ABS复合材料在汽车领域的应用研究进展

2023-01-05郑秀云熊晓松

合成树脂及塑料 2022年5期

郑秀云，熊晓松

（武汉城市学院，湖北武汉 430000）

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）是五大合成树脂之一。2021年，全球ABS产能约为11 850 kt，我国ABS产能约411.50 kt［1］。因ABS不仅具有良好的抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品腐蚀性及电气性能，而且具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等领域；但由于ABS中含有丁二烯聚合时形成的不稳定、易氧化的双键，使其耐候性较差，限制了其单独使用［2］；ABS更多的是与其他树脂或材料形成复合材料或合金［3-4］。随着“双碳”目标的推进，减少汽车造成的碳排放及其带来的环境问题，成为汽车行业发展关注的焦点。有研究表明，汽车自重减轻1%，可节油1%；运动部件质量减轻1%，节油2%［6］。轻量化、塑料化是汽车发展的趋势，国外汽车用塑料已经达到整车10%～15%，有的甚至高达20%以上［7］，其中，ABS及其复合材料的用量接近汽车塑料总用量的8%［5］。本文综述近5年来ABS复合材料在汽车领域的应用研究进展。

1 阻燃ABS复合材料

温州任和文化创意有限责任公司［8-11］公开了采用防老化高阻燃ABS颗粒制备的高阻燃ABS汽车内饰件。该ABS颗粒具有较好的阻燃性，制成的汽车用内饰件质量可靠。其中，复合阻燃剂以磷酸和尿素为主要原料，硅藻土和磁性有序介孔铁酸镍为载体，通过原位聚合制得聚磷酸铵-硅藻土磁性有序介孔铁酸镍复合阻燃剂，可充分发挥聚磷酸铵与硅、铁、镍元素的协同阻燃作用，使ABS复合材料有很好的阻燃性能。厚度为1.6 mm的防老化高阻燃ABS样片的阻燃等级为UL 94 V-0级，烧失量大于等于30%（w），可注塑加工成各种形状的零件，使用寿命长，安全性好。

安徽别格迪派标识系统有限公司［12-13］公开了一种铝粉填充改性的阻燃绝缘型汽车吸塑材料，其中，中介孔分子筛与线型酚醛树脂产生键合作用，提高了基体树脂热稳定性，微胶囊化聚磷酸铵、Sb2O3与高岭土协同，阻燃效果更佳。将石墨烯引入到ABS基体中，明显提高了树脂的阻燃性、热稳定性和力学性能，吸塑材料的垂直燃烧性能达UL 94 V-0级，极限氧指数（LOI）31%～32%，600℃残炭率17%（w），拉伸强度46 MPa，缺口冲击强度29～31 kJ/m2，断裂伸长率38%。该公司［14］公开的另一种水滑石-硅灰石改性阻燃ABS的垂直燃烧性能达UL 94 V-0级，LOI为32%，600 ℃残炭率为17%（w），拉伸强度达47 MPa，缺口冲击强度为33 kJ/m2，断裂伸长率为42%。

芜湖博元材料科技有限公司［15］公开的一种汽车内饰件用阻燃ABS复合材料的原料组成为：ABS 80～100 phr，复合阻燃剂［由40～50 phr磷酸三（2-氯丙基）酯以及50～60 phr偏硼酸钡组成］30～40 phr，硬脂酸锌10～20 phr，抗氧剂（抗氧剂1010、抗氧剂168或抗氧剂264）5～10 phr，偶联剂（KH570，KH171，KH550或钛酸酯偶联剂）5～10 phr，阻燃增效剂2～8 phr；采用熔融挤出成型方法制备。引入定量的复合阻燃剂，提高了塑料制品的阻燃性能和耐高温性能；引入阻燃增效剂，极大提升了再生材料的阻燃性能；加入复合抗氧剂，抗氧化性强；增韧剂的添加提高了拉伸强度和弯曲强度，且冲击强度高，加工流动性好，成品的光泽度高，热变形性能稳定；挤出料在线干燥处理后，表面含水率基本为0，且该内饰件结构简单，可操作性强，装配便捷。

浙江普利特新材料有限公司等［16］公开了一种高抗冲高阻燃聚碳酸酯（PC）/ABS复合材料，其原料组成为：PC 75%～85%（w），ABS 5%～10%（w），粉体型磷系阻燃剂5%～10%（w），高橡胶含量（质量分数大于65%）的ABS接枝共聚物增韧剂3%～10%（w）。该高抗冲高阻燃复合材料既具有优异的低温抗冲击性能，又具备高阻燃性能，阻燃性能达到UL 94 V-0级，可用于汽车功能件等。薛念念［17］公开了一种汽车用阻燃电镀PC/ABS合金材料。该发明通过原料组分的合理选择以及组分用量的科学配比，改善汽车用PC/ABS合金材料电镀效果的同时，提高了PC/ABS合金材料的阻燃性能，制备工艺科学易控，提高了PC/ABS合金材料在车用材料市场的竞争力。

