Analisis komprehensif bahan mentah ABS: daripada struktur molekul kepada aplikasi perindustrian

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), sebagai termoplastik kopolimer ternari yang penting, telah menjadi salah satu plastik kejuruteraan tujuan am terbesar dan paling banyak digunakan di dunia sejak perindustrian oleh Syarikat Getah Amerika (kini Dow Chemical) pada tahun 1954, berkat kelebihan sinergistik tiga monomer. Keluaran tahunannya melebihi 10 juta tan, menembusi secara meluas ke dalam bidang teras ekonomi negara seperti kereta, peralatan rumah, 3C, mainan, dll. Pemahaman mendalam tentang komposisi molekul, proses pengeluaran, sistem prestasi, piawaian klasifikasi dan sempadan aplikasi bahan mentah ABS adalah sangat penting sebagai panduan untuk pemilihan bahan, pengoptimuman proses dan inovasi produk.

1、 Komposisi molekul dan ciri-ciri struktur

Kecemerlangan ABS berpunca daripada reka bentuk molekul " tiga fasa sinergistik" yang unik. Tiga monomer membentuk struktur mikro yang stabil melalui cantuman losyen atau pempolimeran pukal, meletakkan asas untuk prestasi makro.

Pembahagian peranan monomer terner

Rantaian molekul ABS terdiri daripada tiga unit struktur dalam perkadaran tertentu, masing-masing bertanggungjawab untuk fungsi utama:

Akrilonitril (AN): menyumbang 20% -30%, kumpulan cyano kuat kutub (- CN) memberikan rantai molekul dengan ketegaran dan kekutuban, meningkatkan kekuatan tegangan, kekerasan dan rintangan kimia bahan. Untuk setiap peningkatan 5% dalam kandungan, kekuatan tegangan boleh ditingkatkan sebanyak 3-5 MPa, tetapi kekuatan hentaman akan berkurangan sebanyak 10% -15%.

Butadiene (BD): menyumbang 15% -30%, wujud sebagai fasa getah, dan struktur ikatan berganda tak tepunya memberikan bahan dengan keanjalan dan rintangan hentaman. Zarah getah (diameter 0.1-1 μ m) tersebar secara seragam dalam fasa berterusan, menyerap tenaga hentaman seperti penyerap renjatan " miniatur". Lebih tinggi kandungan, lebih baik keliatan suhu rendah.

Stirena (St): menyumbang 40% -60%, memberikan kecairan pemprosesan yang baik dan kekilatan permukaan. Struktur cincin benzena meningkatkan ketegaran rantai molekul sambil mengurangkan kos bahan. Kandungan yang berlebihan boleh menyebabkan peningkatan kerapuhan dan penurunan kekuatan hentaman.

Reka bentuk " rangka tegar+anjal tersebar fasa" telah mencapai kejayaan dalam sifat mekanikal ABS, mengatasi kerapuhan PS dan mengimbangi ketegaran PE yang tidak mencukupi.

Kawalan struktur mikro dan morfologi

Struktur mikro ABS mempamerkan struktur pulau " biasa: fasa berterusan ialah kopolimer akrilonitril stirena (SAN), dengan suhu peralihan kaca (Tg) kira-kira 100 ℃; Fasa tersebar ialah zarah getah polibutadiena dengan Tg kira-kira -80 ℃, dan kedua-duanya terikat rapat melalui ikatan cantuman. Saiz zarah dan pengedaran fasa getah adalah faktor utama yang mempengaruhi prestasi:

Saiz zarah 0.1-0.5 μ m: Kekuatan hentaman tertinggi, sesuai untuk senario tahan hentaman.

Saiz zarah 0.5-1 μ m: kebolehliran yang lebih baik, mudah untuk pengacuan kompleks.

Sisihan taburan saiz zarah<20%: kestabilan prestasi optimum.

Teknologi pempolimeran moden dengan tepat mengawal morfologi fasa getah melalui pempolimeran losyen benih. Sebagai contoh, kaedah penyusuan berbilang langkah digunakan untuk menyediakan zarah getah dengan struktur kulit teras. Terasnya ialah getah butadiena berkait silang rendah (penyerapan hentakan), dan cangkangnya ialah lapisan cantuman SAN (keserasian yang dipertingkatkan), yang meningkatkan kekuatan hentaman lebih daripada 30%.

2、 Proses pengeluaran dan kawalan kualiti

Proses pengeluaran ABS adalah kompleks dan halangan teknikal adalah tinggi. Laluan proses yang berbeza secara langsung mempengaruhi prestasi dan kos produk. Pada masa ini, proses arus perdana global boleh dibahagikan kepada dua kategori: kaedah pengadunan pukal cantuman losyen dan kaedah pempolimeran pukal berterusan.

