更纯的ABS,更好的部件质量

作者:本刊编译(原文来自Trinseo) 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-05-04
采用本体聚合工艺制备的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)有一系列的优势,如更白、更纯以及更容易且更低成本的加工,这些优势使这种材料成为了一种高价值的工程树脂。

ABS的应用已经有相当长的时间了,这是有理由的。这类材料耐用、坚韧且相对便宜,适合多种加工工艺,包括注塑、挤出和3D打印,尤其适用于热成型。采用ABS生产的产品可以保留材料本身的天然色,也能使用颜色添加剂,这使得该材料适用于各种不透明的应用,同时也是ABS一直在玩具、设备外壳和汽车零部件等各种产品中广受欢迎的原因。

不过,许多塑料制品加工商可能不知道的是,ABS并不都是相同的。采用本体聚合(mass polymerization)工艺制备的ABS常被认为是更高品级的工程树脂。除了一如既往的低生产成本特点外,这种差异能为注塑、挤出或热成型的部件带来更多性能方面的优势,具体包括:卓越的色彩稳定性;更白的基色;更纯,所含的残留单体、凝胶和VOC(挥发性有机化合物)更少;优异的批次一致性;更宽的加工窗口。

由于这些增强的性能,本体聚合ABS(mABS)广泛用于汽车、医疗设备、消费电子产品以及高端挤出和热成型应用中,如要求高性能和美观度的罩壳等。

乳液聚合与本体聚合

传统的制备ABS的乳液聚合(Emulsion Polymerization)方法(如图1所示)是一种多步的间歇式反应工艺。所获得的材料(eABS)在不同批次之间有比较明显的变化。更重要的是,乳液工艺需要使用几种添加剂,如乳化剂和盐,而来自添加剂的杂质通常会以可检测出的含量存在于成品材料中,造成树脂呈现一种微黄的色调。

图1 传统的制备ABS的乳液聚合方法示意图
1 制备ABS的乳液聚合方法是一种需要乳化剂和盐的间歇反应工艺,这些杂质会以能检测到的含量保留在ABS

而采用本体聚合,树脂是通过单一、连续的工艺生产而出,使用很少量的添加剂,所得产品质量更稳定、更纯,颜色也更淡。与间歇式工艺相比,本体聚合所得的ABS批次之间变化更小。

这种差异也体现在Trinseo公司的MAGNUM™ ABS产品线中,这些产品是陶氏化学公司以前的业务。采用本体聚合工艺(如图2所示)生产的MAGNUM™ ABS树脂拥有更好的颜色稳定性、热稳定性,是一种更纯的ABS树脂。  

图2 采用本体聚合工艺制备ABS示意图
图2 本体聚合是一种使用很少量添加剂的连续工艺,从而能生产出清洁的纯ABS材料,拥有更高的一致性

本体聚合与乳液聚合的形态

图3所示的形态是SAN(苯乙烯-丙烯腈共聚物)基体聚合过程中橡胶颗粒原位形成的结果。其中的浅灰色背景是SAN基体聚合物,暗灰色球形颗粒是橡胶颗粒。更暗的颜色是染色(一个试样预处理过程)后获得的结果。这种染色过程特别适用于橡胶中存在的碳-碳双共价键。

在mABS中,橡胶颗粒较大并含有SAN链段,因此MAGNUM™ ABS橡胶颗粒的特点是橡胶效率高,这使它对橡胶降解不敏感。

而eABS中的橡胶颗粒较小且致密,因为它们实质上是在一个与SAN基体聚合分开的过程(橡胶胶乳和GRC生产)中产生的。这允许更大程度地控制橡胶颗粒的尺寸,为生产更小的颗粒(有利于实现更高的光泽度)带来了可能性。

图3 本体聚合(左)与乳液聚合(右)所得ABS的微观形态。其中,mABS橡胶颗粒大,eABS橡胶颗粒小且致密
3 本体聚合(左)与乳液聚合(右)所得ABS的微观形态

