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 嚴星桓

通過自然氣候老化和紫外老化試驗UV-B，研究了ABS塑料外觀顏色、力學性能在老化實驗過程中的變化。試驗結果表明：光穩定劑的加入，ABS耐候性能提高，相較未加光穩定劑ABS體系，ΔE值下降，沖擊保持率提高，受阻胺光穩定劑A和紫外光吸收劑B、C并用有協同作用，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的相關性。

ABS；耐候；自然老化；UV老化

1.言

ABS樹脂是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，具有良好的表面光澤和耐化學藥品性，具有堅韌、質硬的力學性能和良好的加工性，ABS廣泛應用于電器、汽車、機械等領域。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生的雙鍵在紫外線作用下易受氧化降解的緣故。經受290～330nm波長的紫外線照射，氧化作用更甚[1]。實際使用結果表明，ABS在室外曝露7天，顏色已經嚴重變黃，在室外曝露半年后，其沖擊強度便下降45%[2]。本試驗在ABS樹脂中加入光穩定劑，自然氣候老化和紫外老化試驗UV-B，研究了ABS的耐候性，并通過比較兩種老化試驗的結果，討論了自然氣候老化與熒光紫外老化UV-B的相關性。

2.驗部分

2.1.料及實驗設備

ABS樹脂：上海高橋石油化工公司；抗氧劑：Irganox10 10、Irgafos168，瑞士汽巴公司；受阻胺型光穩定劑（HALS）：A，瑞士汽巴公司；紫外線吸收型光穩定劑：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：SHJ-35，南京廣達化工裝備有限公司；高速混合機：GH2100Y，北京市塑料機械廠；注塑機：MJ55型，震雄集團；懸臂梁沖擊試驗機：XJU-5.5型，承德市金建檢測儀器有限公司；紫外光老化儀：QUV/Spray型，美國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

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

2.3.驗配方

如表1。

2.4.驗方法及條件

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

（2）UV-B測試條件：紫外暴露8小時，黑板溫度60℃±3℃，冷凝4小時（不光照），溫度50℃±3℃，12小時為一個循環（燈管：波長為280nm-315nm的熒光紫外燈(UV-B )，8支燈管，輻照強度：0.55 W/m2)。

2.5.能測試

按GB/T 1843-1996《塑料懸臂梁沖擊試驗方法》檢測ABS老化前后的懸臂梁缺口沖擊強度，環境溫度25℃，所得測試結果為同組樣品10次測試數據的平均值。樣品色差ΔE用色差儀測試。

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.化時間對沖擊強度的影響

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

表1.候ABS試驗配方

表2.候ABS自然氣候老化實驗結果（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個月后與1#非常接近，12個月后兩者的懸臂梁缺口沖擊強度保持率只相差1%。

3.1.1.2.化時間對制品色差的影響

隨著我國家電企業的不斷發展壯大，家電出口份額逐年增大。家電出口一般長途運輸時間較長，特別是出口到中東和熱帶地區的產品，ABS塑料制件容易產生黃變等問題。同時，人們生活水平的不斷提高對家電的外觀要求越來越高，家電塑料部件在使用過程中顏色的穩定性受到廣泛關注。因此，除了材料物性的要求，制品外觀、顏色也至關重要。ABS隨著老花時間的增加，色差變化如表3所示。

表4.候ABS UV-B老化實驗結果（沖擊保持率）

表5.候ABS UV-B老化實驗結果（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的波長敏感性時認為：導致ABS光化學變黃的波長在30nm～380nm之間，而其發白是由380nm～525nm 波長引起的。在我們的試驗中，ABS僅7天就出現變白現象，在維持一段時間之后開始變黃。

在制品變白階段，1#～3#變色時間差不多，這是因為出現變白現象是波長380nm～525nm可見光引起的，這也說明添加穩定劑對大于380 nm 的長波輻照引起的ABS光變白未能提供保護；而4#～5#，變白現象稍晚，這說明光屏蔽劑對大于380 nm 的長波輻照有一定保護作用。

在制品黃變階段()，變黃最快的為未經穩定的1#，此后依次是2#、3#、5#，最后是4#，色差ΔE變化也是如此，這說明光穩定劑的加入，有效地減弱了波長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定性。

