ABS findet breite Anwendung in technischen Produkten und Konsumgütern – von Haushaltsgeräten und Alltagsgegenständen bis hin zu Automobilteilen und Elektronikgehäusen. Es hat sich zu einem der unverzichtbarsten Werkstoffe in der industriellen Fertigung und im täglichen Leben entwickelt. Dieser Artikel erklärt, was ABS-Kunststoff ist, wie er verarbeitet wird und wofür er eingesetzt wird.
Überblick über ABS-Kunststoff
ABS (Abkürzung für Acrylnitril-Butadien-Styrol) ist ein hochleistungsfähiger thermoplastischer technischer Kunststoff, allgemein bekannt als ABS-Harz. Er vereint hervorragende Festigkeit, ausgezeichnete Zähigkeit und gute Verarbeitbarkeit und zählt daher zu den meistproduzierten und am weitesten verbreiteten Polymeren der Gegenwart.
ABS vereint die besten Eigenschaften von Polystyrol (PS), Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) und Butadienkautschuk (BS) und bietet so eine ausgewogene Mischung aus Zähigkeit, Steifigkeit und Härte mit beeindruckenden mechanischen Eigenschaften. Chemisch gesehen ist es ein Terpolymer aus drei Monomeren: Acrylnitril (A), Butadien (B) und Styrol (S).
Dank seiner vielseitigen und ausgewogenen Eigenschaften lässt sich ABS mit einer Vielzahl gängiger Verarbeitungsverfahren wie Spritzgießen, Extrusion, Blasformen und Kalandrieren formen. Es eignet sich auch gut für Nachbearbeitungen wie CNC-BearbeitungKleben, Lackieren, Vakuummetallisieren und mehr.
Eigenschaften von ABS-Materialien
ABS ist ein hellgelbes, körniges oder pulverförmiges, undurchsichtiges Harz. Es ist ungiftig, geruchlos, leicht und hat eine relative Dichte von 1.04–1.07. Es zeichnet sich durch hervorragende Schlagfestigkeit, gute Tieftemperatureigenschaften und Chemikalienbeständigkeit, ausgezeichnete Dimensionsstabilität, hohen Oberflächenglanz sowie gute Lackier- und Farbeigenschaften aus. Zu seinen Nachteilen zählen Entflammbarkeit, niedrige Wärmeformbeständigkeit und geringe Witterungsbeständigkeit. Die folgende Tabelle zeigt die typischen Eigenschaften verschiedener ABS-Harzsorten.
| Artikel | Allgemeiner Zweck | Mittlere Auswirkungen | Hohe Wirkung | Hitzebeständig | Galvanikqualität |
| Signaldichte | 1.02 ~ 1.06 | 1.04 ~ 1.05 | 1.02 ~ 1.04 | 1.04 ~ 1.06 | 1.04 ~ 1.06 |
| Zugfestigkeit, MPa | 33 ~ 52 | 41 ~ 47 | 33 ~ 44 | 41 ~ 52 | 38 ~ 44 |
| Dehnung,% | 10-20 | 15-50 | 15-70 | 5-20 | 10-30 |
| Biegefestigkeit, MPa | 68-87 | 68-80 | 55-68 | 68-90 | 69-80 |
| Biegemodul, GPa | 2.0-2.6 | 2.2-2.5 | 1.8-2.2 | 2.1-2.8 | 2.3-2.7 |
| Izod-Schlagzähigkeit (23℃), (J/m) | 105-215 | 215-375 | 375-440 | 120-320 | 265-375 |
| Rockwell-Härte (R) | 100-110 | 95-105 | 88-100 | 100-112 | 103-110 |
| Wärmeformbeständigkeitstemperatur (4.82 MPa)/℃ | 87-96 | 89-96 | 91-100 | 105-121 | 95-100 |
| Linearer Ausdehnungskoeffizient, 10⁻⁵ /℃ | 7.0-8.8 | 7.8-8.8 | 9.5-11.0 | 6.4-9.3 | 6.5-7.0 |
Mechanische Eigenschaften
ABS-Harz zeichnet sich durch eine hervorragende Schlagzähigkeit aus: Hochschlagzähe Sorten erreichen bei Raumtemperatur bis zu 400 J/m² und behalten selbst bei -40 °C noch Werte über 120 J/m². Es handelt sich um ein heterogenes Zweiphasensystem, wobei das Harz die kontinuierliche Phase und der Kautschuk die dispergierte Phase (in der Harzmatrix dispergierte Kautschukpartikel) bildet. Die überlegene Schlagzähigkeit ist darauf zurückzuführen, dass die Kautschukpartikel die äußere Aufprallenergie absorbieren und die Rissausbreitung hemmen. Die Schlagzähigkeit korreliert mit dem Kautschukgehalt, dem Pfropfungsgrad und der Partikelgröße.
