АБС-пластик (акрилонитрил бутадиен стирол)

Сокращения и другие названия: АБС, ABS, акрилонитрил бутадиен стирол
Тип полимера: Стирольные полимеры, термопласты

АБС-пластик – ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (название пластика образовано из начальных букв наименований мономеров). Обозначения: ABS; сополимер акрилонитрила, стирола и бутадиена; АБС сополимер. Его химическая формула (C8H₈)_x·(C₄H₆)_y·(C₃H₃N)_z, а пропорции могут варьироваться в пределах 15 – 35% акрилонитрила, 5 – 30% бутадиена и 40 – 60% стирола. Ниже приведены химические формулы мономеров, из которых производится рассматриваемый пластик:

В CAS приведены свойства компаунда. Так, температура плавления составляет 230°C, а плотность 1,04 г/см³.

Гранулы АБС-пластика выглядят следующим образом:

 

 

Основные свойства АБС-пластика

Росту популярности и все более широкому распространению АБС-пластик обязан тому набору технических характеристик, которыми он обладает. Основными свойствами, влияющими на востребованность материала на рынке, являются:

- Высокие показатели износостойкости и прочности в сочетании с эластичностью

- Долговечность при условии эксплуатации без воздействия ультрафиолетовых лучей

- Высокая сопротивляемость воздействию моющих средств и щелочных составов

- Устойчивость к воздействию влаги, кислот, масел

- В нормальных условиях материал не токсичен

- Может эксплуатироваться при температурах от -40°C до +90°C с сохранением технических характеристик

- В чистом виде имеет матовую поверхность желтоватого оттенка, но при помощи пигментных добавок может окрашиваться в любые цвета и становиться прозрачным

- Легкость обработки различными методами (ручное шлифование, механическая полировка, химическое сглаживание и другое)

- Высокая механическая прочность

Основные минусы АБС-пластика

С другой стороны, против такого количества значимых показателей выступает некоторое количество минусов материала:

- Резкий, сильный запах плавящегося пластика

- Сложность в использовании (для плавления необходима температура около 230°C)

- Деформация по мере охлаждения (сжимание)

- Расслаивание при неравномерном остывании изделия

Что касается химических свойств, то отмечается, что рассматриваемый материал растворяется в исключительном числе жидкостей: ацетон, бензол, анилин, эфир и анизол.

Далее рассмотрим основные химические происходящие в производственном цикле получения АБС-сополимера суспензионным методом.

Производство АБС-пластика

Суспензионный метод производства АБС-пластика

Итак, полимеризация бутадиена-1,3 происходит с образованием латекса, в присутствии инициатора персульфата калия и эмульгатора (солей жирных кислот ряда С₁₀-С₁₆.)

Сополимеризация стирола и акрилонитрила протекает в суспензии в процесе прививанитя к полибутадиену в присутствии персульфата калия.

Далее осуществляется прививка сополимера стирола и акрилонитрила к полибутадиену. Готовый привитый сополимер акрилонитрилбутадиенстирола, химическая формула продукта реакции нарисована условно с упрощениями, для наглядности.

АБС-пластики (АБС- сополимеры) представляют собой сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, получаемые привитой сополимеризацией стирола и акрилонитрила к батадиену. Производство же АБС-сополимера осуществляют эмульсионным способом в 2 стадии. На первой стадии производят полимеризацию бутадиена, на второй - сополимеризацию стирола и акрилонитрила и прививку полученного полимера к полибутадиену.

Процессы сополимеризации и полимеризации происходят в присутствии индикаторов: персульфатов и окислительно-восстановительных систем, в количестве от 0.1% до 0,5%. Эмульгаторов: солей жирных кислот и сульфокислот, от 1% до 3% при температуре 40-50ºС. В реакционную смесь добавляют регуляторы pH, регуляторы поверхностного натяжения, пеногасители (одноатомные спирты), регуляторы молекулярного веса (меркаптаны). Количество регуляторов зависит от заданных свойств полимера, условий полимеризации и колеблется от 0,1% до 0,5%.

Эмульсионный метод производства АБС-пластика

Технологический процесс производства АБС сополимера эмульсионным методом состоит из трех этапов.