3.1.2.BS UV-B老化試驗耐候性比較

3.1.2.1.外光照射時間對沖擊強度的影響

5種配方ABS在UV-B紫外光老化試驗中的懸臂梁缺口沖擊強度變化如表4所示。隨著紫外光照射時間的增加，ABS的懸臂梁缺口沖擊強度均下降，其中ABS 4#下降得最慢，其懸臂梁缺口沖擊強度保持率在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，并以能量轉換的形式將吸收的能量以熱能或無害的低能輻射釋放出來或消耗掉，阻止高能量的紫外線引起高聚物進行光氧化降解。但由于耐候劑為單獨使用，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ABS 1#～2#耐候性有很大提高，ABS 3#中用受阻胺光穩定劑A、紫外線吸收劑B及C進行了復配，三種助劑的添加總量與ABS 2#耐候劑的添加總量相同，數據表明，受阻胺光穩定劑A、紫外線吸收劑B及C復配具有協同作用。

ABS 4#和ABS 5#耐候性能進一步提高，這是因為除了添加等量受阻胺光穩定劑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，這說明光屏蔽劑的復配使用可以提高制品的耐候性，相對價格較高的耐候劑來說，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.外光照射時間對制品色差的影響

表5為制品顏色色差隨紫外光照射時間變化表。我們發現，在紫外光的照射下，耐候ABS逐漸變黃，這是因為照射時間的增加，紫外光累計輻照強度也會增加，故而ABS逐漸黃變，這也應證了導致ABS光化學變黃的原因是紫外線。同時，隨著照射時間的增加，色差ΔE變化也逐漸增大，其中變化最大的是未經穩定的1#，此后依次是2#、3#、5#，最后是4#。同紫外光照射時間對沖擊強度的影響類似，光穩定劑和光屏蔽劑的加入，提高了ABS的耐候性，提高了ABS的顏色穩定性。

3.2.然氣候老化與UV-B紫外光老化的相關性

以ABS 3#的自然氣候老化和UV-B紫外光老化的試驗結果來討論兩種試驗方法的相關性。

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

塑料的老化過程是比較復雜的，它受塑料自身結構和氣候條件的影響，氣候條件不同對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個月至6個月，ABS 3#的懸臂梁缺口沖擊強度保持率下降22%；自然氣候老化6個月至12個月，ABS 3#的懸臂梁缺口沖擊強度保持率只下降7%。而UV-B紫外光老化試驗，懸臂梁缺口沖擊強度保持率下降呈線性下降趨勢。自然氣候老化和UV-B紫外光老化ΔE值變化也呈現相同規律。

這說明除了在表征材料耐候性能優劣，或者表征材料是否為耐候材料之外，自然氣候老化和UV-B紫外光老化相關性并不密切。這其中可能有兩個原因：1）自然氣候老化過程中，材料老化是一個復雜的過程，氣候的變化對材料老化影響巨大，而UV-B紫外光老化是在指定的程序運行，輻照強度變化不大，氣候模擬單調；2）UV-B只模擬了紫外光部分，而對可見光部分并沒模擬，所以與自然氣候老化會出現不同的結果。因此，UV-B紫外光老化不能用于自然條件的完全模擬，而多用于質量控制和研究開發部門研發工作中。

本試驗采用懸臂梁缺口沖擊強度和色差ΔE值作為ABS耐候性的評價指標，試驗數據僅作參考。實際試驗中應根據具體材料選用性能評價指標，不同的材料性能評價指標也不一樣；同一材料，在同一試驗中，不同的性能評價指標，得出的結論也不同。所以，應該結合材料的實際使用情況，選用最能反映材料使用壽命的性能作為評價指標。

4.論

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

（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，相對價格較高的耐候劑來說，光屏蔽劑的使用還可以降低成本，對實際生產具有重要意義。

（3）自然氣候老化試驗與紫外光老化試驗（UV-B）相關性不大，但紫外光老化試驗（UV-B）可以在較短時間內，獲得塑料材料的耐候性能，有利于新材料的研制與開發，并對指導塑料的生產與使用有重要意義。

[1] 化工部合成材料研究院，金海化工有限公司編. 聚合物防老化實用冊. 北京化學工業出版社，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，已發表論文3篇。