基于实验设计的ABS树脂老化原因与寿命预测方法

2025-03-25

ABS树脂作为五大合成树脂之一,以其优异的抗冲击性、尺寸稳定性、表面光泽度及易加工性,广泛应用于家电、汽车、电子电器等领域。然而,ABS树脂中的不饱和碳碳双键使其在热、氧、紫外光等作用下易发生降解变色,限制了其应用范围。


目前,ABS的生产工艺主要包括乳液接枝-掺混法和连续本体法。其中,乳液接枝-本体SAN掺混法占全球产量的85%以上,其橡胶含量高、粒径小,但颜色偏黄;而连续本体法生产的ABS白度高、橡胶粒径大,但橡胶含量较低。


不同生产工艺和组成结构对ABS树脂的耐候性有显著影响。为了深入研究ABS树脂在光、热、氧、湿气等环境下的老化行为,本文选取了典型的乳液法和本体法ABS树脂,通过户外暴晒、氙灯老化箱、鼓风热烘箱和恒温恒湿箱等实验手段,系统评估其耐候性差异,为提升产品性能和延长使用寿命提供科学依据。


1 实验部分

1.1 主要原料

涉及的 ABS 树脂原材料信息见表 1。

表 1 实验所用 ABS 树脂信息

1.png


1.2 性能测试与表征

1.2.1 顶空气相色谱分析

顶空加热温度 120℃,静态恒温 5h,顶空进样针温度 130℃,进样量 0.3mL;色谱柱温变化(程序升温):起始温度为 40℃,保持 10min,然后以 5℃/min 的速率升至 200℃,保持 10min。


1.2.2 户外暴晒实验

按 GB/T 3681-2000《塑料大气暴露实验方法》进行户外暴晒,暴晒地点为广州,样品与水平成 45°角固定,并朝南放置。


1.2.3 氙灯老化

按 ISO 4892.2:2006 进行氙灯老化试验。试验采用 cycle Ⅰ条件,即:持续光照;辐照度(300~400)nm 为(60±2)W/m²;黑标温度(65±3)℃;箱体温度(38±3)℃;相对湿度(65±5)%;喷淋周期:102min 不喷淋 /18min 喷淋。


1.2.4 热老化

按 GB/T 7141《塑料热空气暴露试验方法》进行热老化试验,试验温度为 60℃。


1.2.5 湿热老化

按 GB/T 12000《塑料暴露于湿热、水喷雾和盐雾中影响的测定》进行湿热老化试验。试验温度为 50℃,湿度为 90%RH。


1.2.6 颜色测试

按 GB/T 3979-2008《物体色的测量方法》评价色板的颜色变化,并辅助目视。


2 结果与讨论

2.1 乳液法和本体法 ABS 树脂中的杂质分析

ABS 树脂中所含金属离子可通过电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测出,而有机小分子物质可以通过顶空气相色谱法(HS-GC)分析得出。表 2 为采用 ICP-AES 测得 ABS 树脂中总金属离子含量的结果。总共测试了 ABS 树脂中 19 中常见的金属离子,并统计总含量。


表 2 不同乳液法和本体法 ABS 树脂中金属离子含量检测结果

2.png


由表 2 可知,本体法 ABS 树脂所含金属离子含量远小于乳液法 ABS。进一步分析可知,主要是因为乳液法 ABS 树脂在合成时加入大量的乳化剂和凝聚剂,这些助剂都含有大量的金属离子,而本体法 ABS 合成时无需加入这些助剂。


对于 ABS 树脂中残留的有机小分子物质,采用 HS-GC 方法分析得到的色谱图,如图 1 所示。

3.png

图 1 不同乳液法和本体法 ABS 树脂的气相色谱图


由图 1 可知,几种乳液法 ABS 树脂的主要峰出现在保留时间为 6.7min 和 8.6min,而本体法 ABS 树脂的主要峰出现在 6min 和 7.9min。EABS4 树脂在保留时间 6.7min 处只有极弱的峰,而 EABS1 树脂在保留时间 9.6min 处出现一较强峰。通过建立峰面积与总挥发性有机物含量(TVOC)的标准曲线,可以计算出 ABS 树脂中所含总挥发性有机物含量,其计算结果列于表 3。由表 3 可知,本体法 ABS 树脂的 TVOC 含量远小于乳液法 ABS 树脂。EABS1 树脂的 TVOC 含量最大。