Первый этап включает в себя подготовку исходного сырья, полимеризацию бутадиена, отделение непрореагировавшего бутадиена. Во второй этап входит лишь процесс сополимеризации. В третий – высаживание сополимера из латекса, отжим и промывка сополимера, сушка сополимера.

Обратимся к схеме производства АБС-пластика:

1 – реактор полимеризации;

2,7,8 – мерники;

3 – холодильник;

4 – отпарная колонна;

5 – промежуточная емкость;

6 – реактор полимеризации;

9 – высадитель;

10 – центрифуга;

11 – ловушка;

12 – сушилка с кипящим слоем.

В реактор полимеризации 1, представляющем собой автоклав, снабженный рубашкой, мешалкой и обратным холодильником 3, дозируется деминерализованная вода и при перемешивании добавляется эмульгатор, добавляется водный раствор инициатора и жидкийбутадиен. Производят нагрев реакционной смеси до 50ºС и выдерживают ее в течение 5-6 часов до 75%-го превращения.

Нормы загрузки компонентов на данной стадии: бутадиен - 100 (мас. ч), вода - 200 (мас. ч.), Соль жирных кислот ряда С₁₀-С₁₆ - 2 (мас. ч.), Персульфат Калия 0,5 (мас. ч.)

В соответствии со второй стадией проводится сополимеризация акрилонитрила и прививание к полибутадиену, получение АБС-сополимера в виде суспензии:

Непрореагировавшийбутадиен удаляется в отпарной колонне 4, а латекс полибутадиена через промежуточную емкость 5 подается на сополимеризацию. В реактор сополимеризации 6 загружают деминерализованную воду и примешивают эмульгатор, водный раствор инициатора и из мерников - 7,8: стирол и акрилонитрил соответственно. Далее в рубашку реактора подают горячую воду и нагревают реакционную массу до 40ºС, в нее добавляют массу полибутадиена, массу догревают до 50ºС. Продолжительность последующей сополимеризации стирола с акрилонитрилом и дальнейшей их прививки к полибутадиену состовляют 6 часов в присутствии регулятора молекулярной массы. Нормы загрузки компонентов на данной стадии: полибутадиеновый латекс (30%) - 210 (мас. ч.), стирол - 70 (мас. ч.), акрилонитрил - 30 (мас. ч.), вода деминерализованная - 400 (мас. ч.), соль жирных кислот ряда С₁₀-С₁₆ - 2,5 (мас. ч.), Персульфат калия - 0,5 (мас. ч.).

Далее происходит осаждение суспензии сополимера, промывка и сушка.

Образовавшуюся тонкодисперсную суспензию сополимера подают в высадитель 9, в котором под действием коагулянтов (алюмокалиевых квасцов) при нагревании острым паром до температур 95ºС происходит разрушение латекса и выделение полимера, затем масса поступает на отжим в центрифугу 10, в которой одновременно производится промывка сополимера водой. Влажный сополимер высушивается потоком азота при 120ºС в сушилке 12 кипящим слоем до остаточной влажности не более 0,4%.

Производство АБС-пластика другими методами

Также известен способ получения АБС-сополимеров, согласно которому стирол и акрилонитрил полимеризуют в присутствии предварительно полученного латекса каучука на основе полибутадиена с образованием привитого сополимера. Процесс прививки протекает в водно-эмульсионной среде в присутствии инициатора-персульфата калия и регулятора молекулярной массы трет-додецилмеркаптана (ТДДМ) при 50 ºС в атмосфере азота до 100%-ной конверсии. К концу процесса вводят антиоксидант фенольного типа для предотвращения окислительной деструкции при сушке. Латекс полученного привитого АБС-сополимера коагулируют добавлением водного раствора хлорида кальция (коагулянт), выделившийся привитой сополимер промывают водой и сушат.

Недостатками данного способа являются длительность процесса, связанная с проведением полимеризации при низких температурах (50 ºС) и доведением конверсии мономеров до 100% (известно, что именно при высокой конверсии, особенно выше 95%, процесс полимеризации стирола и акрилонитрила резко замедляется); неприятный запах полученного привитого АБС-сополимера при температурах переработки (> 180 ºС) или при повышенных температурах эксплуатации изготовленных из него изделий, что связано с использованием при полимеризации в качестве регулятора ММ ТДДМ. Остаточный ТДДМ, являющийся достаточно высокомолекулярным соединением, и его низкомолекулярные продукты присоединения после промывки и сушки остаются в полученном АБС-сополимере.