ABS-Kunststoff weist eine gute Verschleißfestigkeit auf. Obwohl er sich nicht für selbstschmierende Werkstoffe eignet, ermöglicht seine ausgezeichnete Dimensionsstabilität den Einsatz in Lagern mit mittlerer Belastung.
Thermische Eigenschaften
Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur von ABS-Harz liegt unter einer Belastung von 1.82 MPa bei etwa 93 °C und steigt nach dem Tempern um 6–10 °C. Aufgrund seiner amorphen Struktur weist es ein stabiles Spannungs-Temperatur-Verhalten auf: Eine Reduzierung der Belastung von 1.82 MPa auf 0.45 MPa erhöht die Wärmeformbeständigkeitstemperatur lediglich um 4–8 °C. Hitzebeständige Sorten erreichen Temperaturen bis zu 115 °C. Die Sprödigkeitstemperatur liegt bei -7 °C, und selbst bei -40 °C behält das Material noch eine beachtliche Festigkeit. Der Einsatztemperaturbereich erstreckt sich von -40 °C bis 100 °C. Der lineare Ausdehnungskoeffizient liegt zwischen 6.4 × 10⁻⁵ °C und 11.0 × 10⁻⁵ °C (einer der niedrigsten Werte unter den Thermoplasten). Die thermische Stabilität ist für technische Kunststoffe relativ gering: Bei 260 °C kommt es zur Zersetzung, wobei giftige flüchtige Substanzen freigesetzt werden. ABS ist brennbar und nicht selbstverlöschend.
Elektrische Eigenschaften
ABS-Harz bietet eine gute elektrische Isolation über einen weiten Frequenzbereich und wird nur minimal von Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Die elektrischen Leistungsdaten sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
| Artikel | 60Hz | 10³Hz | 10⁶Hz |
| Dielektrizitätskonstante (23℃) | 3.73-4.01 | 2.75-2.96 | 2.44-2.85 |
| Dielektrischer Verlustfaktor (23℃) | 0.004-0.007 | 0.006-0.008 | 0.008-0.010 |
| Volumenspezifischer Widerstand, Ω·cm | (1.05~3.60)×1016 | (1.05~3.60)×1016 | (1.05~3.60)×1016 |
| Lichtbogenwiderstand, S | 66-82 | 66-82 | 66 bis 82 |
| Durchschlagsfestigkeit, (kV/mm) | 14-15 | 14-15 | 14-15 |
Chemische Resistenz
ABS-Harz weist eine gute chemische Beständigkeit auf: Nitrilgruppen in seiner Molekularstruktur machen es nahezu inert gegenüber verdünnten Säuren, Basen und Salzen. Es ist löslich in Ketonen, Aldehyden, Estern und chlorierten Kohlenwasserstoffen; unlöslich in den meisten Alkoholen (weicht jedoch nach einigen Stunden in Methanol auf); und quillt bei längerem Kontakt mit Kohlenwasserstofflösungsmitteln auf. Wie die meisten Kunststoffe neigt auch ABS unter Belastung zur Spannungsrisskorrosion, wenn es chemischen Reagenzien (z. B. Essigsäure, Pflanzenölen) ausgesetzt ist. Die folgende Tabelle zeigt Massenveränderungen und Veränderungen des Aussehens nach längerem Eintauchen in ausgewählte Chemikalien.