表 3 不同乳液法和本体法 ABS 树脂中总挥发性有机物含量检测结果

4.png

2.2 不同老化方法的测试结果

2.2.1 户外暴晒

从图 2(a)看出 EABS1 树脂,其胶含量比其他树脂高很多,因此经户外暴晒,将会有更多的不饱和双键受光照、热、氧等作用被降解,树脂老化程度加剧。


从图 2(b)所示,可以发现乳液法 ABS 树脂受光照并不是一直是变黄,而是在初期先变蓝之后慢慢开始持续变黄。可能是由于 ABS 树脂在合成过程中残留的各种杂质(如苯乙烯或酚类抗氧剂等)吸收了太阳光中的可见光部分(大于 380nm),对 ABS 树脂起“漂白作用”,从而大大削弱了紫外光的黄化作用,使 ABS 树脂变蓝。

5.png

图 2 乳液法 ABS 树脂在户外暴晒的颜色变化


相比乳液法 ABS,本体法 ABS 树脂的色差快速变大,表现为耐户外暴晒性能很差,如图 3(b)所示。

6.png

图 3 本体法 ABS 树脂在户外暴晒的颜色变化 


2.2.2 氙灯老化

乳液法 ABS 树脂在氙灯照射下也是在初期先变蓝之后慢慢开始变黄,如图 4(b)所示。不同于户外暴晒的是,变蓝只维持了很短的时间(<3 天),之后则快速变黄。

7.png

图 4 乳液法 ABS 树脂受氙灯老化的颜色变化


本体法 ABS 受氙灯照射色差快速增大,比乳液法 ABS 变色快。目测所有样品的色板,明显发黄严重,如图 5(a)所示。

8.png

图 5 本体法 ABS 树脂受氙灯老化的颜色变化


2.2.3 热老化

由前面分析 ABS 树脂中金属离子总含量的结果可知,本体法 ABS 树脂所含金属离子杂质明显少于乳液法 ABS。进一步对比乳液法 ABS 树脂中金属离子总含量,可知 EABS5<EABS2<EABS4≈EABS3。由此可认为,ABS 树脂在热老化过程中,变色程度不仅受 ABS 树脂本身黄化影响,而且树脂中含有的金属离子杂质可能也会影响其变色。


9.png

图 6 不同 ABS 树脂受热老化的颜色变化


2.2.4 湿热老化

结果与热老化基本一致,也是本体法 ABS 树脂耐湿热老化优于乳液法 ABS 树脂,且不同本体法 ABS 树脂的变色差异不明显而不同乳液法 ABS 树脂的变色差异大。

10.png

图 7 不同 ABS 树脂受湿热老化的颜色变化


2.3 ABS 树脂在不同老化条件下的比较

对比图 2(a) 和图 4(a)、图 3(a) 和图 5(a) 可知,无论是乳液法 ABS 树脂还是本体法 ABS 树脂,经户外暴晒和氙灯老化,其颜色变化趋势都是初期先增大再减小,之后持续增大的过程。这预示着自然暴晒和氙灯老化具有一定的相关性。


对比两者变色程度,可以发现氙灯老化使 ABS 树脂在较短时间内快速变色,而户外暴晒则只能使其缓慢地变色。如果能找到两者的相关性,则可使用氙灯老化来近似替代户外老化,就不用通过长期的户外暴晒试验来评价材料的耐候性,从而极大地缩短耐候产品的开发周期。以色差为评价指标,对比乳液法 ABS 树脂和本体法 ABS 树脂的户外暴晒和氙灯老化色差数据,可以发现,对于本体法 ABS 树脂,氙灯老化 28 天的色差变化近似相当于在广州户外暴晒 90 天所产出的色差,而对于乳液法 ABS 树脂,氙灯老化 35 天反映了广州户外暴晒约 90 天的色差变化。


从图 6(a) 和图 7(a) 可以看出,ABS 树脂在无紫外光照射条件而仅受热氧、湿热作用下的变色较弱。结合户外和氙灯老化的变色可知,ABS 树脂在有紫外光照射时变色非常快速。所以,光照是 ABS 树脂在户外变色的主要原因。这主要是因为 ABS 树脂中不饱和双键等生色基团对紫外光非常敏感。


在线留言
ONLINE MESSAGE
请输入您的联系方式,我们会尽快回复您。