用更少的颜料获得更亮的颜色

MAGNUM™ ABS处于自然状态时,最引人注目的特征就是它非常白(如图4所示)。由于杂质较少,该材料要比传统ABS更亮,且白色的保持时间更久,即使经过多次再研磨也是如此。当然,你也可以添加增白剂来提升传统ABS的明亮度,但在不使用任何添加剂的情况下,就无法达到MAGNUM™所拥有的白度。

这种低基色使加工商使用较少的颜料就可以获得丰富的色彩(如图5所示),特别是更明亮的颜色,这为塑料加工商带来了显著的成本节省。另外,这个特点也让色母粒的使用变得简单并具成本效益,从而有助于生产不同颜色的小批量产品。另外,采用自着色还避免了加工商对多种不同的颜色进行管理。

图4 MAGNUM™ ABS处于自然状态时,最引人注目的特征就是它非常白
4 与传统的ABS相比,采用本体聚合制备的MAGNUM™ ABS更白、更亮

图5 MAGNUM™的低基色使加工商使用较少的颜料就可以获得丰富的色彩,特别是更明亮的颜色,这为塑料加工商带来了显著的成本节省
5 mABS的低基色使得加工商使用较少的颜料就可以获得丰富的色彩

用更纯的树脂制造更好的部件

残留物是乳液聚合的一个主要缺陷,导致了成品ABS中含有可检测到的杂质、VOC和凝胶,它们会对下游工艺以及最终产品造成负面影响。而本体聚合在此方面优势显著。如图6所示,与eABS相比,mABS的VOC明显更低。

残留物和杂质可能加剧注塑部件的老化速度,使它们很快失去颜色和表面光洁度。不仅如此,较高含量的VOC会导致产品无法满足监管要求,在挤出过程中产生旋转残留物,并加重成品部件的气味,而加工这些部件的地方其味道就更不用说了。因此,VOC含量较低的纯ABS产品对操作人员和终端用户造成的气味滋扰也较少。

此外,VOC含量较低的纯ABS更有利于在挤出纯净、清洁的表面,从而改善层压、胶合或涂覆过程中的粘合性能。对于弯曲操作,更高的分子量、对于橡胶段更有效的利用以及更有效的着色,可以减少所谓的“应力发白“,并为实现更小的弯曲半径创造条件。

图6 与eABS相比,mABS拥有更低的VOC
6 MAGNUM™ ABSeABSVOC对比

低凝胶

凝胶,也称为“未熔融体”,易引起部件的表面质量问题,特别是在片材挤出中。凝胶粒子在挤出过程中不熔融,会造成产品表面不规整。在相对较厚的片材中,这些不规整可能不明显,但在二次加工(如热成型)中,这些缺陷就会显现出来。如果非常靠近片材表面,或者是在共挤出高光泽丙烯酸树脂盖层的情况下,这些缺陷会更明显。

在挤出或热成型后产生明显的缺陷,是影响ABS材料在汽车内饰或者家具(需要将挤出薄膜直接层压/粘合到木板上)中应用的一个主要问题。

很多挤出片材和薄膜中包含了几层通过共挤出施加的ABS层,这些层可能薄至30μm。而图7中所示证明,共挤出层中存在的凝胶要比芯层中的凝胶更明显可见。

由于本体聚合过程没有引入很多的污染物,因此MAGNUM™ ABS产生的这类问题较少(如图8所示)。更纯的ABS还可以降低物质从塑料中迁移的可能性,这在敏感应用中尤为关键,如医疗设备。

图7 共挤出层中存在的凝胶要比芯层中的凝胶更明显可见
7 右侧的图片显示了凝胶如何导致表面缺陷(片材表面的俯视图),横截面显微镜图片显示了凝胶的位置和大小

图8 与传统的ABS相比,MAGNUM™ ABS与凝胶含量明显更少
8 MAGNUM™ ABS与传统的额ABS的凝胶含量对比

提高过程中的稳定性

本体聚合的另一个好处是它制备的材料热稳定性更高(如图9所示)。例如,MAGNUM™可以在250℃以上的温度条件下加工,结合其低熔融温度,提供了非常宽的加工窗口。良好的热稳定性也减少了色移,这对于在不同设备上生产相同部件的注塑车间而言是很重要的。

