耐候ABS材料研究

文 | 廣東省佛山市順德圓融新材料有限公司 楊華軍 桑 杰 嚴(yán)星桓

耐候ABS材料研究

文 | 廣東省佛山市順德圓融新材料有限公司 楊華軍 桑 杰 嚴(yán)星桓

通過(guò)自然氣候老化和紫外老化試驗(yàn)UV-B，研究了ABS塑料外觀顏色、力學(xué)性能在老化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：光穩(wěn)定劑的加入，ABS耐候性能提高，相較未加光穩(wěn)定劑ABS體系，ΔE值下降，沖擊保持率提高，受阻胺光穩(wěn)定劑A和紫外光吸收劑B、C并用有協(xié)同作用，光屏蔽劑的使用可以提高耐候性，從而降低成本。此外我們討論了自然氣候老化與熒光紫外老化UV-B的相關(guān)性。

ABS；耐候；自然老化；UV老化

1.言

ABS樹(shù)脂是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，具有良好的表面光澤和耐化學(xué)藥品性，具有堅(jiān)韌、質(zhì)硬的力學(xué)性能和良好的加工性，ABS廣泛應(yīng)用于電器、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域。而ABS最大的不足之處是耐候性較差，這是由于其分子中丁二烯所產(chǎn)生的雙鍵在紫外線作用下易受氧化降解的緣故。經(jīng)受290～330nm波長(zhǎng)的紫外線照射，氧化作用更甚[1]。實(shí)際使用結(jié)果表明，ABS在室外曝露7天，顏色已經(jīng)嚴(yán)重變黃，在室外曝露半年后，其沖擊強(qiáng)度便下降45%[2]。本試驗(yàn)在ABS樹(shù)脂中加入光穩(wěn)定劑，自然氣候老化和紫外老化試驗(yàn)UV-B，研究了ABS的耐候性，并通過(guò)比較兩種老化試驗(yàn)的結(jié)果，討論了自然氣候老化與熒光紫外老化UV-B的相關(guān)性。

2.驗(yàn)部分

2.1.料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

ABS樹(shù)脂：上海高橋石油化工公司；抗氧劑：Irganox10 10、Irgafos168，瑞士汽巴公司；受阻胺型光穩(wěn)定劑（HALS）：A，瑞士汽巴公司；紫外線吸收型光穩(wěn)定劑：B、C，瑞士汽巴公司；金紅石型鈦白粉，市售；ZnO：市售；硬脂酸鈣：市售。

雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-35，南京廣達(dá)化工裝備有限公司；高速混合機(jī)：GH2100Y，北京市塑料機(jī)械廠；注塑機(jī)：MJ55型，震雄集團(tuán)；懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)：XJU-5.5型，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司；紫外光老化儀：QUV/Spray型，美國(guó)Q-Lab公司；色差儀：CR-400，蘇州宇宏光電科技有限公司。

2.2.品制備

圖1.品制備工藝流程圖

樣品制備工藝過(guò)程如圖1所示。工藝條件：雙螺桿擠出機(jī)溫度設(shè)置為180-200℃；注射成型機(jī)溫度設(shè)置為180-200℃。使用前將ABS在鼓風(fēng)干燥箱中80℃下干燥2h。所用助劑包括抗氧劑、光穩(wěn)定劑及其它加工助劑。

2.3.驗(yàn)配方

如表1。

2.4.驗(yàn)方法及條件

（1）自然氣候老化試驗(yàn)，按照GB/T 3681-2000《塑料大氣暴露試驗(yàn)方法》進(jìn)行自然氣候老化試驗(yàn)，暴露地點(diǎn)順德，樣品朝南，與水平面成45°角。

（2）UV-B測(cè)試條件：紫外暴露8小時(shí)，黑板溫度60℃±3℃，冷凝4小時(shí)（不光照），溫度50℃±3℃，12小時(shí)為一個(gè)循環(huán)（燈管：波長(zhǎng)為280nm-315nm的熒光紫外燈(UV-B )，8支燈管，輻照強(qiáng)度：0.55 W/m2)。

2.5.能測(cè)試

按GB/T 1843-1996《塑料懸臂梁沖擊試驗(yàn)方法》檢測(cè)ABS老化前后的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度，環(huán)境溫度25℃，所得測(cè)試結(jié)果為同組樣品10次測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值。樣品色差ΔE用色差儀測(cè)試。

3.果與討論

3.1.BS的耐候性比較

3.1.1.BS自然氣候老化性能比較

3.1.1.1.化時(shí)間對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響

ABS隨著老花時(shí)間的增加，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度變化如表2所示。隨著老化時(shí)間的增加，5種ABS的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度均下降，其中ABS 4#下降得最慢，其懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率在5種ABS中始終保持最高，耐候性能最好，

表1.候ABS試驗(yàn)配方

表2.候ABS自然氣候老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果（缺口沖擊保持率，%）

表3.候ABS色差變化

其次是3#和5#，耐候性最差的是1#和2#。ABS 1#的耐候性比ABS 2#差，而兩者的耐候性相差不大，其中2#先期耐候性較好，6個(gè)月后與1#非常接近，12個(gè)月后兩者的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率只相差1%。