| Chemischer Name | Massenänderungsrate, % | Massenänderungsrate, % | Aussehen ändern |
| 30d | 365d | ||
| Cyclohexan | +0.03 | +0.51 | Leichte Schwellung |
| Raffiniertes Terpentin | +0.19 | +0.31 | - |
| 10% Zitronensäure | +0.62 | +0.74 | Bräunlich |
| 6%ige Chromsäure | +0.58 | +0.71 | Bräunlich |
| 2.5 % Calciumchlorid | +0.61 | +0.77 | - |
| 2.5 % Silbernitrat | +0.67 | +0.84 | - |
| 4% Natriumfluorid | +0.53 | +0.59 | - |
| 10% Ammoniumnitrat | +0.50 | +0.57 | - |
| 10% Natriumcarbonat | +0.56 | +0.65 | - |
| 3% Kaliumchlorid | +0.64 | +0.78 | - |
| Gesättigtes Ammoniumchlorid | +0.35 | +0.39 | - |
| 10% Kupfernitrat | +0.64 | +0.76 | - |
| Ethylenglykol | +0.63 | +0.15 | - |
| 3%ige Wasserstoffperoxidlösung | +0.69 | +1.03 | Gelbfärbung |
| Gesättigte Natriumbisulfitlösung | +10.95 | +6.70 | Bernstein |
| Methanol | +4.50 (2d) | + 26 ~ + 28 | Schwellung, Weißfärbung |
| 12% Essigsäure | +0.69 | +0.75 | Schwellung, Weißfärbung |
Herstellung von ABS-Kunststoff
ABS ist ein amorphes Polymer ohne ausgeprägten Schmelzpunkt. Es beginnt sich oberhalb von 260 °C zu zersetzen, daher werden die Formgebungstemperaturen typischerweise unter 250 °C gehalten. ABS-Schmelze weist eine mittlere Viskosität auf: Sie ist weniger fließfähig als Polyamid, aber besser als Polycarbonat und kühlt schneller ab und erstarrt.
Vortrocknen
ABS weist aufgrund polarer Nitrilgruppen eine hohe Wasseraufnahme auf. Es muss vor der Weiterverarbeitung auf einen Restfeuchtegehalt von <0.1 % vorgetrocknet werden. Gängige Verfahren sind: Umlufttrocknung (70–80 °C, >4 h) oder Ofentrocknung (80–100 °C, 2 h, Materialdicke <50 mm).
Spritzguss
Für das Spritzgießen von ABS wird typischerweise eine Schneckenspritzgießmaschine verwendet. Die Schnecke sollte einschneidig, gleichgradig, konisch und vollständig mit Gewinde versehen sein und über ein Rückschlagventil verfügen; L/D-Verhältnis von 20, Verdichtungsverhältnis von 2.0–2.5. Düsentypen: offen oder verlängert (selbstsichernde Düsen vermeiden, um Durchflussbehinderungen oder Verfärbungen zu verhindern).
Bei hitzebeständigen und galvanisierbaren Sorten sind die Einspritztemperaturen höher (um den Schmelzfluss bzw. die Beschichtungsleistung zu verbessern) und bei Allzweck- und schlagzähen Sorten niedriger (um eine Zersetzung oder Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften zu verhindern).
Bei dünnwandigen, langfließenden Bauteilen mit kleinem Anguss oder hitzebeständigen/flammhemmenden Werkstoffen sind die Einspritzdrücke höher, bei dickwandigen Bauteilen mit großem Anguss hingegen niedriger. Der Nachdruck sollte moderat sein, um Eigenspannungen zu minimieren.