Perbandingan proses pengeluaran arus perdana

Kaedah pengadunan pukal cantuman losyen (menyumbangkan 70% daripada pengeluaran global):

Tiga langkah telah dijalankan: ① pempolimeran losyen butadiena untuk menyediakan getah getah (saiz zarah 0.1-1 μm); ② Kopolimerisasi cantuman dengan stirena dan akrilonitril untuk membentuk susu getah cantuman; ③ Selepas pembekuan dan pengeringan lateks, ia dicairkan dicampur dengan resin SAN (kopolimer akrilonitril stirena) dalam penyemperit skru berkembar. Proses ini boleh mengawal saiz zarah fasa getah dengan tepat, dan produk mempunyai kekuatan hentaman tinggi (15-40kJ/m²), tetapi prosesnya panjang dan penggunaan tenaga adalah tinggi, dengan penggunaan tenaga kira-kira 800kWj setiap tan produk.

Kaedah pengagregatan ontologi berterusan:

Pempolimeran berterusan dijalankan dalam 3-4 reaktor secara bersiri: dalam reaktor pertama, butadiena berkopolimer dengan beberapa stirena untuk membentuk fasa getah, dan dalam reaktor berikutnya, akrilonitril dan baki stirena ditambah untuk membentuk fasa SAN berterusan. Aliran proses adalah pendek (hanya 2-3 jam) dan penggunaan tenaga adalah rendah (kira-kira 500kWj setiap tan). Ia sesuai untuk menghasilkan gred kecairan yang tinggi (MFR>20g/10min), tetapi keseragaman penyebaran fasa getah adalah lemah sedikit, dan kekuatan hentaman adalah 10% -20% lebih rendah daripada kaedah losyen.

Kawalan parameter proses utama

Semasa proses pengagregatan, parameter berikut perlu dikawal dengan ketat:

Suhu tindak balas: 70-90 ℃ untuk kaedah losyen dan 100-160 ℃ untuk kaedah pukal. Turun naik suhu hendaklah dikawal dalam ± 2 ℃, jika tidak, pengagihan berat molekul akan menjadi lebih luas.

Kadar penukaran: kadar penukaran peringkat cantuman losyen ialah 70% -80%, dan jumlah kadar penukaran pempolimeran pukal ialah 85% -90%. Jika terlalu rendah, kos pemulihan monomer akan meningkat, dan jika terlalu tinggi, kestabilan terma produk akan menurun.

Pengagihan berat molekul: Dengan melaraskan dos pemula, purata berat molekul/bilangan berat molekul purata (Mw/Mn) hendaklah dikawal antara 2.0-3.0 untuk memastikan keseimbangan antara prestasi pemprosesan dan sifat mekanikal.

Semasa peringkat granulasi, bahan tambahan perlu ditambah: antioksidan (seperti sistem komposit 1010+168) untuk mengelakkan degradasi haba, pelincir (seperti zink stearat) untuk meningkatkan kebolehliliran, masterbatch warna untuk mencapai padanan warna asas, dan jumlah jumlah aditif yang ditambah biasanya kurang daripada 3%.

3、 Sistem prestasi dan penunjuk utama

Sistem prestasi ABS mempamerkan ciri "balancedd", menunjukkan prestasi cemerlang dalam mekanik, termodinamik, kimia, pemprosesan dan aspek lain tanpa kelemahan yang jelas, yang merupakan sebab utama untuk aplikasinya yang meluas.

Sifat mekanikal: nisbah emas ketegaran dan keliatan

Kekuatan tegangan: 30-50MPa (ASTM D638), lebih baik daripada PE (20-30MPa) dan PS (40-50MPa, tetapi rapuh), boleh memenuhi keperluan kebanyakan komponen struktur.

Kekuatan hentaman: Kekuatan hentaman takuk ialah 10-40kJ/m ² (ASTM D256), dan kadar pengekalan hentaman suhu rendah pada -40 ℃ is>70%. Ia adalah salah satu jenis tahan hentaman suhu rendah yang paling rendah di kalangan plastik umum.

Prestasi lenturan: kekuatan lenturan 50-80MPa, modulus lenturan 1800-2800MPa, ketegaran sederhana, sesuai untuk membuat komponen dengan keperluan sokongan.

Kekerasan: Kekerasan Shore D 65-85, dengan rintangan calar permukaan yang lebih baik daripada PE dan PP, yang boleh memenuhi keperluan rintangan haus dalam penggunaan harian.

