可提升生產效率并節約成本的擠出級ABS

文/盛禧奧（荷蘭） Ir. Mark Vreys

盛禧奧的擠出級MAGNUMTM ABS因為具有一系列的優勢，包括：批次間優異的一致性、更潔白的底色、更好的UV穩定性、不熔體含量低及更純凈，可幫助生產商顯著降低著色成本、再加工回收料時減少顏色調正、減少UV吸收劑添加量，以及降低表面外觀缺陷風險，從而實現顯著的生產效率提升和成本節約。

前言

采用丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）樹脂擠出的板材、邊緣帶和型材，可廣泛應用于家具、乘用車、商用車、休閑和多用途車輛的內外飾件，以及家電、家具、衛浴、廣告板、行李箱及注重美觀的建筑應用。為了獲得最佳的產品性能和成本效益，ABS樹脂需要擁有一些具體的特性，包括：批次間高度的一致性、潔白而具熱穩定性能的底色、足夠的UV穩定性、低量的不熔體和產品高純度。由于板材和邊緣帶需要非常多樣的顏色，因此自行著色成為降低成本的關鍵推動，而這又涉及到配色、UV吸收劑和熒光增白劑等。每次有限的生產規模和塑料回收也會導致廢料的增加和需要經常調整顏色。由于熱成型部件的表面質量十分重要，所以樹脂中的不熔體和揮發性有機化合物必須得到控制。本研究討論了專門用于擠出和熱成型的ABS的特性，并將MAGNUMTMABS與幾種乳液法ABS進行了比較，以期幫助擠出應用制造商選擇最合適的ABS材料，從而獲得最佳的生產性能和成本效益。

MAGNUMTMABS是盛禧奧采用專有本體聚合工藝生產的優質擠出級ABS產品，可為擠出及其下游的熱成型和層壓工藝提供極好的樹脂特性。對于終端產品需要呈現亮麗外觀而又要控制成本的亞洲客戶來說，MAGNUMTMABS是一個理想的選擇。盛禧奧在歐洲和美國都擁有生產基地。最新的生產基地位于中國張家港，已于2017年第三季度啟動。這將使MAGNUMTMABS在中國市場的競爭力大大提高。

本體法MAGNUMTM ABS與乳液法ABS的比較

ABS的商業生產主要有兩種方法：溶液聚合（也稱本體聚合）和乳液聚合，因此行業內把用這兩種方法生產的ABS稱為本體聚合ABS （mABS）和乳液法ABS（eABS）。MAGNUMTMABS 是通過本體聚合法生產的ABS。雖然市場上大部分ABS是通過乳液法生產的，但本體法ABS卻有幾項優秀性能，這將會在下面詳細表述。

所謂乳液聚合法是首先通過乳化劑生產橡膠膠乳，隨后將橡膠膠乳與苯乙烯和丙烯腈進行聚合，部分聚合的苯乙烯 - 丙烯腈會接枝到橡膠上。這些接枝橡膠濃縮物（GRC）與另外的乳液制備的苯乙烯 - 丙烯腈（SAN）共聚物會先混合然后凝結，或首先分離然后與SAN配混。 乳液聚合法是一種批次性工藝，提供了較大的生產靈活性。

而在本體聚合法中，橡膠被溶解在苯乙烯單體、丙烯腈單體以及一種溶劑的混合物中。 該混合物會被泵入一系列相互連接的反應器中的第一個反應器。聚合在有引發劑和溫度上升的情況下在第一個反應器中開始，然后下游繼續聚合，直到在最后一個反應器中完成。 而最后一個步驟就是去除殘留的單體和溶劑。 本體聚合法是一種連續不斷的工藝，生產的靈活性會較少。

本體聚合法的優點是沒有雜質如乳化劑等，所以制成的ABS產品更潔凈和更純；并且由于是一個連續不斷的生產過程，批次間具有更佳的一致性。除這兩個優點之外，MAGNUMTMABS還因具有改良的橡膠效率，對橡膠降解過程的敏感度更低。

