Akrilonitril Bütadien Stiren

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), üç ana monomerden sentezlenen amorf bir termoplastik kopolimerdir: akrilonitril, bütadien ve stiren; tipik olarak ağırlıkça %15–35 akrilonitril, %5–30 bütadien ve %40–60 stiren oranlarında. Bu bileşim, yüksek darbe dayanımı, sertlik ve boyutsal kararlılık dahil olmak üzere dengeli mekanik özelliklere sahip çok yönlü bir mühendislik plastiği ile sonuçlanır.^[1] ABS, monomerlerin kauçuk sertleştirilmiş stiren-akrilonitril (SAN) matris oluşturmak üzere aşılandığı veya karıştırıldığı emülsiyon veya kütle polimerizasyon süreçleri ile üretilir.^[2]

Her monomere özgü katkılar, ABS’nin performans özelliklerini tanımlar: akrilonitril, asitlere, alkalilere karşı direnç ve çoğu uygulama için 80–100°C’ye kadar sıcaklıklara karşı mükemmel kimyasal ve termal kararlılık sağlar; bütadien, sıfırın altındaki koşullarda bile darbe dayanımını artırarak tokluk ve düşük sıcaklıkta süneklik kazandırır; stiren ise estetik ve yapısal çekicilik için iyi işlenebilirlik, yüzey parlaklığı ve sertlik sunar.^[1] Genel olarak ABS, 30–50 MPa gerilme dayanımı, %10–50 kopma uzaması ve düşük su emilimi (%0,1–0,4) sergiler; bu da onu enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon ve 3D baskı için uygun kılar.^[2] Ancak, stabilizatörler olmadan zayıf UV direncine sahiptir; bu da uzun süreli güneş maruziyetinde sararma ve kırılganlaşmaya yol açar; ayrıca orta seviye ısı sapma sıcaklıkları (yaklaşık 80–105°C) alaşımlama veya katkı maddeleri ile giderilebilir.^[3]^[4]^[5]

ABS, maliyet etkinliği ve geri dönüştürülebilirliği nedeniyle çeşitli endüstrilerde yaygın kullanım bulur; 2025 itibarıyla küresel üretimi yaklaşık 9,75 milyon metrik tondur.^[6] Otomotiv sektöründe gösterge panelleri ve tamponlar gibi iç bileşenler için kullanılır; elektroniklerde bilgisayar ve cihaz muhafazaları için; inşaatta borular ve fittings için.^[1] Tıbbi uygulamalarda infüzyon sistemleri ve implantlar gibi biyouyumlu cihazlar, dayanıklılığı ve sterilize edilebilirliğinden yararlanır.^[7] Ayrıca, işlenebilirliği eklemeli imalatta prototiplemeyi destekler; ancak petrol türevi kökeni ve biyobozunmazlığı nedeniyle çevresel kaygılar doğurur.^[1]

Genel Bakış

Tanım ve Bileşim

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), üç ayrı monomerin kopolimerizasyonu ile oluşan bir tür sentetik polimer olan terpolimerdir: akrilonitril, bütadien ve stiren.^[8] Bu bileşim, dengeli özelliklerinden dolayı mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılan çok yönlü bir malzeme ile sonuçlanır. ABS, hafif, kolay işlenebilir bir mühendislik plastiğidir ve genellikle metal görünümünü taklit etmek için krom kaplanır.^[9]^[10]^[11] ABS’deki bu monomerlerin tipik oranları, istenen özelliklere ulaşmak için değişir; genellikle ağırlıkça %15–35 akrilonitril, %5–30 bütadien ve %40–60 stirendir.^[1] Yaygın bir formülasyon yaklaşık %20 akrilonitril, %25 bütadien ve %55 stireni içerir; ancak bu oranlar belirli son kullanım gereksinimlerine göre ayarlanabilir.^[1]

Her monomer, ABS’nin genel yapısına ve performansına benzersiz nitelikler katar. Akrilonitril, sertlik, dayanıklılık, kimyasal direnç ve termal kararlılık kazandırır; bu da malzemeyi zorlu ortamlarda dayanıklı kılar.^[1] Bütadien, kauçuksu bir bileşen olarak tokluk ve darbe direnci ekler; özellikle düşük sıcaklıklarda, stres sırasında enerjiyi emen dağılmış bir faz oluşturur.^[8] Stiren, matris fazı olarak işlenebilirlik, parlaklık, yüzey bitişi ve ek sertlik sağlar; bu da kalıplamayı ve estetik çekiciliği kolaylaştırır.^[1] Bu sinerjik katkılar, güç ile esnekliği birleştiren bir malzeme ile sonuçlanır.

