ABS

ABS(Acrylonitrile, Butadiene, Styrene)

 

1. 'ABS수지'

ABS수지는 Acrylonitrile, Butadiene, Styrene의 3성분으로 되어 있는 일종의 내충격 열가소성 수지의 총칭으로 이들 3성분의 첫문자를 취해 ABS라 부르고 있다.

이 수지는 수지를 구성하는 3성분의 특성 즉, Styrene이 갖는 광택과 성형성, Acrylonitrile이 갖는 강성, 내약품성 및 뛰어난 기계적 성질,Butadiene이 갖는 내충격성등의 장점만을 부여시킨 종합Engineering Plastics이라 말할수 있으며 이에 근거하여 용도에 따른 요구 특성이 주어지면 ABS수지의 구성비를 적절히 조절하거나 수지의 분자량 조절 및 첨가제의 변경 등으로 요구 특성을 충족시키는 제품생산이 기술적으로 가능하기 때문에 회사에 따라 제조 공법의 차이가 있지만 대부분의 ABS maker에서는 용도에 따라 다수의 Grade를 생산해 내고 있다.

ABS수지에 있어서 A/B/S의 조성은 이론적으로 무한히 변화시켜 생산가능하나 통상 A/B/S=20-30/5-40/-70%의 범위 내에서 실용적으로 필요한 성질을 갖도록 하고 있다.여기서 주의할 것은 ABS수지는 이들 3성분의 단순한 공중합체일 뿐만아니고 glass상 polymer인 AS수지의 연속상에 BR, SBR, NBR등의 고무상에 polymer가 미분산된 二相 불균일계의 구조를 갖는 polymer의 blend라는 점이다.

이 수지/고무의 二相 구조는 HIPS와 아주 같은 것으로 ABS수지는 모든 내충격성 AS수지 또는 합성 고무 강화AS수지라고도 부를 수 있는 것이다. AS수지는 styrene에 acrylonitrile을 공중합시킴에 의해 polystyrene의 우수한 투과성,가공성, 전기적 특성을 유지하면서 기계적 강도,내열성, 내유성, 내후성 등을 개선한 것이다. 그러나 내충격성은 그다지 만족스럽지 못하다.

한편, polystyrene의 취약성은 합성고무와의 blend 또는 graft중합체인 HIPS에 의해 어느 정도 해결되었지만 이 경우에는 내열성, 강성이 부족하다는 결점이 있다. 이상의 공중합과 합성고무강화라는 2가지 수단을 조합시킴에 의해 polystyrene의 결점과 AS수지의 또는 HIPS에 남아있는 약점을 일거에 해결한 것이 ABS수지이다.

따라서, ABS수지는 그 제법이 HIPS와 유사하다.ABS수지는 미국에서 꽤 오랜 역사를 갖고 있는데 이 수지가 본격적인 발전을 보인 것은 graft형 ABS수지의 개발보다 수년 늦은 1960년 이후이다.한편 일본에서 ABS수지의 생산이 시작한 것은 1963년인데 그 수요량은 해마다 급격히 증가하여 현재로서는 대표적인 내충격성,열가소성 수지의 자리를 차지하고 있다.

2. 제조방법

ABS수지의 중요한 제법은 1)아크릴로니트릴부타디엔(AB)rubber와 아크릴로니트릴스티렌(AS)코폴리머의 블랜드, 2)AS코폴리머의 가지를 Butadiene rubber의 근간에서 그래프트 3) 이 양자의 병용형인 graft blend 복합법 세가지로 대별되나 ABS수지를 유화중합으로 제조하는 방법이 공업적으로 널리 이용되고 있다.

 

●블렌드법

HIPS의 경우와 같이 AS수지와 NBR을 가열, mill을 이용하여 기계적으로 혼합하든지 또는 다른 수지와 고무를 Latex상에서 혼합하는 방법이 있다.

이 blend형 ABS수지에서는 사용하는 고무의 가교도가 수지와 고무와의 상용성에 큰 영향을 끼치고 가교도가 클수록 충격강도는 크게 된다. 이 때문에 NBR의 제조시 또는 소량의 가교제를 첨가하여 고무의 가교도를 높이는등 연구가 행해지고 있다.

또한 충격강도는 고무 함량의 약 15%가 넘으면 급격히 증대해 가는데 다른 성질과의 balance상 고무 함량은 20~30%범위가 적당하다.또한 보통 blend에 사용되고 있는 butadiene이 많은 고무를 이용하면 저온 내충격성이 대단히 개선된다.