2 阻燃/抗菌ABS复合材料

安徽别格迪派标识系统有限公司［18］公开了一种含介孔分子筛-石墨烯的抗菌阻燃型汽车用吸塑材料，其原料组成为：41.0～48.0 phr ABS，4.0～8.0 phr线型酚醛树脂，4.0～9.0 phr微胶囊红磷，2.0～5.0 phr碱式硫酸镁晶须，3.0～5.0 phr丁腈橡胶，5.0～8.0 phr SBA-15介孔分子筛，5.0～9.0 phr聚磷酸铵，2.0～4.0 phr三聚氰胺甲醛，2.0～3.0 phr高岭土，4.0～8.0 phr Sb2O3，1.0～2.0 phr二甲基硅油，4.0～8.0 phr石墨烯，1.0～5.0 phr丙烯腈，1.0～2.0 phr纳米银，0.5～1.0 phr硅灰石，0.1～0.5 phr抗氧剂702，适量的乙醇、蒸馏水和乙酸。制备的含介孔分子筛和石墨烯改性抗菌阻燃型汽车吸塑材料的垂直燃烧性能达UL 94 V-0级，LOI为32%，600 ℃残炭率为18%（w），拉伸强度达43 MPa，缺口冲击强度为256 kJ/m2，断裂伸长率为40%。

惠州市良化新材料有限公司［19］发明的一种汽车内饰件用抗菌ABS复合材料的原料组成为：ABS 80.0～120.0 phr，纳米二氧化钛0.1～2.0 phr，纳米氧化银0.1～2.0 phr，分散剂0.1～2.0 phr。将棕榈油和聚乙二醇加入反应釜中，以氧化镁为催化剂，在200～250 ℃条件下反应3～5 h，反应结束后，即得分散剂。该汽车内饰件的抗菌成分在ABS复合材料中分布均匀，对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌率为100%。

瑞安市智造科技有限公司［20］公开了一种汽车仪表插座及其制备方法，抗菌高阻燃ABS复合材料的原料组成为：ABS 60～80 phr，PC 40～60 phr，三元乙丙橡胶5～10 phr，抗氧化剂6～10 phr，纳米银5～8 phr，复合阻燃剂8～12 phr，其中，复合阻燃剂为原位聚合制备的聚磷酸铵-硅藻土/磁性有序介孔铁酸镍。将抗菌高阻燃ABS复合材料颗粒加入到注塑机经成型、脱模获得汽车用仪表插座。厚度为1.6 mm ABS复合材料的阻燃等级为UL 94 V-0级，对金色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率不低于99.6%，可用注塑工艺加工各种形状的零件，用于制成汽车用车内和车外壳、方向盘及把手和按钮等部件，抗菌和阻燃性能优良，市场前景广阔。

3 抗菌/抗静电ABS复合材料

安徽冠泓塑业有限公司［21］公开了一种汽车内饰用抗菌抗静电改性ABS复合材料。抗菌剂由银氨溶液与具有优异吸附性能的改性膨润土制得，银离子进入具有较大比表面积和孔体积的改性膨润土中，吸附于膨润土层间和微孔中，膨润土片层间的夹持力将银离子牢牢固定，保障了体系的稳定性，解决了银离子作为杀菌剂与载体间的作用力较弱、体系不稳定的问题，当抗静电剂与ABS基材混合后，抗静电剂分散在基材中，石墨和碳粉搭配形成导电通路，进而赋予ABS基材良好的抗静电性能。制备的ABS的表面电阻率为（5.0～5.8）×105Ω，对大肠杆菌的抑菌率为98.9%～99.2%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为96.9%～97.6%。

荆门市诺维英新材料科技有限公司［22］公开的汽车顶棚用耐热性、抗静电复合材料的原料组成为：改性聚丙烯（PP）30.0～45.0 phr，ABS 15.0～25.0 phr，微硅粉5.0～15.0 phr，功能化石墨烯粉8.0～12.0 phr，纳米碳溶胶1.0～3.0 phr，纳米二氧化钛2.0～3.0 phr，滑石粉1.0～2.0 phr，硅酸锆2.0～3.0 phr，硬脂酸锌0 .5～1.0 phr，椰壳纤维3.0～8.0 phr，增韧剂（甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙烯-辛烯共聚物或乙烯-丙烯酸丁酯共聚物）1.0～2.0 phr，相容剂（甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、丙烯酸-马来酸酐-苯乙烯三元共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元无规共聚物中的至少一种）1.0～3.0 phr，抗氧剂（抗氧剂1010、抗氧剂DLTP、抗氧剂B215中的至少一种）0.5～1.0 phr，氮系或磷系阻燃剂1.0～2.0 phr；双螺杆挤出机料筒温度为185～210 ℃，螺杆转速为450～500 r/min，主机转速为18～20 Hz，真空度为0.01～0.02 MPa。该发明利用功能化石墨烯、纳米碳溶胶、纳米二氧化钛、滑石粉、硅酸锆、硬脂酸锌之间的协同作用，使制备的复合材料具有良好的耐高温性和抗静电性，不仅减少了车内静电的产生，而且也减少了灰尘的沉积，提高了乘坐的舒适性和安全性。