盛禧奧張家港基地供應4個標準牌號的ABS，沖擊強度/熔流率圖（如圖1所示）提供了一個概覽。簡支梁沖擊強度的測量是根據ISO 179-1/1eA標準，熔流率的測量則是在220℃和10 kg條件下根據ISO 1133標準。所供應的4個牌號中，兩個低流量 牌 號（MAGNUMTMA290和MAGNUMTMA440）是專為擠出應用而設計的，一個中等流量牌號（MAGNUMTMA371）適用擠出和注塑成型，一個高流量牌號（MAGNUMTMA136）專門用于注塑成型。 其中MAGNUMTMA290是高抗沖牌號，其余3個是中等沖擊牌號。

在此，我們將比較MAGNUMTMA290高沖擊 ABS（簡稱“MAGNUMTM”）和亞洲生產的一個高沖擊乳液法ABS（簡稱“eABS”）。在一些案例中，也會同時與多種乳液法ABS進行比較，稱為eABS1、eABS2等。

請注意，所有比較的數據都只代表在某個時段不同的ABS樹脂隨機抽取的單一批次。而所有比較數據的測量都是在盛禧奧荷蘭特爾紐森實驗室進行的。

圖1 MAGNUMTM ABS牌號的沖擊強度/熔流率圖

圖2 顆粒的顏色：MAGNUMTM ABS(左)和典型乳液法ABS(右)的比較

圖3 加入白色色母料的MAGNUMTM與eABS的b*值的比較

1. 批次間優異的一致性

由于本體聚合較乳液聚合的生產量大，每一次MAGNUMTMABS的生產量可以超過1 000 t，并可確保在生產過程中保持非常高的批次間一致性。所以對于MAGNUMTMABS，客戶所收到多批裝運的ABS，通常是來自同一次生產的，這樣就避免了需要對色母料劑量或擠出加工條件作出調整，從而減少擠出廢料的產生。

2. 更潔白的底色

MAGNUMTM顆粒的底色比eABS顆粒更潔白，eABS顆粒的底色看起來偏黃（如圖2所示）。因此，在著色方面，尤其是染較白的顏色，采用MAGNUMTMABS可能會更容易和更便宜。圖3顯示MAGNUMTM添加了4%（內含50%二氧化鈦（TiO2））的白色色母料（WMB）后，與eABS相比，b*值低出2.5個單位。較低的b*值表示較低的黃度。 要達到相同的b*值，eABS加入的WMB份量必須增加到12%。該顏色數據是在Data Color Spectraflash SF600 PLUC-CT反射模式和光源/觀察者D65/10°的條件下測量所得。

表 使用MAGNUM? 時降低的成本和密度

圖4 加入白色色母料和熒光增白劑的MAGNUM TM和eABS的b*值的比較

圖5 ABS板材中TiO2的附聚物

制造商可能使用熒光增白劑（OB）來減低黃度， 熒光增白劑在暴露于紫外（UV）光下時會發出藍光，可以補償此類黃度。 然而，這些熒光增白劑會隨著時間而減少發出藍光的效果，該效果的降低率取決于暴露于UV光的量和時間。如圖4所示，具有4%白色色母料和熒光增白劑的eABS比沒有加入熒光增白劑的MAGNUMTM仍然顯得更黃；比較eABS加入熒光增白劑和MAGNUMTM加入熒光增白劑的結果，它們之間b*值的差異并沒有改善。

表中顯示了用白色色母料著色的成本差異，是以TiO2為2.9美元/kg的價格來計算的。從中可知： eABS著色需要每噸多出116美元的成本；白色色母料的增加（來實現相同的b*）會使實際沖擊性能降低15%（根據ISO 6603-2測量的儀表落錘沖擊強度標準測量）；部件密度增加約9%，這有違材料輕量化的趨勢，尤其對于汽車、休閑及多用途車的應用。

高劑量的TiO2可能會導致片材和熱成型部件的表面瑕疵。由于分散問題，高顏料劑量也會增加顏料附聚的風險。圖5顯示了ABS板材的橫切面電子顯微鏡照片，在板材表面的正下方可見附聚物，即產生了表面瑕疵。元素分析表明，附聚物主要由TiO2組成。