3.1.1.2.化時(shí)間對(duì)制品色差的影響

隨著我國(guó)家電企業(yè)的不斷發(fā)展壯大，家電出口份額逐年增大。家電出口一般長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)，特別是出口到中東和熱帶地區(qū)的產(chǎn)品，ABS塑料制件容易產(chǎn)生黃變等問(wèn)題。同時(shí)，人們生活水平的不斷提高對(duì)家電的外觀要求越來(lái)越高，家電塑料部件在使用過(guò)程中顏色的穩(wěn)定性受到廣泛關(guān)注。因此，除了材料物性的要求，制品外觀、顏色也至關(guān)重要。ABS隨著老花時(shí)間的增加，色差變化如表3所示。

表4.候ABS UV-B老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果（沖擊保持率）

表5.候ABS UV-B老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果（色差變化）

表6. ABS 3#的自然氣候老化缺口沖擊保持率和ΔE變化

表7.BS 3#的UV-B老化缺口沖擊保持率和ΔE變化

N. D. SEAHLE等人[3]在研究ABS的波長(zhǎng)敏感性時(shí)認(rèn)為：導(dǎo)致ABS光化學(xué)變黃的波長(zhǎng)在30nm～380nm之間，而其發(fā)白是由380nm～525nm 波長(zhǎng)引起的。在我們的試驗(yàn)中，ABS僅7天就出現(xiàn)變白現(xiàn)象，在維持一段時(shí)間之后開(kāi)始變黃。

在制品變白階段，1#～3#變色時(shí)間差不多，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)變白現(xiàn)象是波長(zhǎng)380nm～525nm可見(jiàn)光引起的，這也說(shuō)明添加穩(wěn)定劑對(duì)大于380 nm 的長(zhǎng)波輻照引起的ABS光變白未能提供保護(hù)；而4#～5#，變白現(xiàn)象稍晚，這說(shuō)明光屏蔽劑對(duì)大于380 nm 的長(zhǎng)波輻照有一定保護(hù)作用。

在制品黃變階段()，變黃最快的為未經(jīng)穩(wěn)定的1#，此后依次是2#、3#、5#，最后是4#，色差ΔE變化也是如此，這說(shuō)明光穩(wěn)定劑的加入，有效地減弱了波長(zhǎng)30nm～380nm的之間紫外光的破壞作用，提高了制品的耐候性能，也提高了制品的顏色穩(wěn)定性。

3.1.2.BS UV-B老化試驗(yàn)?zāi)秃蛐员容^

3.1.2.1.外光照射時(shí)間對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響

5種配方ABS在UV-B紫外光老化試驗(yàn)中的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度變化如表4所示。隨著紫外光照射時(shí)間的增加，ABS的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度均下降，其中ABS 4#下降得最慢，其懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率在5種ABS中始終保持最高，耐候性能最好，其次是3#和5#，耐候性最差的是1#和2#。

ABS 1#只添加了抗氧劑，因此其耐候性較差；ABS 2#除添加抗氧劑外，還添加了紫外線吸收型光穩(wěn)定劑B，B是屬于苯并三唑類紫外線吸收劑，其作用原理是吸收300～400nm的紫外線，并以能量轉(zhuǎn)換的形式將吸收的能量以熱能或無(wú)害的低能輻射釋放出來(lái)或消耗掉，阻止高能量的紫外線引起高聚物進(jìn)行光氧化降解。但由于耐候劑為單獨(dú)使用，抗紫外途徑單一，雖然早期耐候性較好，總體效果還不夠理想。

ABS 3# 的耐候性能相對(duì)ABS 1#～2#耐候性有很大提高，ABS 3#中用受阻胺光穩(wěn)定劑A、紫外線吸收劑B及C進(jìn)行了復(fù)配，三種助劑的添加總量與ABS 2#耐候劑的添加總量相同，數(shù)據(jù)表明，受阻胺光穩(wěn)定劑A、紫外線吸收劑B及C復(fù)配具有協(xié)同作用。

ABS 4#和ABS 5#耐候性能進(jìn)一步提高，這是因?yàn)槌颂砑拥攘渴茏璋饭夥€(wěn)定劑A、紫外線吸收劑B及C外，還分別加入了光屏蔽劑金紅石型TiO2和ZnO，這說(shuō)明光屏蔽劑的復(fù)配使用可以提高制品的耐候性，相對(duì)價(jià)格較高的耐候劑來(lái)說(shuō)，光屏蔽劑的使用不僅可以提高體系耐候性能，還可以降低成本。

3.1.2.2.外光照射時(shí)間對(duì)制品色差的影響

表5為制品顏色色差隨紫外光照射時(shí)間變化表。我們發(fā)現(xiàn)，在紫外光的照射下，耐候ABS逐漸變黃，這是因?yàn)檎丈鋾r(shí)間的增加，紫外光累計(jì)輻照強(qiáng)度也會(huì)增加，故而ABS逐漸黃變，這也應(yīng)證了導(dǎo)致ABS光化學(xué)變黃的原因是紫外線。同時(shí)，隨著照射時(shí)間的增加，色差ΔE變化也逐漸增大，其中變化最大的是未經(jīng)穩(wěn)定的1#，此后依次是2#、3#、5#，最后是4#。同紫外光照射時(shí)間對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響類似，光穩(wěn)定劑和光屏蔽劑的加入，提高了ABS的耐候性，提高了ABS的顏色穩(wěn)定性。