Prestasi terma: Sesuai untuk suhu persekitaran konvensional

Suhu ubah bentuk panas (HDT): 80-100 ℃ (1.82MPa, ASTM D648), suhu penggunaan berterusan 60-80 ℃, boleh menahan persekitaran jangka pendek 70-80 ℃ (seperti dalam perkakas rumah).

Suhu lebur: tiada takat lebur yang jelas, julat lebur 200-250 ℃, tingkap pemprosesan yang luas untuk kawalan mudah.

Pekali pengembangan linear: 7-10 × 10 ⁻⁵/℃, lebih rendah daripada PE (15-20 × 10 ⁻⁵/℃) dan PP (10-15 × 10 ⁻⁵/℃), dengan kestabilan dimensi yang sangat baik.

Kestabilan terma: suhu penguraian>270 ℃, tidak mudah terdegradasi semasa pemprosesan, tidak perlu menambah sejumlah besar penstabil haba seperti PVC.

Rintangan Kimia dan Cuaca: Ciri-ciri Toleransi Terpilih

Rintangan kimia: tahan terhadap air, asid cair, alkali cair, dan alkohol, sensitif kepada pelarut kuat seperti keton, ester, dan hidrokarbon aromatik (boleh membengkak), sesuai untuk membuat komponen yang tidak bersentuhan dengan pelarut yang kuat.

Rintangan cuaca: terdedah kepada kekuningan di bawah penuaan semula jadi (pengoksidaan ikatan berganda butadiena), produk yang tidak diubah suai mempunyai hayat perkhidmatan luar kurang daripada 1 tahun, dan boleh dilanjutkan kepada lebih daripada 5 tahun dengan penambahan bahan tambahan tahan cuaca.

Rintangan lembapan: Kadar penyerapan air 0.2% -0.4% (24 jam, 23 ℃), variasi saiz<0.1% dalam persekitaran lembap, sesuai untuk persekitaran basah seperti bilik mandi.

Prestasi pemprosesan: kebolehsuaian pembentukan yang sangat baik

Kadar aliran cair (MFR): 1-40g/10min (220 ℃/10kg), yang boleh dilaraskan untuk memenuhi keperluan pemprosesan yang berbeza dengan melaraskan berat molekul.

Kadar pengecutan acuan: 0.4% -0.8%, ketepatan dimensi tinggi, sesuai untuk komponen ketepatan.

Kaedah pemprosesan: serasi dengan pelbagai proses seperti pengacuan suntikan, penyemperitan, pembentukan vakum, pengacuan tamparan, dan lain-lain, dengan kitaran pengacuan suntikan pendek (10-60 saat) dan kecekapan pengeluaran yang tinggi.

4、 Sistem klasifikasi dan pemilihan jenama

Bahan mentah ABS membentuk sistem produk yang kaya dengan melaraskan nisbah monomer, berat molekul dan kaedah pengubahsuaian, yang boleh dibahagikan kepada berbilang kategori berdasarkan fokus prestasi dan senario aplikasi, menyediakan penyelesaian tepat untuk keperluan yang berbeza.

Dikelaskan mengikut prestasi asas

ABS gred am: Akrilonitril 25%, Butadiene 20%, Stirena 55%, mengimbangi sifat mekanikal dan kebolehprosesan, MFR 5-15g/10min， Digunakan untuk selongsong perkakas rumah, mainan, dsb., mencakupi lebih 60% daripada jumlah pengeluaran.

ABS tahan hentaman tinggi: dengan kandungan butadiena 25% -30%, kekuatan hentaman 25-40kJ/m², dan keliatan suhu rendah yang sangat baik, ia digunakan untuk komponen tahan hentaman seperti bampar kereta dan beg pakaian.

ABS gred aliran tinggi: MFR 20-40g/10min, berat molekul rendah, sesuai untuk pengacuan suntikan berdinding nipis (seperti sarung telefon bimbit, ketebalan dinding<1mm), kelajuan pengisian adalah 30% lebih cepat daripada gred umum.

ABS tahan haba: Dengan meningkatkan kandungan akrilonitril atau memperkenalkan alpha methylstyrene, HDT boleh dinaikkan kepada 100-120 ℃, dan ia digunakan untuk perkakasan enjin automotif dan komponen mesin kopi.

Dikelaskan mengikut fungsi diubah suai

ABS Dipertingkat: Menambah 10% -40% gentian kaca, dengan kekuatan tegangan 60-100MPa dan modulus lentur 5000-8000MPa, digunakan untuk sokongan mekanikal dan gear ketepatan.