擠出過程中普遍會加入回收料，回收料是將擠出板材的切邊條和生產過程中從啟動到關閉所產生的廢片材、封邊帶或型材切碎而成。每次ABS進行再加工時，由于對它的重復加熱，會出現色變。因此，ABS需要有足夠的熱穩定性來限制這些性能的轉變。本質上，回收料的成分是已經被擠出過一次、兩次、3次或以上的ABS塑料。在多層板材中，回收料可以加入主層中，這時色變可能不太重要。但在單層板材應用中，就可能需要使用額外的色母料來掩蓋回收料帶來的影響，從而導致成本增加，并且沖擊性能降低。

圖6顯示了ABS經歷再加工試驗后的色變結果。MAGNUMTM和eABS分別在小型雙螺桿混合機上重新加工了6次。玻璃小瓶從左向右按回收遞增次數排列，從中可見發生的色變。經過對比發現：6次回收后， MAGNUMTM在視覺上的顏色仍然比eABS最初的顏色淺了些。而eABS在經過6次回收后，顏色變化明顯，且偏向紅色。

圖6 ABS被再加工時出現顏色偏黃的色變

圖7 加速QUV-A耐候試驗：b*隨著照射時間而出現的演變

圖8 加速QUV-A耐候試驗：delta E*隨著照射時間而出現的演變 (虛線描繪了eABS更快的色變）

3. 更好的UV穩定性

經紫外光（UV）照射后，原色ABS會變黃并失去柔韌性。所以必須加入紫外光吸收劑來保護ABS，以保持它的顏色和機械性能。

以下將討論MAGNUMTM和eABS的加速UV照射測試結果。QUV-A測試是模擬室內條件，QUV-B測試是模擬室外條件。QUV-A測試使用了放射340 nm波長的燈，每一周期為8 h的UV照射（60℃黑色面板溫度），加上隨后4 h冷凝（50℃黑色面板溫度），照射能量為0.77 W/m2。QUV-B測試使用了放射313 nm波長的燈，每一周期為4 h的UV照射（60℃黑色面板溫度），加上隨后4 h冷凝（50℃黑色面板溫度），照射能量為0.63 W/m2。顏色數據是在Data Color Spectraflash SF600 PLUC-CT反射模式和光源/觀察者D65/10°的條件下測量所得。

圖7和圖8分別顯示了經歷QUV-A加速耐候性測試后的b*值和delta E*值的演變，MAGNUMTM和eABS都加入了4%的白色色母料。300 h后，eABS的b*值比MAGNUMTM的b*值高約80%。 Delta E*值用來顯示對比測試之前的原本顏色，發生的總體顏色變化。從兩圖中可知，eABS顏色的老化比MAGNUMTM快兩倍。這意味著理論上，在室內曝光的情況下，與eABS相比MAGNUMTM只需要大約一半份量的UV吸收劑，這將顯著地降低成本。

從模擬室外QUV-B測試中b*值和delta E*值的演變，也能得到相似的結果，即曝光300 h后，eABS的b*值比MAGNUMTM高出26%，這表明戶外應用的MAGNUMTM板材中，理論上的UV吸收劑量可以減少約30%。然而，戶外應用中更具成本效益的做法是將相對高量的UV吸收劑放入PMMA或丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）的表層中。

圖9 ABS中的不熔體造成可見的表面瑕疵

圖10 MAGNUMTM對比多種eABS中等尺寸晶點的相對數量

圖11 MAGNUMTM對比多種eABS大晶點的相對數量

在此提醒用戶，需要進行特定的加速耐候試驗來確定適當的UV吸收和/或光穩定添加劑的量和類型。

4.不熔體含量低

ABS里面的不熔體, 也叫作晶點，因為晶點在擠出過程中不會熔化，會造成產品表面不平而影響外觀。在共擠出高光澤丙烯酸表層的情況下，這種表面不平尤其明顯。

在相對厚的片材中，這些不熔體在擠出之后通常是看不見的，除非它們是在非常靠近板材表面的部分。然而，當板材進行熱成型成為三維部件時，最終部件的壁厚可以變得比原來板材的厚度薄很多（如圖9所示）。因此，擠出后看不見的不熔體將成為終端產品的光學表面瑕疵。

