравнению с традиционными продуктами. Несколько компаний уже выпустили коммерческие образцы. Что касается производственного процесса, технология непрерывной полимеризации в массе снижает энергопотребление на 20% по сравнению с методом лосьонирования и не требует сброса сточных вод, что постепенно вытесняет традиционный процесс.

Направление технологических инноваций

В будущем АБС будет развиваться в направлении высокой производительности и функциональной интеграции: путем точного контроля размера частиц и распределения фаз каучука будет разработан сверхпрочный АБС с ударной вязкостью более 50 кДж/м², который заменит некоторые эластомеры; использование нанокомпозитных технологий (например, добавление углеродных нанотрубок) для придания АБС проводимости и теплопроводности для использования в устройствах 5G и компонентах рассеивания тепла; разработка экологически чистого АБС со слабым запахом и низким содержанием летучих органических соединений для соответствия строгим требованиям к запаху в салонах автомобилей (например, ≤ уровня 3). Кроме того, применение АБС-проволоки для 3D-печати в сфере персонализированного производства быстро растет благодаря ее высокой точности формования и малой деформации.

АБС, как классический тройной сополимер, можно рассматривать как образец совместного проектирования полимерных материалов в процессе их разработки. Объединяя преимущества трёх мономеров, АБС достигает идеального баланса между жёсткостью, прочностью и технологичностью, отвечая требованиям современного производства к лёгкости и функциональности. Благодаря продвижению циклической экономики и развитию экологичных технологий, АБС будет и дальше снижать своё воздействие на окружающую среду, сохраняя при этом свои эксплуатационные преимущества, и продолжит играть ведущую роль в производстве конструкционных пластиков.