| Artikel | ABS allgemeiner Typ | Schlagfestes ABS | Hitzebeständiges ABS | Galvanisiertes ABS |
| Schraubendrehzahl, U/min | 30-60 | 30-60 | 30-60 | 20-60 |
| Düsentemperatur, ℃ | 180-190 | 190-200 | 190-200 | 190-210 |
| Lauftemperatur, hintere Zone, ℃ | 180-200 | 180-200 | 190-200 | 200-210 |
| Zylindertemperatur, mittlere Zone, °C | 210-230 | 210-230 | 220-240 | 230-250 |
| Zylindertemperatur, vordere Zone, ℃ | 200-210 | 200-210 | 200-220 | 210-230 |
| Formtemperatur, ℃ | 50-70 | 50-80 | 60-85 | 40-80 |
| Einspritzdruck /MPa | 70-90 | 70-120 | 85-120 | 70-120 |
| Haltedruck /MPa | 50-70 | 50-70 | 50-80 | 50-70 |
| Injektionszeit, s | 3-5 | 3-5 | 3-5 | 1-4 |
| Haltezeit, s | 15-30 | 15-30 | 15-30 | 20-50 |
| Abkühlzeit, s | 15-30 | 15-30 | 15-30 | 15-30 |
| Gesamtzyklus, s | 40-70 | 40-70 | 40-70 | 40-90 |
Extrusionsformen
Für das Extrusionsverfahren von ABS wird ein Standard-Einschneckenextruder mit einem L/D-Verhältnis von 18 bis 20 und einem Kompressionsverhältnis von 2.5 bis 3.0 verwendet. Sowohl Schnecken mit allmählicher als auch mit abrupter Kompression sind geeignet. ABS-Schmelze weist eine mittlere Fließfähigkeit auf, daher ist keine Schneckenkühlung erforderlich. Durch Extrusion lassen sich Profile wie Rohre, Stäbe und Platten herstellen.
| Rohraußendurchmesser/mm | 32.5 | Schraubendrehzahl, U/min | 10.5 |
| Rohrinnendurchmesser/mm | 25.5 | Innendurchmesser der Matrize, mm | 33 |
| Zylindertemperatur, Zuführzone /℃ | 160-165 | Länge des geraden Abschnitts, m | 50 |
| Zylindertemperatur, Kompressionszone /℃ | 170-175 | Zeichnungsverhältnis | 1.02 |
| Messzone | 175-180 | Größenangabe: Hülseninnendurchmesser, mm | 33 |
| Chiptemperatur/℃ | 175-180 | Kühlhülsenlänge, mm | 250 |
| Die Landtemperatur/℃ | 190-195 | Abstand von der Vakuumkalibrierhülse zum Diem, m | 25 |
| Dorn-Außendurchmesser/mm | 26 |
Extrusionsbedingungen für ABS-Stäbe
| Stangendurchmesser, mm | 90 | Chiptemperatur, ℃ | 150-160 |
| Zylindertemperatur, Zuführzone, ℃ | 160-170 | Temperaturmessung, °C | 55-60 |
| Zylindertemperatur, Kompressionszone, ℃ | 170-175 | Schraubendrehzahl, U/min | 11-14 |
| Zylindertemperatur, Dosierzone, ℃ | 175-180 | Extrusionsgeschwindigkeit, m/min | 22-25 |
| Landtemperatur, ℃ | 170-180 |
Schaumformen
ABS-Schaum wird hauptsächlich durch chemisches Schäumen unter Verwendung von Treibmitteln (z. B. Azodicarbonamid), die dem Harz beigemischt werden, hergestellt. Es werden zwei Formgebungsverfahren angewendet:
Spritzgießen: Für geschäumtes ABS wird eine Schneckenspritzgießmaschine verwendet (überlegen gegenüber Kolbenspritzgießmaschinen hinsichtlich gleichmäßiger Dichte und Leistung). Ein Ventil an der Düse verhindert das Austreten gashaltiger Schmelze. Anders als beim herkömmlichen Spritzgießen dehnt sich die geschäumte Schmelze in der Form aus und füllt den Formhohlraum vor dem Abkühlen. Dadurch entfällt der Bedarf an hohem Einspritzdruck. Die Zylindertemperaturen sind im Einzugsbereich niedriger und in Düsennähe höher: hinten 145–160 °C, Mitte 170–185 °C und vorne 190–200 °C.