而在擠出薄膜（如圖9所示）中，因為薄膜已經很薄，擠出后晶點會顯現出來，并且在熱成型后晶點會變得更加清晰可見。通常，ABS簿膜會用于外觀要求非常高的應用中，如汽車內飾件或家具，因此要求該薄膜具有良好的外觀。

圖10和圖11兩圖顯示了MAGNUMTM中的晶點量與幾種eABS中的晶點量的比較，是以盛禧奧內部方法來計算和分類的。特別關注的是兩種不同又相對較大的晶點類別，被稱為“中等”和“大”晶點，這類大小的晶點最可能在終端產品中被消費者看到。較小晶點的類別對于要求苛刻的應用至關重要，對于這類應用，盛禧奧在歐洲便提供特低和超低晶點級別牌號產品。這些牌號雖不在新的張家港工廠生產，但可以從歐洲進口。

從兩圖中可知，與中國市場上常見的多種商業eABS牌號相比，在MAGNUMTM中檢測到的中等和大的晶點明顯較少。也就是說，在擠出和熱成型部件的表面出現外觀瑕疵的風險，這個測試中所有的eABS要比MAGNUMTM高。

圖12 MAGNUMTM的差示掃描量熱法圖譜

圖13 eABS 的差示掃描量熱法圖譜

圖14 MAGNUMTM和多種eABS中VOC量的比較

5.更純凈的產品

ABS的純度可以通過差示掃描量熱法（DSC）和揮發性有機化合物（VOC）的量來進行評估。圖12和13顯示了在20～50℃溫度范圍內MAGNUMTM和eABS的 DSC圖 譜。MAGNUMTM在約105℃下只有一個轉變，代表了SAN基體的熔化。要注意的是，橡膠層的轉變發生在0℃以下。eABS除了在約108℃出現的SAN轉變外，大約在45.7℃和128℃也出現了轉變。這些額外的轉變是雜質帶來的，可能是乳化劑、蠟或脫模劑。脫模劑是有意添加的，但是它們通常對擠出過程是不利的。乳化劑的存在是與乳液法ABS生產過程有關，但MAGNUMTMABS本體聚合法生產過程并沒有這些雜質。DSC不是一種量化的方法，但通常這些雜質的量需要達到1%或以上才能在DSC中見到。雜質可以在模頭上或輥筒上造成積垢，需要定期以手動方式去除，這會導致生產損失并增加成本。

ABS的純度也可以用VOC的量來表示，VOC的量越高，ABS的純度越低。這些VOC在ABS擠出過程中可能會引起令人不快的氣味；在室內應用如汽車內飾條及家具等，可以令終端消費者暴露在不愉快的氣味中。圖14顯示了多種eABS和MAGNUMTM中含有的VOC量的比較。VOC水平以每克ABS內多少微克的總碳排放來表示，是通過使用火焰離子化檢測器的頂空氣相色譜法來測定。從圖中可以看到， eABS中測量的VOC水平明顯地高于MAGNUMTM。

結論

在這個研究中, 我們比較了一種高抗沖MAGNUMTMABS與一種高抗沖乳液法ABS，以及其他乳液法ABS。結果顯示，MAGNUMTMABS相比一般乳液法ABS具有如下優勢： 底色明顯較少偏黃；再加工后能保持更少的顏色變化； 暴露在在UV光下，白色MAGNUMTMABS可保持較高的顏色穩定性 ；不熔體或晶點含量顯著較低；VOC含量明顯較低。

這些優勢可以幫助擠出用戶在實際生產中顯著降低著色成本、再加工回收料時減少顏色調正、減少UV吸收劑添加量，以及降低表面外觀缺陷風險，從而實現顯著的生產效率提升和成本|節約。