Известен также способ получения АБС-сополимеров сополимеризацией стирола и акрилонитрила в водно-эмульсионной среде в присутствии предварительно полученного латекса полибутадиенового каучука (полибутадиен или сополимер бутадиена со стиролом) под действием инициатора радикального типа в присутствии поверхностно-активных веществ и регулятора ММ-третичного бутилмеркаптана. Процесс сополимеризации проводят при 0-100 ºС, предпочтительно при 60 ºС, в отсутствии кислорода в течение 6,5 ч. Выход сополимера 80,3%. Полученный латекс привитого сополимера коагулируют разбавленным раствором Al₂(SO₄)₃ при 92^oC, промывают водой при комнатной температуре и сушат.

Использование в процессе в качестве регулятора молекулярной массы третичного бутилмеркаптана, который достаточно летуч (температура кипения 64,2^oC), позволяет сравнительно легко удалить его из латекса при вакуумной обработке. Поэтому полученный АБС-сополимер имеет слабый запах (4,6 балла по десятибалльной шкале).

Недостатком процесса является низкий выход сополимера (80,3%), что обусловлено необходимостью проведения процесса при достаточно низкой температуре ввиду применения низкокипящего регулятора молекулярной массы.

Марки и характеристики марок АБС-пластика

Естественно, в зависимости от способов производства и назначения АБС-пластиков существует большое количество их маркировок. Так, компанией ПАО «СИБУР холдинг» представлены следующие маркировки рассматриваемого материала:

- АБС 2020-31 - “высший сорт”, предназначен для корпусных и конструкционных деталей автомобильной, радиотехнической, приборостроительной промышленности.

- АБС 2020-60 - автомобиле- и приборостроение: для изделий с повышенными требования к антистатическим свойствам.

- АБС 2020-32 - изделия технического назначения и детали автомобилестроения с повышенными требованиями к термо- , свето- и атмосферостойкости.

Рассмотрим характеристики данных марок.

Наименование показателя	АБС 2020-31 (высший сорт)	АБС 2020-60	АБС 2020-32
Ударная вязкость, кДж/м2	24,5	10,8	24,2
Предел текучести при растяжении, Мпа (не менее)	38,2	29,4	38,2
Теплостойкость по Вика, oC	97	80	22
Относительное удлинение при разрыве %	22	15	97
Показатель текучести расплава г/10 мин	не менее 5 в пределах 12	не менее 6	не менее 12-14 не более 14-17
Массовая доля влаги и летучих компонентов % не более	0,28	0,3	0,3

В последующей таблице указаны свойства трех среднеценовых марок АБС-пластиков, производимых компанией ПАО “СИБУР холдинг”.

- АБС 20-31 М - изделия технического назначения и детали автомобилестроения с повышенными требованиями к термостойкости и атмосферостойкости.

- АБС-С - марка с повышенной стойкостью к горению для изготовления корпусов приборов, технических изделий.

- АБС 1030-31 - марка с повышенной текучестью и блеском для изделий технического назначения, внутренних деталей холодильников, детских игрушек, ТНП (товаров народного потребления), изделий, контактирующих с продуктами питания.

Наименование показателя	АБС 2020-31 M	АБС-С	АБС 1030-31
Ударная вязкость, кДж/м2 (не менее)	24	5	12
Предел текучести при растяжении, МПа (не менее)	38.2	30	35.3
Относительное удлинение при разрыве, %	22	8	35.3
Теплостойкость по Вика, oC (не ниже)	97	95	88
Показатель текучести расплава, г/10 мин	Не менее 10 В пределах 14-16	Не менее 7	Не менее 30
Индивидуальные св-ва	Температура изгиба под нагрузкой 96°с	Категория стойкости к горению ПВ-0	Блеск 80%
Массовая доля влаги и летучих компонентов, % (не более)	0,3	0,3	0,3

Далее в таблице указаны свойства четырех конструкционных и высокопрочных марок АБС-пластика, производимых компанией ПАО “СИБУР холдинг”.