另外,该材料随时间的推移而出现的性能变化也较少。所有的ABS树脂在太阳光照射下都会变黄,但有些ABS类型变黄的程度较小,因此只需要较少的紫外线吸收剂,节省了成本。

与eABS相比,MAGNUM™热塑性材料具有改进的抗紫外线性能,只需要较少的抗紫外线添加剂即可稳定地注塑、挤出和热成型部件。在加速的QUV-A耐候性试验中,该材料的老化速率比传统ABS慢50%(如图10所示)。这意味着部件能更长久地保持其颜色和表面外观,这对于要曝露在阳光下的材料是至关重要的。

图9 与eABS相比,MAGNUM™拥有更好的耐热性,经过多次再挤出过程后,黄色变化明显更少
9 通过多次再挤出过程后,eABS的黄色变化要比MAGNUM™更显著。这证明了MAGNUM™拥有更高的耐热性

图10 MAGNUM™ ABS和eABS的耐候性对比
10 MAGNUM™ ABSeABS在加速的QUV-A耐候性试验中的ΔE值变化。ΔE是总的颜色变化(与测试前原始颜色相比)的数值。eABS的颜色老化速度是MAGNUM™ ABS的两倍。这意味着,室内曝露条件下, MAGNUM™ABS需要的紫外线吸收剂只有eABS的一半(理论上)

优化ABS用于镶边

MAGNUM™ ABS树脂还具有出色的性能平衡性,如韧性、可挤出性和表面美观性,这些都是家具行业严格要求的标准。加之ABS适用于不透明的应用,因此成为了镶边加工的理想选择。

不仅如此,MAGNUM™ ABS树脂还拥有镶边所要求的关键性能——耐久性、抗冲击性、耐污性和防潮性。另外,这些树脂不含氯化阻燃添加剂,所以在整个材料的生命周期中(包括焚烧)都是环境友好的。

这些树脂的材料配方拥有低且一致的基色,加工后的颜色稳定性也很高,这方便了镶边生产商轻松调色。该优势对于通常以小批量生产数百种颜色和压花组合的生产商来说是非常重要的。
镶边需要经过一道挤出工艺,在发送给最终产品用户之前完成层压。

通向市场之路

ABS的挤出应用主要包括两部分(如图11所示):片材、型材与镶边(包括宽边与窄边)。在片材应用中,Trinseo发现用于家具(如高光泽的厨房家具板)、车辆外饰件、卫生洁具(淋浴盆或浴缸)、行李箱和门的ABS/PMMA共挤片材,大多数需要经过热成型。但家具的镶边和白色家电用型材是通过单挤出ABS制成的。大约90%的挤出片材要经过热成型。

因此,在很多情况下,片材挤出加工商不是直接将产品提供给品牌所有者,而是交给热成型商。从颗粒到最终产品需要经历了两个截然不同的过程,第一个初级过程是片材挤出,第二个过程是热成型。具体过程如图12所示。

图12 在很多情况下,ABS片材挤加工商不是直接将产品提供给品牌所有者,而是交给热成型商。从颗粒到最终产品需要经历了两个截然不同的过程,第一个初级过程是片材挤出,第二个过程是热成型
11 ABS挤出应用实例

更纯的ABS,更好的部件质量12.jpg
12 ABS走向市场之路

总结

采用本体聚合技术制备的ABS具有显著的优势,肯定是一个受欢迎的选择,但并非在每种情况下,它都是理想选择。例如,eABS在电镀应用中表现更好。虽然MAGNUM™ ABS可以提供各种光泽度的产品,但对于要求最高光泽度的应用,选择eABS会从中受益。

另一方面,MAGNUM™ ABS拥有较低的基色且一致性更好,而eABS以较小的间歇性方式生产,批次之间会有一些变化。但是,如果你需要更小的批次订制材料,也可以考虑选择eABS。

0
-1
收藏
相关文章
/
正在提交,请稍候…