 

●그래프트법

Graft형 ABS수지는 이를테면 butadiene-latex의 공존하에서 styrene과 acrylonitrile을 중합시킴에의해 만들어진다. 따라서 이 type의 ABS수지는 Poly butadiene,styrene과 acrylonitrile이 graft한 poly butadiene과 styrene-acrylonitrile공중합체의 3성분으로 이루어지는 혼합물이다.

polybutadiene 과 styrene-acrylonitrile 공중합체의 단순한 혼합물은 대단히 약하고 연 하다. 이들 두가지 성분을 결합하여 ABS 수지는 강인한 수지로 하는 것이 styrene 과 acrylonitrile이 graft한 polybutadiene이다. 이 graft형 ABS 수지의 포인트가 되는 graft-rubber의 특히 중요한 성질은 고무에 graft한 acrylonitrile styrene copolymer와 고무와의 비율로 이 비율은 중합조건에 의해 결정된다.

충격강도는 고무함량의 약 30%에 달할 때까지는 고무 함량과 더불어 크게 되는데 동일 고무함량에서도 graft 율에 의해 충격강도가 다르고 또한 고무의 입자지름에 의해서도 최적 graft율이 다른다는 것은 중요하며, 또한 흥미 깊은 점이다.

Graft형 ABS의 polymer butadiene함량은 대체로 10∼30%이다. poly bytadiene 은 유리전이도가 매우 낮기때문에 graft형 ABS 수지는 저온에서도 우수한 내충격성을 유지할 수 있다.Graft법에는 HIPS의 경우와 같이 고무를 acrylonitrile, styrene의 양 monomer에 용해하여 괴상 또는 현탁상으로 중합하는 방법, 또는 괴상으로 어느정도 예비중합한 후 물속에서 현탁하여 중합을 진행하는 괴상 현탁법 등의 제법이 있다.

 

●그래프트 블랜드법

Graft-blend graft법으로 만든 ABS수지 latex와 이것과는 별도로 만든 AS latex를 블랜드하는 방법이다. 통상의 그래프트 블랜드법에서는 비교적 작은 입자지름의 고무 라텍스를 이용,또한 고무함량을 70%정도까지 높인系에서 graft 중합시킨다.

3. 성질과 특성

ABS 수지는 그 제법, 사용하는 수지의 조성과 분자량, 고무의 종류, 조성, 입자경, 가교도, graft 율, 수지와 고무와의 비율 등에 변화시킴에 의해 또는 제4의 새로운 성분에 첨가하는 것에 의해 그 성질을 크게 변화시킬 수 있다.

 

바꾸어 말하면 ABS 수지는 용도에 따라 그것에 적합한 특성을 갖는 재료를 광범위하게 자유롭게 만들 수 있는 수지이다. ABS 수지에는 실로 많은 품종이 있어 이들 개개의 품종에 따라서 전부 설명할 수는 없고 ABS 수지의 기본적인 성질에 대해 간단히 설명한다.

 

ABS 수지의 특징은 우선 제 1로 인장강도나 강성이 별로 저하하지 않고 우수한 내충격강도 특히 저온에 있어서 충격강도를 갖고 또한 열변형온도가 높은 것이다. 이외에 전기적 성질,l 내화학 약품성, 내유성이 우수하고 또한 사출성형, 압출성형, 진공성형, 흡입성형등 소위 모든 성형법이 적용 가능하고 또한 칫수안정성, 내크립성, 내stress-cracking성이 우수한 광택의 좋은 성형품이 얻어지는 등 많은 우수한 성질을 같이 갖고 있다. 또한 ABS 수지는 모든 플라스틱 중에서도 가장 도금하기 쉬운 재료라는 것도 커다란 특징의 하나이다.

 

ABS 수지의 이상과 같은 우수한 특성 즉 styrene의 광택, 전기적 성질, 성형성등 acrylonitrile의 내열성, 강성, 내유성, 내후성과 butadiene의 내충격성 3성분의 특성을 그대로 발휘하고 있는 것도 잊어서는 안될 중요한 점이다. ABS 수지는 이상과 같이 성형재료로서 뛰어날 뿐만아니라 다른 수지와의 상용성이 좋기 때문에 다른 수지의 개질보강재로서 이용할 수 가있다.

 

그중에서도 염화비닐수지와의 블랜드는 특히 중요하며 ABS 수지의 용도에서 커다란 분야에 하나이다.염화비닐 ABS수지는 5-20%를 블랜드하면 뚜렷하게 충격강도가 향상되고 인장강도,경도는 그다지 변하하지 않으며 열변형온도는 오히려 상승하고 가공성도 개선된다. 이와같은 것은 보통의 가소제나 니트릴고무와의 블랜드에서는 불가능한 일이며 그야말로 주목할 만한 현상이다.

 

PVC 강화용 ABS 수지는 graft성분으로 범용 ABS 수지와 같이 acrylonitrile, styrene을 사용한 것도 물론 사용되고 있는데 이밖의 메타크릴산메틸 또는 아크릴산에스테르 등으로 변성한 것도 사용되고 있다.

 

한편 ABS 수지는 PVC 이외에 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 나일론 등과의 blend도 하고 있다. ABS수지는 각종 기계적 강도,가공성,가격 등 모든점에서 균형이 잡힌 뛰어난 수지이지만 결코 만능은 아니고 투명성,내후성등에 약간의 문제가 있다.