苏州旭光聚合物有限公司［23］公开的一种汽车用改性ABS复合材料，其原料组成为：ABS 50.00～70.00 phr，改性UV固化树脂30.00～50.00 phr，聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）复合材料10.00～30.00 phr，抗静电剂1.00～3.00 phr，相容剂（环氧型相容剂、噁唑啉型相容剂、酰亚胺型相容剂中的一种或几种）2.00～6.00 phr，蒙脱土5.00～10.00 phr，其他助剂（包括改性剂、增韧剂、光稳定剂和热稳定剂）0.05～2.00 phr。该改性ABS复合材料的拉伸强度不低于58 MPa，冲击强度不低于285 J/m，阻燃等级为UL 94 V-0级，是绝佳的汽车用阻燃材料；可以使汽车零件及运行系统在高温、低温下不受影响；优秀的防老化性能可以延长材料的使用寿命，节约成本；优异的阻燃性能与抗静电性能可以避免汽车燃烧、静电破坏汽车运行系统等故障，保障人员的生命财产安全。

4 抗噪音ABS复合材料

浙江普利特新材料有限公司［24］公开的一种汽车用轻质、低噪音ABS复合材料，原料组成（质量分数）为：40.0%～85.0% ABS，5.0%～30.0%含氟树脂，5.0%～10.0%苯乙烯-马来酸酐共聚物，1.0%～25.0%空心玻璃微珠，0.3%～5.0%氨基硅烷偶联剂，0.2%～1.0%抗氧剂（抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1010与抗氧剂619F复配物、抗氧剂1076与抗氧剂619F复配物中的一种）。将原料在双螺杆挤出机中熔融挤出，ABS复合材料的密度下降，缺口冲击强度、拉伸强度、弯曲模量等均提高。浙江普利特新材料有限公司［25］还公开了耐磨、轻质、低噪音汽车内饰用ABS复合材料，原料组成（质量分数）为：40.0%～85.0% ABS，10.0%～30.0%聚酰胺（PA），5.0%～10.0%苯乙烯-马来酸酐共聚物，1.0%～25.0%空心玻璃微珠，0.3%～5.0%氨基硅烷偶联剂，0.2%～1.0%抗氧剂（抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1010与抗氧剂619F复配物、抗氧剂1076与抗氧剂619F复配物中的一种）。2个发明的优点是：（1）在ABS中引入含氟树脂，降低了ABS复合材料的表面能；（2）在ABS中引入具有自润滑功能PA，使ABS复合材料具有耐磨和自润滑的效果；（3）引入空心玻璃微珠，提高了ABS的强度，降低了ABS的密度（≤1.044 g/cm3），达到轻量化目的；（4）在具有降低材料表面能的含氟树脂或具有自润滑功能的PA和空心玻璃微珠的特殊结构共同作用下，使ABS复合材料具有降噪性能，噪音危险值不超过4。

上海锦湖日丽塑料有限公司［26］发明的汽车内饰用隔音减震耐热ABS复合材料，原料组成为：ABS 100.0 phr，耐热剂（N-苯基马来酰亚胺-苯乙烯-马来酸酐共聚物或α-甲基苯乙烯-丙烯腈共聚物）5.0～30.0 phr，隔音减震聚合物［聚苯乙烯硬段和乙烯支化聚二烯软段的交联聚合物，苯乙烯含量在12%～20%（w）］5.0～20.0 phr，空心玻璃微珠1.0～5.0 phr，光稳定剂（水杨酸酯、二苯甲酮、三嗪类、苯并三唑类的UV吸收剂以及受阻胺类自由基捕捉剂中的一种或多种混合物）0.3～1.0 phr，助剂（受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、乙撑双硬脂酸酰胺、季戊四醇硬脂酸酯、硬脂酸镁、硬脂酸钙中的一种或多种混合物）0.5～2.0 phr。将原料充分混合后，送入双螺杆挤出机中，在螺杆的输送、剪切和混炼下，物料熔化、复合，再经挤出、拉条、冷却、切粒，得到抗噪音耐热ABS复合材料的耐热温度升高3～13 ℃，不同温度时的损耗正切值均显著提高，对噪音起到吸收和缓冲的作用。该发明的方法简单易行，制备的复合材料不仅具有优异的抗噪音效果，同时力学性能良好，非常适合应用于汽车内饰领域［27］。

