Reichelt Chemietechnik Magazin
Robust durch innere Vielfalt
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein vielseitiger Kunststoff, dessen Stärke in seinem inneren Aufbau liegt: Er verbindet harte, widerstandsfähige und flexible Polymeranteile zu einem robusten Material. Dadurch gilt ABS als besonders schlagfest, formstabil und gut verarbeitbar – Eigenschaften, die es zu einem wichtigen Werkstoff für technisch beanspruchte, langlebige Bauteile machen, etwa für Elektronikgehäuse und im Fahrzeugbau. Mit dem zunehmenden Fokus auf Nachhaltigkeit stellt sich jedoch immer häufiger die Frage, wie sich ABS effizient recyceln und umweltfreundlicher herstellen lässt.
Der lange Name des Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymers (kurz ABS) steht für eine komplexe chemische Struktur, die diesen Kunststoff so robust und vielseitig einsetzbar macht.
Das strukturelle Rückgrat besteht aus einer langen Polybutadien-Kette, an die kürzere Seitenketten aus Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) kovalent gebunden sind, so dass erstere miteinander vernetzt werden. Die Polybutadien- und SAN-Ketten sind jedoch nicht homogen durchmischt, sondern bilden im Mikromaßstab unterschiedliche Phasen. Bei dieser sogenannten Mikrophasenseparation sind die elastischen Polybutadien-Partikel in die feste Phase aus Styrol-Acrylnitril-Copolymer eingelagert. Ein weiteres Beispiel für Kunststoffe mit einer inneren Mesostruktur sind Polyurethane. Während dort eher die Balance zwischen Zähigkeit und Elastizität im Vordergrund steht, zeichnet sich ABS insbesondere durch die Balance zwischen Festigkeit und Elastizität aus.
Was ist ABS für ein Material?
Die Antwort darauf gibt der Blick auf die Eigenschaften seiner einzelnen Phasen. Polybutadien, das eine der Phasen bildet, ist ein synthetischer Kautschuk, wie er auch in der Herstellung von Reifen eingesetzt wird. Als Elastomer ist es bei niedrigen Temperaturen zäh und duktil, von Nachteil ist jedoch seine geringe Beständigkeit gegenüber Hitze. Im Gegensatz dazu ist die Komponente der zweiten Phase, das Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), ein harter, aber spröder Kunststoff, der dem ABS seine charakteristische Härte und Steifigkeit verleiht.
Auch innerhalb einer Phase bringt jede Art von Monomer ihre eigenen Stärken mit: Styrol verleiht dem Kunststoff neben Härte und Steifigkeit eine glänzende, undurchlässige Oberfläche und macht es gut verarbeitbar. Acrylnitril trägt zur Temperaturbeständigkeit und zur Beständigkeit gegen Chemikalien und gegen mechanische Ermüdung bei. Der stabilisierende Effekt der nitrilhaltigen Gruppen beruht darauf, dass deren CN-Dreifachbindung polar ist, was elektrostatische Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Polymerketten ermöglicht. Dadurch haften diese stärker aneinander als beim reinen Polystyrol.
Auf diese Weise behält ABS seine mechanischen Eigenschaften in einem relativ breiten Bereich zwischen -20 und +80 °C. Bei Temperaturen um etwa +110 °C erweicht der Kunststoff und schmilzt erst bei etwa +240 °C. Ein weiterer Vorteil des ABS-Kunststoffs ist seine polare Oberfläche, die vergleichsweise einfach lackiert, bedruckt oder galvanisch mit einer Metallschicht überzogen werden kann. Die Anteile der einzelnen Komponenten lassen sich variieren zwischen 15 % und 35 % Acrylnitril, 5 % und 30 % Butadien sowie 40 % und 60 % Styrol, so dass die gewünschten Materialeigenschaften wie Festigkeit und Elastizität gezielt auf die Anwendung abgestimmt werden können.
Herstellung und Verarbeitung
Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer wurde im Jahr 1948 patentiert, mit der geplanten Anwendung in Form von Gehäusen für Haushaltsgeräte. Als wesentlicher Erfinder und ABS-Pionier gilt der US-amerikanische Chemiker Lawrence E. Daly (1902 oder 1903 – 1966) der United States Rubber Company.
Die Herstellung erfolgt durch Polymerisation von Styrol und Acrylnitril in Gegenwart von Polybutadien, wobei verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Beim Emulsionsverfahren werden die Acrylnitril- und Styrol-Monomere in eine wässrige Emulsion von Polybutadien gegeben und copolymerisiert. Dies ermöglicht eine verbesserte Kontrolle der Mischungsverhältnisse und Partikelgrößen und wird daher für besonders hochwertige Produkte verwendet. Beim Suspensionsverfahren findet die Polymerisation in suspendierten Wassertröpfchen statt, was die Bildung größerer Partikel ermöglicht. Beim Bulk-Polymerisationsverfahren werden die Monomere ohne Lösungsmittel polymerisiert. Dieses wasserfreie Verfahren ermöglicht in Kombination mit Zusatzstoffen, die den Brechungsindex beider Komponenten angleichen, sogar die Herstellung transparenter ABS-Varianten.