 

이외 이미 기술한 바와 같이 ABS 수지는 AS 수지의 연속상에 고무의 미립자가 분산한 2상 불균일계의 구조를 갖고 또한 그 구성성분인 수지와 고무의 굴절율이 다르므로 이 계면에서 빛의 굴절, 산란이 일어나 그 결과 본질적으로 불투명하게 된다. 따라서 이와 같은 blend 폴리머를 투명으로 하기 위해서는 수지와 고무입자의 크기를 어느 범위내로 가깝게 하든지 또는 고무입자의 크기를 가시 광선의 산란이 일어나지 않는 정도로 작게하면 좋을 것이다.

 

ABS수지에서는 이를테면 SBR을 고무성분으로 하여 이것에 graft와 수지성분으로 styrene, methylmethacrylate을 조합시킴에 의해 양자의 굴절율을 어느 정도까지 일치시킬수 있고 수지를 투명화 할 수 있다. 이와 같은 수단에 의해서 현재는 대체로 폴리카본네이트와 같은 정도의 투명성을 갖는 ABS수지가 투명 그레이드로써 시판되고 있고 ABS수지의 불투명이라는 결점도 극복되었다고 할 수가 있다.

 

ABS수지의 제2의 큰 결점은 내후성이 떨어지는 점이다. 따라서 종래는 이 결점을 cover하기 위해서 특정안료, 자외선 흡수제 등의 첨가 또는 도장, 금속도금 등 각종의 개선책이 취해져 왔는데 어느것도 본질적인 해결책은 아니었다.

 

ABS수지에 우수한 내충격성을 부여하는 것은 말할것도 없이 butadiene성분으로 이 B성분이 ABS수지의 우수한 도금성능의 원인으로 여겨지고 있는 그 반면에, 이 butadiene고무중의 잔존 이중결합이 ABS수지의 내후열화의 원인으로 생각되어진다. 여기서 그 butadiene고무를, 이중결합을 포함하지 않는 다른 elastomer, 이를테면 acryl산ester계 합성고무(AAS수지), 염소화 폴리스티렌(ACS수지) 또는 ethylene 초산vinyl공중합체 등으로 바꾸면 ABS수지의 내후성을 개선한 AXS수지라고 총칭되는 일련의 내후,내충격성 수지가 최근 차례로 개발되어 옥외용 내충격성 재료로서 주목되고 있다.

 

4. 성형가공

ABS수지의 성형가공법은 그 주성분인 styrene서 영향을 받으므로 대단히 우수하다. 그러나 폴리스티렌에 비하면 유동성이 약간 떨어지고 또한 약간의 흡수성이 있으므로 성형전 예비건조가 필요하는 등 약간의 차는 있지만 이들의 문제는 HIPS, AS수지와 같은 정도이다.

 

아무리 성형성이 뛰어나고 또한 내충격성,강성,내열성,표면광택 등 뛰어난 성질을 함께가진 ABS 수지라 할지라도 성형조건이 적당하지 않으면 그 본래의 성질을 발휘할 수 있는 것은 아니다.

 

ABS수지의 성형법은 다른 styrene계의 수지와 같이 사출성형이 중심이며,그밖의 압출성형,진공성형,취입성형,발포성형 등이 중요한 성형법이지만 최근에는 콜드포밍,회전성형 등의 기술도 적용되려 하고 있다.

 

5. 용도

ABS수지의 용도는 ABS수지의 주요 특성에 나타난 바와 같이 우수한 물성을 반영하여 산업용품과 전자산업부품에 사용범위가 넓다. 그 중심으로 되는 것이 전기기구관계로 전체의 약 40%를 점하고 있다. 즉 ABS수지는 냉장고,선풍기,세탁기,Radio,TV등 소위 가전전기기구의 모든 분야에 걸처 이용되고 있다.

 

차량용은 radiator grill, instrument pannel,door pannel등 4륜차의 내외장부분과 2륜차의 fender front cover 등이 있다. 그밖에 문방구,완구,구두heel,가정제품,주택부품,스포츠용품등의 잡화관계, 방적기,사무기기,미싱,시계광학기기,악기등 그밖의 기기,가구,건재, PVC blend용도 등 ABS수지의 용도는 실로 모든 분야에 걸처 있다.

 

ABS 수지의 Motor board는 초광폭 Sheet 압출용 screw die에 의한 폭 2.2mm 두께 10mm의 ABS수지 sheet를 진공성형한 것으로 ABS수지의 강인성과 우수한 성형가공을 나타내는 좋은 예이다. 엔지니어링 플라스틱으로 등장한 ABS 수지는 점점 그용도를 개척하여 현재 범용 플라스틱에서 성격을 탈피하면서 광범위한 분야에 이용되고 있고 금후에도 각 방면에 걸처 더욱더 발전할 것으로 기대되고 있다