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Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): Eine eingehende Betrachtung


Inhaltsverzeichnis:

    1. Die Herkunft von Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
    2. Die Kristallinität von ABS
    3. Der Schmelzpunkt von Acrylnitril-Butadien-Styrol
    4. Die thermische Stabilität von ABS
    5. Die Glasübergangstemperatur von Acrylnitril-Butadien-Styrol
    6. Verschiedene ABS-Arten
    7. Applikation: Charakterisierung von Polymeren anhand einer Acrylnitril-Butadien-Styrol-Probe

Die Herkunft von Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

Acrylnitril-Butadien-Styrol, allgemein als ABS bekannt, ist ein Copolymer und zentraler Bestandteil in diversen industriellen und kommerziellen Bereichen. ABS wird großtechnisch durch Pfropfcopolymerisation hergestellt, bei der Styrol und Acrylnitril in Gegenwart von Polybutadien polymerisiert werden.

Dieser Prozess führt zur Bildung des Terpolymeren ABS. Alternativ kann ABS auch durch das mechanische Vermischen von Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) mit Polybutadien hergestellt werden, wodurch sogenannte ABS-Blend-Polymerisate entstehen. Transparentes ABS wird beispielsweise durch die Zugabe von Polymethylmethacrylat (PMMA) hergestellt.

Etwa 50% der in Westeuropa hergestellten ABS-Menge wird von der Automobil- und Elektroindustrie verbraucht, da ABS sich gut zum Beschichten mit Metallen und Polymeren eignet und in verschiedenen Anwendungen wie Spielzeug, Automobilteilen und Haushaltsgeräten Verwendung findet.

Dieser Thermoplast präsentiert eine markante Vielseitigkeit mit einer gemäßigten Kristallinität, die seine essenziellen Merkmale prägt, seine hohe Schlagfestigkeit, Zähigkeit und Wärmebeständigkeit. Diese einzigartige Zusammensetzung von ABS lässt es von einer robusten zu einer gewissen Flexibilität übergehen.

Hohe
Schlagfestigkeit

Hohe
Zähigkeit

Hohe
Wärmebeständigkeit

Eigenschaften ABS Polystyrol (PS) Polyethylen (PE)
Schlagzähigkeit Hoch Niedrig Niedrig
Hitzebeständigkeit Gut Schlecht Schlecht
Chemische Beständigkeit Mäßig Schlecht Gut
Oberflächenhärte Hoch Gering Gering

ABS bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen Polymeren. Im Vergleich zu Polystyrol und Polyethylen weist es eine hohe Schlagzähigkeit auf und eignet sich daher für Anwendungen, die eine lange Lebensdauer erfordern.

Außerdem weist ABS eine gute Wärmebeständigkeit auf, was für verschiedene technische Anwendungen eine wertvolle Eigenschaft ist. Darüber hinaus weist ABS im Vergleich zu Polystyrol und Polyethylen eine höhere Oberflächenhärte auf, was zu einer besseren Kratzfestigkeit und allgemeinen Haltbarkeit führt.

Die Kristallinität von ABS

ABS zeichnet sich durch eine ausgewogene Mischung amorpher und kristalliner Strukturen aus, was zu einer geordneten, aber flexiblen Molekülanordnung führt.

Die Kristallinität eines Materials gibt an, inwieweit seine Moleküle in einer geordneten, regelmäßigen Struktur angeordnet sind. Bei reinen Polymeren kann diese Ordnung oft sehr ausgeprägt sein, was zu einem hohen Grad an Kristallinität führt.

ABS hingegen zeigt eine moderate Kristallinität, was es ihm ermöglicht, eine Kombination von Festigkeit, Zähigkeit und Formbeständigkeit zu besitzen. Dieser mittlere Grad an Kristallinität ist hauptsächlich auf das Zusammenwirken der verschiedenen Monomere im Copolymer zurückzuführen, die unterschiedliche Eigenschaften in die Gesamtmischung einbringen.