5 高强度ABS复合材料

句容峰岭科技有限公司［28］公开了一种以天然纤维为增强体的汽车内饰材料，原料组成为：40.0～50.0 phr PP，10.0～15.0 phr ABS，5.0～15.0 phr天然纤维增强体，1.0～5.0 phr轻质碳酸钙，1.0～5.0 phr增韧剂（乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-乙酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯-辛烯三元共聚物中的一种），1.0～3.0 phr抗氧剂，0.5～1.0 phr润滑剂，0.5～5.0 phr聚丙烯与马来酸酐接枝物；天然纤维增强体是将干燥后的1～3 g麻纤维置于10 mL前处理液中浸泡，再用0.1%～0.5%（w）硅烷偶联剂表面改性而得。所得复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量分别为34.1 MPa，1.23 GPa，46.2 MPa，2.31 GPa，吸水率为2.32%。该材料不仅在力学性能上满足汽车内饰件的设计要求，而且是一种环境友好的材料。

南充旭阳塑料制造有限公司［29］公开了一种玄武岩纤维网格布增强复合材料，其原料组成为：玄武岩纤维网格布500～1 500 g/m2，PC 20～80 phr，ABS 80～20 phr，质量比为2∶3的抗氧剂1010与抗氧剂168复合抗氧剂0～1 phr，润滑剂0～2 phr，矿物油0～200 mL，硅烷或钛酸酯或铝酸酯偶联剂0～5 phr。制备的ABS/PC基材厚度为0.5～5.0 mm，表面淋膜厚度为0.3～1.0 mm。该复合材料具有以下优点：（1）玄武岩纤维网格布增强复合材料综合性能好，与玄武岩纤维单向丝复合材料相比，该复合材料的纵、横向强度基本相同。（2）复合材料制备过程中，将热塑性熔体充分浸渍、包裹玄武纤维丝束，经双辊碾压成型为复合材料；其中，玄武岩纤维要通过偶联剂使其由亲水性变成亲油性，从而实现与油性树脂的紧密结合。（3）用玄武岩纤维网格布增强ABS/PC时，ABS/PC熔体从网格的四面浸渍及包裹玄武纤维丝束，经碾压使熔体完全填入方格的孔眼中，将玄武岩纤维丝束四周紧密包裹黏合在一起经碾压形成牢固的复合板材。因此，该材料可替代钢材、铝材用于汽车、新能源车的内装饰及部分车身骨架和车辆的外壳来实现减轻车辆自重。

芜湖德鑫汽车部件有限公司［30］发明了一种用于汽车内饰的高强度ABS/PC合金，原料组成：20.0～45.0 phr PC，60.0～90.0 phr ABS，3.0～15.0 phr增强纤维，5.0～21.0 phr甲基丙烯酸甲酯，3.0～15.0 phr海泡石粉末，10.0～30.0 phr马来酸酐，1.0～3.0 phr硅烷偶联剂KH590，0.5～3.0 phr丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，0.1～0.5 phr抗氧剂1010，5.0～8.0 phr微球发泡剂，2.0～6.0 phr二元醇扩链剂。该ABS/PC合金的缺口冲击强度、拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量明显提高，密度下降。该公司［31］公开的ABS/PC合金的制备方法包括以下步骤：（1）将增强纤维、甲基丙烯酸甲酯和扩链剂于水中在微波作用下反应，得到改性增强纤维；（2）将海泡石粉末、马来酸酐与硅烷偶联剂在水中回流反应，得到改性海泡石粉末；（3）将ABS，PC，改性增强纤维，改性海泡石粉末和抗氧化剂投入双螺杆挤出机熔融挤出，造粒，得到复合母粒；（4）将复合母粒与微球发泡剂混合均匀后加入注塑机料斗，进行二次开模注塑，得到用于汽车内饰的高强度ABS/PC合金。将该ABS/PC合金用于制备汽车内饰件，质量可靠，安全性好，能够满足汽车轻量化的要求。

南京南汽冲压件有限公司［32］提供一种高强度抗冲击的汽车前围板材，包括ABS树脂层，ABS树脂层的正面设有无纺布层，无纺布层的正面设有膨胀缓冲层，膨胀缓冲层的正面设有耐磨层，耐磨层的正面设有防水防油层，ABS树脂层的反面设有阻燃层，阻燃层的反面设有隔音层，隔音层为乙烯-乙酸乙烯共聚物层，隔音层的反面设有抗静电层。该高强度抗冲击的汽车前围板材，具有高的抗冲击性和优异的隔音性能，性价比高。