Extrusionsformung: Geschäumte ABS-Typen werden zu Platten, Stäben und Rohren extrudiert. Im Gegensatz zur herkömmlichen Extrusion strömt das Gasschmelzgemisch durch den Extrusionszylinder, was eine präzise Temperaturregelung erfordert, um das Schmelzen des Harzes und die Zersetzung des Treibmittels im Gleichgewicht zu halten. Zylindertemperatur und Extrusionsgeschwindigkeit beeinflussen Aussehen und Dichte.
| Extruder L/D | 22 | Temperatur in Zone 4 /℃ | 170 |
| Zone 1, Lauftemperatur (Trichterseite)/℃ | 133 | Temperatur in Zone 5 /℃ | 180 |
| Zone 2, Lauftemperatur (Trichterseite)/℃ | 160 | Temperatur in Zone 6 /℃ | 157 |
| Zone 3, Lauftemperatur (Trichterseite)/℃ | 164 | Schneckendrehzahl/(U·min⁻¹) | 25 |
Zu den wichtigsten Eigenschaften von ABS-Schaumprodukten gehören:
- Kann als hochdichte Strukturbauteile oder als leichte Bauteile mit niedriger Dichte hergestellt werden;
- Vereint geringes Gewicht und Steifigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der mechanischen Festigkeit.
- Sandwichstrukturen (geschäumter Kern + dünne ABS-Außenhaut) bieten die gleiche Steifigkeit wie massives ABS bei geringerem Gewicht;
- Hervorragende Wärmedämmung und Schallabsorption;
- Einzigartige Holzmaserung auf der Oberfläche;
- Geringere Wasseraufnahme als Holz;
- Einfache Weiterverarbeitung zu Blechen, Rohren und Stäben;
- Kürzere Zykluszeiten für dickwandige Teile im Vergleich zu massivem ABS;
- Lackierbar und färbbar;
- Bearbeitbar (schneiden, bohren, kleben) wie Holz.
| Dichte (g/cm³) | 0.69 | Kompressionsmodul /MPa | 353 |
| Zugfestigkeit /MPa | 14.0 | Izod-Schlagzähigkeit /(kJ/m²) | |
| Dehnung / % | 24.6 | Gekerbt | 5.5 |
| Zugmodul /MPa | 300 | Ungekerbt | 13.6 |
| Biegefestigkeit /MPa | 20.0 | Wasseraufnahme /% | 0.35 |
| Biegemodul /MPa | 723 | Wärmeleitfähigkeit/[W/(m·℃)] | 0.01 |
| Druckfestigkeit /MPa | 12.6 | - | - |
Anwendungsgebiete von geschäumtem ABS-Kunststoff sind unter anderem:
- Leichte Strukturmaterialien: Fahrzeugbedienfelder, Motorabdeckungen, Schiffstüren, Container usw.;
- Baumaterialien: Wandpaneele, Deckenplatten, Abflussrohre, Wärmedämmrohre;
- Holzersatzstoffe: Möbel, Klavierkomponenten, Griffe und Markierungen (ähnlich in Aussehen und Dichte wie Holz, jedoch überlegen in Wasser- und Korrosionsbeständigkeit, mit individuell anpassbaren Oberflächenmustern, Farben und Formen).
Galvanotechnik
Galvanotechnik Verwendet wird ABS-Harz in Galvanisierungsqualität. Zu den wichtigsten Schritten gehören: Aufrauen, Sensibilisieren, Aktivieren, Reduktion/Entgelierung, stromlose Beschichtung und Galvanisieren.
Aufrauen: Verbessert die Oberflächenhydrophilie und -rauheit, um die Haftung der Beschichtung zu gewährleisten. Chemisches Ätzen ist die primäre Methode. Hochchromathaltige Formulierungen erzielen die beste Haftung.