ABS kalis api: mencapai tahap UL94 V0 (0.8mm), indeks oksigen>28, digunakan untuk selongsong peranti elektronik (seperti pencetak, penghala), dibahagikan kepada dua kategori: brominated (kos rendah) dan bebas halogen (mesra alam).

ABS tahan cuaca: Penambahan penyerap UV dan penstabil cahaya HALS, penuaan QUV selama 1000 jam dengan perbezaan warna Δ E<3, digunakan untuk pencahayaan luaran dan luaran automotif.

ABS gred penyaduran: Saiz zarah fasa getah 0.1-0.3 μ m, lekatan penyaduran elektrik>5N/cm, digunakan untuk perkakasan bilik mandi dan jalur hiasan automotif.

Dikelaskan mengikut medan permohonan

Bahan khusus yang dioptimumkan untuk keperluan industri tertentu:

ABS khusus automotif: terutamanya tahan cuaca dan tahan hentaman tinggi, memenuhi VOC (sebatian organik meruap)<500 μ g/g dan tahap bau<3.

ABS khusus perkakas rumah: Gred berkilat tinggi (glossiness>90GU), terutamanya gred kalis api, boleh terus dibentuk tanpa mengecat.

ABS khusus 3C: kestabilan dimensi yang sangat baik, kawalan toleransi ± 0.05mm, sesuai untuk pemasangan ketepatan.

ABS gred sentuhan makanan: mematuhi FDA 21CFR 177.1040 dan GB 4806.6, dengan sisa bisphenol A<0.05mg/kg, digunakan untuk botol air dan pinggan mangkuk.

5、 Bidang Aplikasi dan Taburan Pasaran

Bahan mentah ABS, dengan kelebihan menyeluruh bagi prestasi seimbang " dan kos terkawal, menduduki kira-kira 10% daripada bahagian pasaran plastik global, dan mempamerkan bidang aplikasi yang pelbagai, antaranya kereta, peralatan rumah dan 3C merupakan tiga pasaran teras.

Industri Automotif: Integrasi Ringan dan Berfungsi

Setiap kereta menggunakan 5-15kg ABS, dan aplikasi utamanya termasuk:

Bahagian dalaman: papan pemuka (ABS kalis cuaca), panel pintu (ABS diperkukuh), kotak tempat letak tangan (ABS universal), tekstur yang dipertingkatkan melalui pengecatan atau pembalut.

Komponen luaran: perumah cermin spion (ABS kalis cuaca), pemegang pintu (ABS bersalut elektrik), bampar (ABS ultra lasak), diperlukan untuk menahan suhu berbasikal dari -40 ℃ hingga 80 ℃.

Komponen berfungsi: bolong penghawa dingin (ABS kalis haba), penyambung abah-abah pendawaian (ABS kalis api), memenuhi keperluan ketepatan pemasangan dan hayat perkhidmatan.

Promosi kenderaan tenaga baharu memacu lagi permintaan untuk ABS. Selongsong bateri diperbuat daripada aloi ABS/PC, yang mengimbangi penebat, kalis api dan ringan, mengurangkan berat lebih daripada 30% berbanding sarung logam.

Perkakas Rumah dan Elektronik Pengguna: Mengimbangi Penampilan dan Prestasi

Perkakas rumah yang besar: pelapik peti sejuk (ABS universal), panel kawalan mesin basuh (ABS kalis api), sarung TV (ABS berkilat tinggi), menyumbang 20% -30% daripada penggunaan plastik dalam peralatan rumah.

Perkakas kecil: sarung pembersih vakum (ABS tahan hentaman tinggi), komponen mesin kopi (ABS kalis haba), meja putar gelombang mikro (ABS gred makanan), menekankan rintangan suhu dan keselamatan.

Produk 3C: bingkai telefon mudah alih (aloi ABS/PC), cangkerang komputer riba (ABS diperkukuh), badan pencetak (ABS kalis api), dengan ketepatan dimensi yang diperlukan ± 0.05mm dan rintangan jatuh ujian jatuh 1.5m.

Keperluan harian dan mainan: gabungan keselamatan dan ketahanan

Industri mainan: Batu bata LEGO, kereta kawalan jauh, dsb. menggunakan ABS berimpak tinggi, yang boleh menahan hentaman dan penyambungan berulang serta mematuhi piawaian EN 71-3 (keselamatan mainan).

Keperluan harian: cangkang sarung bagasi (ABS bertetulang), bingkai beg bimbit (ABS berimpak tinggi), aksesori bilik mandi (ABS kalis air), mengimbangi ringan dan ketahanan.