3.2.然氣候老化與UV-B紫外光老化的相關(guān)性

以ABS 3#的自然氣候老化和UV-B紫外光老化的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)討論兩種試驗(yàn)方法的相關(guān)性。

從表6和表7可看出，隨著自然氣候老化和UV-B紫外光老化時(shí)間的增加， ABS 3#的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率均下降。在自然氣候老化中，ΔE值先增大，后又逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；UV-B紫外光老化試驗(yàn)中，ΔE值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。

塑料的老化過(guò)程是比較復(fù)雜的，它受塑料自身結(jié)構(gòu)和氣候條件的影響，氣候條件不同對(duì)它的老化影響程度也不同，而且它的性能改變程度在每段時(shí)間都不同，可能在初期性能下降得較快，之后下降得慢；也可能與之相反。如自然氣候老化3個(gè)月至6個(gè)月，ABS 3#的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率下降22%；自然氣候老化6個(gè)月至12個(gè)月，ABS 3#的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率只下降7%。而UV-B紫外光老化試驗(yàn)，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率下降呈線性下降趨勢(shì)。自然氣候老化和UV-B紫外光老化ΔE值變化也呈現(xiàn)相同規(guī)律。

這說(shuō)明除了在表征材料耐候性能優(yōu)劣，或者表征材料是否為耐候材料之外，自然氣候老化和UV-B紫外光老化相關(guān)性并不密切。這其中可能有兩個(gè)原因：1）自然氣候老化過(guò)程中，材料老化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，氣候的變化對(duì)材料老化影響巨大，而UV-B紫外光老化是在指定的程序運(yùn)行，輻照強(qiáng)度變化不大，氣候模擬單調(diào)；2）UV-B只模擬了紫外光部分，而對(duì)可見(jiàn)光部分并沒(méi)模擬，所以與自然氣候老化會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。因此，UV-B紫外光老化不能用于自然條件的完全模擬，而多用于質(zhì)量控制和研究開(kāi)發(fā)部門(mén)研發(fā)工作中。

本試驗(yàn)采用懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度和色差ΔE值作為ABS耐候性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅作參考。實(shí)際試驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)具體材料選用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同的材料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)也不一樣；同一材料，在同一試驗(yàn)中，不同的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出的結(jié)論也不同。所以，應(yīng)該結(jié)合材料的實(shí)際使用情況，選用最能反映材料使用壽命的性能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.論

（1）添加了受阻胺型光穩(wěn)定劑A和紫外線吸收型光穩(wěn)定劑B、C的ABS耐候性較好，光穩(wěn)定劑A和B、C在ABS中并用有協(xié)同作用。

（2）光屏蔽劑劑金紅石型TiO2和ZnO不僅可以提高體系耐候性能，相對(duì)價(jià)格較高的耐候劑來(lái)說(shuō)，光屏蔽劑的使用還可以降低成本，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

（3）自然氣候老化試驗(yàn)與紫外光老化試驗(yàn)（UV-B）相關(guān)性不大，但紫外光老化試驗(yàn)（UV-B）可以在較短時(shí)間內(nèi)，獲得塑料材料的耐候性能，有利于新材料的研制與開(kāi)發(fā)，并對(duì)指導(dǎo)塑料的生產(chǎn)與使用有重要意義。

[1] 化工部合成材料研究院，金?；び邢薰揪? 聚合物防老化實(shí)用冊(cè). 北京化學(xué)工業(yè)出版社，1999，第l版.

[2] 申屠寶卿，解孝林，蔡啟振. ABS的老化及其防老化. 工程塑料應(yīng)用，1996，24(1)：53 ～ 56.

[3] Seade N D, N L Maecker, L F E Crewdson. Wavelength sensitivity of acrylonitrile-butadiene-styrene. J Polym Sci Part A, 1989, 27:1341～1357.

Study on ABS Property of Resistance to Weathering

This article investigates the changes of ABS plastics color and mechanical properties by means of the aging tests including resistance to natural weathering test and resistance to Fluorescent UV lamp artificial weathering(UV-B Test) test. The testing results showed that the addition of Hindered amine light stabilizer(HALS) increases ABS property of resistance to weathering. Vice versa, the ABS system, ΔE value drops and the impact retention effect improves. HALS and UV absorber B, C, have outstanding synergistic effect. The use of light shielding agent can improve weather resistance property and reduce costs. The relationship between natural weathering and Fluorescent UV lamp artificial weathering was discussed.

ABS；resistance to weathering；natural weathering；Fluorescent UV lamp artificial weathering

楊華軍(1983-)，男，碩士，主要從事高分子材料改性與加工方面的研究，已發(fā)表論文3篇。