Sensibilisierung: Sn²⁺ (Reduktionsmittel) adsorbiert auf der aufgerauten Oberfläche, um Ag⁺/Pd²⁺ während der Aktivierung zu katalytischem Ag/Pd zu reduzieren. Die folgende Tabelle listet Sensibilisierungslösungen und -bedingungen auf.
| Zinn (II) -chlorid | 10-30 | 2-5 |
| Salzsäure | 40-50 | 2-5 |
| Sensibilisierungstemperatur/℃ | 20-25 | 20-25 |
| Sensibilisierungszeit/min | 3-5 | 3-10 |
Aktivierung: Bildet katalytische Edelmetallkeime zur Initiierung der stromlosen Abscheidung. Sie wird in ionische und kolloidale Aktivierung (Kombination aus Sensibilisierung und Aktivierung) unterteilt. Die folgende Tabelle zeigt Formulierungen und Bedingungen für die kolloidale Palladiumaktivierung.
Reduktion: Nach der ionischen Aktivierung verbessert die Reduktion die katalytische Aktivität, beschleunigt die stromlose Abscheidung und entfernt Restaktivator, um eine Zersetzung des Bads zu verhindern. Nach der kolloidalen Palladiumaktivierung werden durch Entgelierung Sn²⁺-Hydrolysatschichten entfernt, um Pd-Keime freizulegen (Eintauchen in 36%ige HCl bei 35–45 °C für 1–3 min).
Stromlose Beschichtung Platin und Galvanisierung: Nach der Reduktion/Entgelierung wird ABS einer stromlosen und einer galvanischen Beschichtung unterzogen.
Chemisch abgeschiedene Ni/Cu-Beschichtungen können direkt galvanisiert werden. Für eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit wird eine Kupferbeschichtung bevorzugt (der lineare Ausdehnungskoeffizient ist ähnlich dem von ABS, was die Lebensdauer im Außenbereich verlängert). Kupferbeschichtungen können eingefärbt oder mit anderen Metallen, am häufigsten Nickel/Chrom (Ni/Cr), beschichtet werden.
Anwendungsgebiete von ABS-Harz
Haushaltsgeräte und elektronische Bauteile
Haushaltsgeräte: Das größte und vielversprechendste Anwendungsgebiet für ABS, einschließlich Gehäuse und interner Komponenten von Fernsehern, Tonbandgeräten, Waschmaschinen, Kühlschränken, Plattenspielern, Telefonen, Staubsaugern, Klimaanlagen, Lampen, Ventilatoren usw.
Elektronische Bauteile: Werden verwendet für Antennenbuchsen, Spulenkörper, Klemmenblöcke, Konverter, Lautsprecher, Steckverbinder usw.
Automobilindustrie
Innenausstattung: Instrumententafeln, Gehäuse für Instrumententafeln, A-Säulen, Lüftungsdüsen, Bedienfelder, Türverkleidungen, Werkzeugkästen, Reglergriffe, Schalter, Knöpfe, Lenksäulenverkleidungen, Lenkräder, Hupenabdeckungen, Leitungen usw.
Äußere Komponenten: Schmutzfänger, Armlehnen, Kühlergrills, Lampenschirme, Lüftungsabdeckungen, Radkappen, Halterungen, Lüftungsschlitze, Typenschilder, Heckspoiler, Stoßstangenschutz, Spiegelrahmen usw.
Maschinen
Wird verwendet für Maschinengehäuse und allgemeine Bauteile: Motorgehäuse, Instrumentenkästen, Wassertankgehäuse, Batterietanks, Zahnräder, Lager, Pumpenlaufräder, Griffe, Bolzen, Abdeckungen, Buchsen, Befestigungselemente usw.
Büroausstattung
Dank seiner hervorragenden Schlagfestigkeit, Steifigkeit, Dimensionsstabilität und Formbarkeit ist ABS ein ideales Material für Gehäuse von Bürogeräten wie Faxgeräten, Kopierern, Schreibmaschinen, Computern und Monitoren. Aufgrund von Brandschutzbestimmungen werden üblicherweise schwer entflammbare Varianten verwendet.
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