Bekalan pejabat: gear pencetak (ABS kalis haus), folder (ABS universal), perumah papan kekunci (ABS kalis api), dengan permintaan yang stabil.

Seni Bina dan Industri: Keperluan Struktur dan Luluhawa

Dalam bidang seni bina, penyambung saluran paip (ABS kalis kimia), garisan hiasan (ABS disadur elektrik), dan penutup lampu (ABS kalis cuaca) menyumbang kira-kira 5% daripada jumlah penggunaan.

Dalam bidang perindustrian, perumah alat (ABS tahan hentaman tinggi), perumah instrumen (ABS kalis api), dan komponen mekanikal kecil (ABS bertetulang) boleh menggantikan beberapa logam untuk mencapai pengurangan berat.

6、 Cabaran Alam Sekitar dan Pembangunan Mampan

Pembangunan mampan bahan mentah ABS menghadapi dua cabaran utama: kitar semula dan kesan alam sekitar. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, melalui inovasi teknologi dan panduan dasar, sistem pembangunan hijau telah diwujudkan secara beransur-ansur.

Kemajuan dalam Teknologi Kitar Semula dan Penggunaan

Kitar semula fizikal: Produk buangan ABS boleh diisih, dibersihkan, dihancurkan dan dibutir untuk menghasilkan ABS kitar semula dengan kadar pengekalan prestasi 70% -90%. Ia digunakan untuk produk mewah seperti tong sampah dan najis plastik, dengan kadar kitar semula fizikal global kira-kira 20% -25%.

Kitar semula kimia: ABS diuraikan kepada monomer seperti stirena dan akrilonitril melalui pirolisis (400-600 ℃), dengan ketulenan lebih 99%, yang boleh digunakan semula untuk pempolimeran. Kadar pemulihan gelung tertutup adalah kira-kira 5%, dan kos adalah 30% -50% lebih tinggi daripada kitar semula fizikal, tetapi kualitinya hampir dengan bahan mentah.

Pengubahsuaian terbiodegradasi: Dengan mengadun komponen terbiodegradasi seperti PBAT (polybutylene adipate terephthalate), produk ABS boleh terdegradasi di bawah keadaan pengkomposan selama 6-12 bulan, menjadikannya sesuai untuk produk pakai buang.

Bahan mentah hijau dan pengeluaran bersih

ABS berasaskan bio: Menggunakan stirena berasaskan bio (daripada penapaian biojisim) dan butadiena berasaskan bio (daripada penukaran kanji), jejak karbon dikurangkan lebih daripada 40% berbanding produk tradisional, dan ia kini dalam peringkat demonstrasi komersial.

Proses perlindungan alam sekitar: Berbanding dengan kaedah losyen, teknologi pempolimeran pukal berterusan mengurangkan penggunaan pelarut organik sebanyak lebih daripada 90%, dan mengurangkan pelepasan air sisa sebanyak 50%, yang telah menjadi proses pilihan untuk unit baharu.

Kalis api halogen sifar: Kalis api berasaskan fosforus dan nitrogen secara beransur-ansur menggantikan yang berasaskan bromin, mengurangkan pelepasan dioksin dan mematuhi peraturan RoHS dan REACH EU.

Trend Pembangunan Masa Depan

Prestasi tinggi: Bangunkan ABS ultra lasak (kekuatan impak>50kJ/m²) dan ABS tahan suhu tinggi (HDT>130 ℃) untuk menggantikan beberapa plastik kejuruteraan.

Penyepaduan fungsi: ABS antibakteria (dengan ion perak tambahan), ABS penyembuhan sendiri (teknologi mikrokapsul), dan ABS responsif pintar (sensitif suhu/fotosensitif) telah memasuki peringkat aplikasi.

Ekonomi pekeliling: Menjelang 2030, sasaran kadar kitar semula ABS global akan ditingkatkan kepada 50%, dengan kitar semula kimia menyumbang 20% dan bahan mentah berasaskan bio menyumbang lebih 10%.

Sebagai model teknologi kopolimerisasi ternary, proses pembangunan bahan mentah ABS telah menyaksikan penemuan bahan polimer daripada prestasi tunggal kepada prestasi komprehensif. Daripada reka bentuk struktur molekul kepada aplikasi industri, daripada gred asas kepada pengubahsuaian fungsi, ABS sentiasa mengambil "balance" sebagai daya saing terasnya, membina jambatan prestasi antara plastik am dan plastik kejuruteraan. Dengan promosi pembuatan hijau dan ekonomi bulat, ABS akan terus mengembangkan sempadan aplikasinya melalui inovasi teknologi dan mengekalkan kedudukan material terasnya dalam pembangunan mampan.