Ein Dynamisches Differenzkalorimeter (DSC) ermöglicht die präzise Analyse der Kristallinität von Materialien wie ABS, indem es die Wärmeenergie verfolgt, die das Material während einer gesteuerten Temperaturerhöhung aufnimmt oder abgibt. Diese Methode erlaubt die Identifikation von charakteristischen Übergangspunkten wie dem Schmelztemperatur und Erweichungspunkt, und unterstützt zudem die Erforschung von Phasenübergängen im Material.

Beginnen wir mit der Festigkeit: ABS hat eine beeindruckende Zug- und Schlagfestigkeit. Dies bedeutet, dass, selbst wenn Kinder sie fallen lassen, auf sie treten oder sie auf andere Weise mechanisch belasten, die Bausteine nicht leicht brechen oder splittern. Diese Resistenz gegenüber mechanischer Belastung stellt sicher, dass LEGO-Bausteine nicht nur sicher im Gebrauch, sondern auch besonders langlebig sind.

Die dauerhafte Farbbrillanz von ABS-Bauteilen, wie LEGO-Steinen, kann durch die Stabilität seiner Polymerketten im kristallinen Bereich erklärt werden. Diese Struktur behindert die Diffusion von Sauerstoff und UV-Licht, welche Farbpigmente abbauen könnten.

Die molekulare Konfiguration von ABS wirkt dem Photooxidationsprozess entgegen, wodurch die Bausteine über lange Zeiträume hinweg ihre leuchtende Farbe bewahren. Diese Eigenschaft ist essentiell für Spielzeuge, bei denen die Farbechtheit eine bedeutende Rolle für die visuelle Wahrnehmung und Attraktivität spielt.

Wissenschaftliche Studien zeigen, dass die Farbstabilität von Polymeren durch Antioxidantien und UV-Stabilisatoren weiter verbessert werden kann, die in die Polymermatrix eingebettet sind und den Alterungsprozess verlangsamen.

Darüber hinaus spielt die Formbeständigkeit von ABS eine entscheidende Rolle für LEGO-Bausteine. Die genauen Abmessungen und die Passgenauigkeit sind entscheidend für das Zusammenfügen und Auseinandernehmen der Bausteine.

ABS garantiert, dass die Bausteine auch nach unzähligen Montage- und Demontagevorgängen ihre Form beibehalten und immer wieder präzise zusammenpassen. Ein LEGO-Baustein muss gleichbleibende Klemmkraft bieten, um sicherzustellen, dass die Kreationen, die Kinder bauen, stabil und intakt bleiben.

Lego-Bausteine aus ABS

Der Schmelzpunkt von Acrylnitril-Butadien-Styrol

Der Schmelzpunkt von ABS, der typischerweise zwischen 190°C und 220°C liegt, ermöglicht seine Verformung in hitzebeständige, komplexe Strukturen, die für die Automobilindustrie von Vorteil sind. Die Schmelztemperatur wird üblicherweise mit einem Dynamischen Differenzkalorimeter gemessen.

Die thermoplastischen Eigenschaften von ABS erlauben eine präzise Formgebung durch Spritzgussverfahren, wodurch Bauteile mit hoher Präzision und Detailtreue produziert werden können. Die molekulare Struktur von ABS unterstützt dabei die Erhaltung der mechanischen Eigenschaften auch nach wiederholtem Erhitzen und Abkühlen, was für die Produktionszyklen in der Automobilherstellung essenziell ist.

Darüber hinaus bietet die Einbettung von Additiven wie UV-Stabilisatoren und Schlagzähmodifikatoren die Möglichkeit, die Materialperformance von ABS je nach Anforderungsprofil gezielt zu modifizieren. Dadurch behalten ABS-Komponenten wie Armaturenbretter und Stoßfänger ihre Funktionalität und ästhetische Qualität auch unter langfristiger Beanspruchung bei verschiedenen Witterungs- und Betriebsbedingungen.

Handschuhe aus ABS

Die thermische Stabilität von ABS

Die Vielseitigkeit und thermische Stabilität von ABS sind auf seine molekulare Zusammensetzung zurückzuführen, die eine effektive Balance zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Hitzebeständigkeit bietet.