Das nach der Synthese meist in Form von Pulver oder Granulat vorliegende ABS wird aufgeschmolzen und mit Farb- und weiteren Zusatzstoffen compoundiert. Anschließend lässt es sich durch Extrusion zu Halbzeugen wie Rohren, Profilen oder Platten sowie zu Filamenten für den 3D-Druck verarbeiten.
Die Halbzeuge können mithilfe verschiedener Verfahren zu Formteilen weiterverarbeitet werden: in der Massenproduktion kommt dabei vor allem der Spritzguss zum Einsatz. Für kleinere Stückzahlen und Prototypen kann ABS auch durch CNC-Fräsen bearbeitet werden, was eine Präzision von bis zu 0,02 mm ermöglicht. Um das Kosten-Nutzen-Verhältnis zu optimieren, lässt sich ABS mit anderen Kunststoffen wie Polyamid oder Polycarbonat zu Blends kombinieren. Im Markt ist ABS unter verschiedenen Handelsnamen verfügbar, darunter Novodur®, Terluran® und Tecaran®.
Im Einsatz, wo Festigkeit gefragt ist
ABS ist der am weitesten verbreitete Kunststoff für technische Anwendungen. Im Jahr 2024 wurden etwa 15 Mio. t produziert und in großem Maßstab zu Produkten für den Haushalt und zu Bauteilen für elektrische Geräte sowie Komponenten für Gebäude und Fahrzeuge verarbeitet. Sogar Pkw mit ABS-Karosserie wurden zeitweise in Serie produziert, die allerdings aufgrund erhöhter Brandrisiken in Deutschland keine Zulassung erhielten.
In den letzten Jahren hat ABS eine zusätzliche Anwendung als eines der meistverwendeten Materialien im 3D-Druck an Bedeutung gewonnen, da gedruckte Objekte ihre Form auch nach dem Abkühlen weitgehend beibehalten. Spielzeug in Form von Klemm- oder Steckbausteinen ist ebenfalls eine weit verbreitete Verwendung.
Ein Vorteil von ABS ist, dass daraus hergestellte Spielzeuge oft stabil langlebig sind. Ein Steckbaustein mit einer Fläche von etwa 2 x 4 cm kann einer Kraft von etwa 4000 N standhalten, was einem Gewicht von etwa 400 kg entspricht, so dass er auch beim Tritt darauf intakt bleibt – was allerdings dem darauftretenden Fuß nicht zugutekommt. Gleichzeitig sorgt die Kombination aus Elastizität, Festigkeit und Zähigkeit dafür, dass sich Steckbausteine präzise zusammenfügen und auch zusammenhalten.
In der Chemietechnik wird ABS unter anderem als Werkstoff für Gehäuse, Bedienfelder und Sichtteile verarbeitet. Zudem eignet es sich für Rohrleitungen, die mit weniger aggressiven Chemikalien wie Wasser, Ölen, schwachen Säuren und Laugen in Kontakt kommen. Nicht geeignet ist es hingegen für starke Säuren und Basen, Oxidationsmittel, Ketone und halogenierte Verbindungen. Die Löslichkeit von ABS in diesen Stoffen lässt sich zum Verkleben von ABS-Teilen nutzen.
Da ABS an sich ungiftig und biokompatibel ist, kann es in der Lebensmittelverarbeitung, Trinkwasserversorgung und Medizintechnik verwendet werden. Bei Temperaturen über +400 °C kann es jedoch in seine Monomere Butadien, Acrylnitril und Styrol zerfallen – Substanzen, die gesundheitsschädlich und teils krebserregend sind. Ein weiteres Problem des ABS ist die Vergilbung durch UV-Licht. Langanhaltende UV-Exposition kann zur Zersetzung führen, was besonders bei in Fahrzeugen verbauten Teilen ein Problem ist. Durch geeignete Additive lässt sich die UV-Beständigkeit jedoch deutlich verbessern.
Wege zu nachhaltigerem Kunststoff
Sortenreines ABS kann grundsätzlich gut eingeschmolzen und unter Beibehaltung seiner Eigenschaften recycelt werden. In der Praxis wird das Material jedoch größtenteils verbrannt, da ABS häufig in Form schwarzer Bauteile eingesetzt wird – ein Umstand, der optische Kunststoffsortieranlagen vor erhebliche Herausforderungen stellt.
Alternative Separationsverfahren, etwa die zusätzliche Auftrennung der Kunststoffe nach ihren elektrostatischen Eigenschaften, könnten in diesem Fall die Recyclingquote erhöhen. Da neues ABS bislang fast ausschließlich aus fossilen Rohstoffen hergestellt wird, kann der Einsatz nachwachsender Ausgangsstoffe in der Synthese den CO2-Fußabdruck verringern. So ließe sich dieses robuste und vielseitig verwendbare Material nicht nur besser wiederverwerten, sondern auch nachhaltiger produzieren.
Bildquellen: Beitragsbild | © Viktor – stock.adobe.com Strukturformel des ABS-Copolymers | © Roland.chem, CC0, via Wikimedia Commons ABS-Granulat | © ABS_grains.jpg: OllixtcRighello.jpg: Luigi Chiesaderivative work: SaraCSF, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons Citroën Méhari | © Alexander Migl, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons Spielzeug-Klemmbausteine aus ABS-Copolymer | © Benjamin D. Esham / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