- Дискар Э60 - для профильно-погонажных изделий технического назначения для деталей автомобилей, полученных методом вакуумформования листа.

- Дискар В30 - для конструкционных деталей внешней отделки автомобилей (спойлеры, крышки капота, двери багажника); для деталей автомобилей, полученных методом вакуумформования листа.

- Дискар Т30 и Дискар Т60 - для изготовления деталей полученных методом вакуумформования листа, использованных для внутренней отделки вагонов пассажирских поездов с повышенной стойкостью к горению.

Наименование показателя	Дискар Э60	Дискар В30	Дискар Т30	Дискар Т60
Ударная вязкость, кДж/м2 (не менее)	25	20	12	30
Предел текучести при растяжении, МПа (не менее)	50	40	45	50
Относительное удлинение при разрыве, %	50	30	25	30
Температура изгиба под нагрузкой 1,8 МПа, oC (не рекомендуется)	100	100	100	100
Показатель текучести расплава, г/10 мин 260 С Р=10кгс	7-18	2-6	4	15
Стойкость к горению	-	-	ПВ-0	ПВ-0

Ниже указаны свойства двух прочих марок АБС-пластиков, производимых компанией ПАО “СИБУР холдинг”.

- АБС 1106-31 “высший сорт” - для использования в производстве кампаунда АБС-ПК.

- АБС 2802-31 “высший сорт” - марка с высокими деформационными свойствами и ударопрочностью для изготовления изделий технического назначения, полученных методами пневмо- и вакуумформования листа.

Наименование показателя	АБС 1106-31	АБС 2802-31
Ударная вязкость, кДж/м2 (не менее)	19,6	34,3
Предел текучести при растяжении, МПа (не менее)	38.2	36,3
Относительное удлинение при разрыве, %	25	30
Теплостойкость по Вика, oC (не ниже)	96	95
Показатель текучести расплава, г/10 мин	1-3	1,3-3
Массовая доля влаги и летучих компонентов, % (не более)	0,3	0,3

Существует также модификация МАБС, которая представляет собой АБС-пластик с добавлением метилметакрилата (основной компонент оргстекол). МАБС довольно сильно распространен как филамент для 3D печати на двух экструзионных принтерах (способных печатать одновременно двумя типами пластика), нужен для получения прозрачных включений в структуре материала. Требуется уточнить, что просто добавление метилметакрилатных включений в структуру модели затруднено тем, что метилметакрилат плохо приспособлен для обработки экструзией, а также не может создать монолитной структуры вследствие плохого слипания слоев метилметакрилата и АБС-пластика.

Применение АБС-пластика

Широкое применение рассматриваемого материала обусловлено вариациями его производства, превосходных технических характеристик и регулируемостью свойств. Так, пластик встречается в автомобильной панели приборов, панелях внутренней и внешней отделки, рулевого управления, в дверных замках, бамперах и воздуховодах. Не обходя электронику пластик применим и в холодильниках, и телевизорах, стиральных машинках, кондиционерах, копировальных аппаратах и прочем.

Что касается сферы строительных материалов, то здесь пользуется спросом сантехника и декоративные плиты с применением АБС-пластика.

Кроме того, из-за своих характеристик пластик применяют при изготовлении изделий, которые должны быть не только привлекательны по внешнему виду, но и быть приятными по ощущениям. Так, его используют при производстве оборудования для оргтехники, корпусов телефонов, корпусов для компьютеров и тд.

Также рассматриваемый материал встречается в производстве лодок, мебели, выключателей, розеток, вилок, удлинителей, канцелярских изделий, музыкальных инструментов, игрушек, детских конструкторов, чемоданов, контейнеров, смарт-карт и многом другом.

Следует отметить, что АБС-пластик в последнее время очень популярен в экструзионных 3D-принтерах благодаря своей температуре стеклования (она достаточно высокая, чтобы не возникало деформаций при небольшом нагреве в бытовых условиях, но и достаточно низкая для безопасной экструзии с помощью стандартных инструментов).