Die Ermittlung der thermischen Stabilität von ABS kann effizient mit Geräten wie der STA PT 1000 oder einer Chip-DSC (DSC) durchgeführt werden. Diese Geräte ermöglichen eine detaillierte Analyse der thermischen Merkmale von Materialien, einschließlich der Bewertung ihres Verhaltens bei thermischer Zersetzung.

Seine Anpassungsfähigkeit ermöglicht es, eine Vielzahl von Formen, von steifen bis hin zu leicht elastischen Strukturen, zu produzieren. Diese Eigenschaften machen es ideal für Gehäuse von Elektrogeräten, die sowohl widerstandsfähig gegen physische Stöße als auch gegen hohe Temperaturen sein müssen. Die thermische Stabilität von ABS, ergänzt durch spezielle Additive, sorgt dafür, dass es auch bei längeren Betriebszeiten und unter variablen Umgebungsbedingungen seine strukturelle Integrität und Funktionalität beibehält.

Gehäuse von Haushaltsgroßgeräten aus ABS

Die Glasübergangstemperatur von Acrylnitril-Butadien-Styrol

Die Glasübergangstemperatur (Tg) von ABS liegt bei etwa 105°C und ist ein kritischer Parameter, der dessen Verhalten bei thermischer Belastung bestimmt.

Die Tg lässt sich anhand mehrere Methoden bestimmen, einschließlich der thermomechanischen Analyse (TMA) und der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC). Instrumente wie das DIL L75 oder eine TMA sind in der Lage, mechanische Eigenschaften eines Materials, darunter die Festigkeit und die Verformbarkeit, zu evaluieren und zu messen.

Unterhalb der Tg behält ABS seine steife, glasartige Struktur, während es oberhalb dieser Temperatur in einen gummiartigen, flexibleren Zustand übergeht. Diese Eigenschaft ist besonders relevant für die Anwendung in Elektrogehäusen, wo Materialien erforderlich sind, die thermische Schwankungen ohne signifikante Verformung oder Festigkeitsverlust aushalten können.

Die Nähe der Tg zur Betriebstemperatur in vielen Anwendungen bedeutet, dass ABS seine mechanischen Eigenschaften unter normalen Betriebsbedingungen beibehält, was es zu einem optimalen Material für elektronische Komponenten macht, die eine Kombination aus mechanischer Stabilität und thermischer Resistenz erfordern.

Material für 3D Druck aus ABS

Verschiedene ABS-Arten

Hinsichtlich der verschiedenen ABS-Typen sorgen Unterschiede in der Kristallinität und den beigefügten Additiven für eine Palette mit unterschiedlichen physischen Eigenschaften. Zum Beispiel:

  • Spielzeug: Oft aus einem ABS-Typ gefertigt, der für seine Farbbeständigkeit und mechanische Festigkeit bekannt ist.

Spielzeugauto aus ABS

Armaturenbrett aus ABS

  • Rohre und Amaturen: ABS, das durch seine chemische Beständigkeit und Langlebigkeit überzeugt.
  • Computerzubehör: Ein flexibleres ABS, das häufig für seine Haltbarkeit und Formbeständigkeit verwendet wird.

Computerzubehör aus ABS

Applikation: Charakterisierung von Polymeren anhand einer Acrylnitril-Butadien-Styrol-Probe

App. Nr. 02-011-010 Chip-DSC – Polymerprobe (ABS) – Charakterisierung von Polymeren

App. Nr. 02-011-010 Chip-DSC – Polymerprobe (ABS) – Charakterisierung von Polymeren

In der thermischen Analyse wird es oft durch seinen Glasübergang bei ~ 100 °C charakterisiert. Die Glasübergangstemperatur wird durch die Menge der verwendeten Monomere beeinflusst. Der Nachweis von Tg ist daher eine gute Möglichkeit, die Qualität der Rohstoffe zu beurteilen.

In diesem Beispiel wurden zwei verschiedene ABS-Proben mittels Chip-DSC 1 mit einer Heizrate von 25 K/min gemessen. Beide Kurven zeigen den ersten Heizzyklus und in beiden Fällen ist der typische Glasübergang von ABS bei ca. 100 °C erkennbar.