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Veniamo in contatto con l’ABS fin dalla nostra infanzia: chi di noi, infatti, non ha maneggiato o giocato, anche attualmente, con i mattoncini LEGO? Ebbene questi mattoncini son prodotti in ABS.
Ma cos’è l’ABS e come si è arrivati al suo sviluppo?
L’ABS è un copolimero termoplastico amorfo con densità di 1030 – 1050 kg/m³ ottenuto dalla polimerizzazione di Acrilonitrile, Butadiene, Stirene.
Nel 1932 era stata portata a termine la polimerizzazione con la sintesi del polistirene (PS). Questo polimero, pur dotato di ottime proprietà come la trasparenza, la brillantezza, la lavorabilità e la facile colorabilità nonché il costo contenuto, mostrava lacune sotto l’aspetto della resistenza agli agenti chimici e dell’impatto. Si decise quindi di migliorare queste caratteristiche.
Dapprima fu affrontata la resistenza chimica, aggiungendo in fase di polimerizzazione il comonomero acrilonitrile ottenendo così un nuovo materiale: il SAN (strirene-acrilonitrile). Il SAN infatti ha maggiore resistenza chimica rispetto al PS, ma anche miglior comportamento termico. La traparenza è stata mantenuta.
Successivamente si è tentato di migliorare la resistenza all’impatto sia del PS che del SAN utilizzando alcune gomme con essi compatibili (isoprenica e nitrilica ad esempio) tramite miscelazione meccanica. Oltre a rendere i polimeri opachi, l’aggiunta di queste gomme ha evidenziato la perdita della brillantezza caratteristica di PS e SAN. Ciò è dovuto al fenomeno della “memoria elastica” che gli elastomeri posseggono: durante la fase di riscaldamento le particelle di gomma subiscono una variazione di volume e di forma mentre durante il raffreddamento, non essendo “legate” al polimero stirenico, tendono ad assumere le dimensioni iniziali . Così quelle particelle che si trovano sulla superficie del materiale non riflettono la luce ma la rifrangono, dando all’osservatore la sensazione di opacità. Il problema è stato brillantemente risolto per via chimica legando sulla superficie delle particelle di gomma, durante la polimerizzazione, uno strato di SAN (ca. 100 Å – 1 μm = 10000 Å). Questa innovazione ha permesso di utilizzare ulteriori tipi di elastomeri. Quando la temperatura di esercizio risulta inferiore alla Tg dell’elastomero le proprietà antiurto non vengono più espletate, quindi servono elastomeri a Tg basse per ottenere una buona resistenza all’impatto anche a basse temperature, considerando il fatto che alcuni test applicativi sono condotti a -40 °C. La scelta è al fine caduta sul polibutadiene per la sua temperatura di transizione vetrosa (tg -82 °C), producendo così un polibutadiene aggraffato o graft-polibutadiene. Nasce così l’ABS.
Una ulteriore implementazione è stata la sintesi del poli-α-metil-stirene/acrilonitrile (αSAN) che ha portato ad un ulteriore aumento della resistenza termica dell’ABS. Attualmente si utilizzano anche altri comonomeri per incrementare la resistenza termica del copolimero.
Per riassumere: l’acrilonitrile contribuisce alla resistenza chimica e termica, il butadiene conferisce resilienza e resistenza all’impatto e lo stirene dà brillantezza, rigidità e lavorabilità; variando i rapporti tra i costituenti variano le proprieà dell’ABS. Si possono ottenere così, ad esempio, ABS ad alto impatto, termoresistenti e metallizzabili.
L’ABS è quindi una famiglia di materiali termoplastici amorfi bifasici in cui la gomma è la fase dispersa e la matrice SAN o αSAN è la fase continua.
Il graft di polibutadiene è ottenuto con due diverse tecniche di polimerizzazione: emulsione e massa continua.
Nella polimerizzazione in emulsione (processo discontinuo) viene prima polimerizzato il polibutadiene e successivamente viene innestata sulle sue particelle uno strato di SAN; in tal modo si ottiene un elastomero tipo “core shell” le cui particelle hanno dimensioni variabili da 1000 a 5000 Å.
Nella polimerizzazione in massa continua (processo in continuo) si usa polibutadiene, il quale è sciolto in opportuno solvente. Alla soluzione così ottenuta si aggiungono stirene ed acrilonitrile e quindi si procede alla loro polimerizzazione. Dapprima si ottengono agglomerati di SAN, successivamente, per inversione di fase, si ottengono particelle di polibutadiene contenenti gli agglomerati iniziali di SAN.
Le dimensioni delle particelle che si ottengono da questo processo sono di dimensioni superiori (da 6000 fino a 50000 Å) a quelle dei graft da emulsione.
Gli ABS prodotti con questi due metodi hanno colorazione e brillantezza differenti: quelli da massa continua sono più bianchi e meno brillanti.
Inoltre quelli da massa continua sono più indicati per la produzione di blend con il policarbonato grazie al minor contenuto di chemicals residui.
L’ABS è stato brevettato nel 1948.
Fonti
What You need to Know About ABS Resins – Trinseo – September 25, 2019.
Corso sugli estrusori bivite – Z.M. snc consulenze ed intermediazioni.