ABS adı, bileşen monomerlerin baş harflerinden oluşan bir kısaltmadır: akrilonitril, bütadien ve stiren.^[1] Amorf bir termoplastik olarak sınıflandırılan ABS, kristal bir yapıya sahip değildir ve belirgin bir erime noktası yoktur; bunun yerine, cam geçiş sıcaklığının üzerinde kademeli olarak yumuşar; bu da önemli bozunma olmadan tekrar tekrar eritilmesine ve yeniden şekillendirilmesine olanak tanır.^[1] Bu sınıflandırma, enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon ve diğer termoplastik işleme tekniklerine uygunluğunu vurgular.

Tarihçe ve Gelişim

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS)’nin geliştirilmesi, II. Dünya Savaşı sırasında kurşun geçirmez levhalar gibi sert, darbe dirençli malzemeler yaratmak için yapılan araştırmalara dayanır; bu, sertlik ve esnekliği birleştirmek için stiren-bütadien kauçuğu ile daha önceki çalışmalara dayanır.^[12] Almanya’daki IG Farben gibi şirketlerdeki kimyagerler, akrilonitril ve stireni polibütadien kauçuğuna aşılamayı araştırdı; bu da akrilonitrilden sertlik, bütadienden esneklik ve stirenden işlenebilirlik dengesi sağlayan ilk formülasyonlara yol açtı.^[13]

ABS için ilk patent, 1948’de bütadien-akrilonitril elastomer ile akrilonitril-stiren kopolimerinin fiziksel karışımını tanımlayarak verildi; bu, ticarileşmesinde önemli bir adımdı.^[14] 1954’te Borg-Warner Corporation (daha sonra General Electric tarafından satın alındı), emülsiyon polimerizasyon teknikleri kullanarak Cycolac ticari adıyla ilk ticari üretimi başlattı; bu, monomerleri kauçuk parçacıklarına aşılayarak geliştirilmiş özellikler sağladı.^[15] 1950’lerdeki emülsiyon sürecindeki ilerlemeler, parçacık boyutu ve aşılama verimliliği üzerinde daha iyi kontrol sağlayarak ölçeklenebilir üretimi mümkün kıldı ve 1960’larda özellikle otomotiv bileşenleri gibi paneller ve trimler için yaygın kabul gördü; burada ABS’nin kalıplanabilirliği ve dayanıklılığı önemliydi.^[16] Dow Chemical da 1950’lerin ortalarında üretime girdi; belirli uygulamalar için uyarlanmış akrilonitril içeriğine sahip varyantlar katkıda bulundu.^[12]

1970’ler ve 1980’lerde ABS, endüstri taleplerini karşılamak için özel sınıflara evrildi; halojenli katkı maddeleri içeren alev geciktirici formülasyonlar veya 1971’de General Electric tarafından tanıtılan polikarbonat/ABS karışımları, elektronik ve taşımacılıkta yangın güvenliğini artırdı.^[17] Artırılmış kauçuk içeriği ve gelişmiş aşılama yoluyla optimize edilmiş yüksek darbe varyantları, diğer özellikleri feda etmeden tokluğu iyileştirdi.^[15] 2000 sonrası sürdürülebilirlik düzenlemeleri, yenilenebilir hammaddeler içeren veya mekanik geri dönüşüm yöntemlerini iyileştiren biyo-tabanlı ve geri dönüştürülebilir ABS’nin geliştirilmesini teşvik etti; bu da performansını korurken çevresel etkiyi azalttı.^[13]

Kimyasal Yapı

Monomer Bileşenleri

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), üç ana monomerden oluşur: akrilonitril (CH₂=CHCN, C₃H₃N), 1,3-bütadien (CH₂=CHCH=CH₂, C₄H₆) ve stiren (C₆H₅CH=CH₂, C₈H₈).^[18] Akrilonitrilin kimyasal yapısı, vinil omurgasına bağlı polar bir nitril (-CN) grubu içerir; bu da kopolimer sistemlerinde güç ve uyumluluk kazandırır.^[18] Bütadienin konjuge dien yapısı, kauçuksu elastomeric faz oluşumunu sağlar; stirenin aromatik halkası ise sert, camsı bir bileşen katkıda bulunur.^[19]

Akrilonitril, polar nitril grubu sayesinde nihai polimere kimyasal direnç ve ısı kararlılığı kazandırır; bu da çözücülere karşı bariyer etkileri ve intermoleküler etkileşimleri artırır.^[19] Bu monomer ayrıca yapısal bütünlük için zorunlu olan sertlik ve dayanıklılık katkıda bulunur.^[19] Buna karşılık, bütadien yaklaşık -80°C’lik düşük cam geçiş sıcaklığı ile esneklik ve tokluk kazandırır; bu da polibütadien fazının düşük sıcaklıklarda bile esnek kalmasını sağlar.^[20] Stiren, polar olmayan aromatik doğası sayesinde parlaklık ve kolay işlenebilirlik sunar; bu da imalat sırasında pürüzsüz eriyik akışı ve yüzey bitişi kolaylaştırır.^[19]

Akrilonitrilin polaritesi, elektron çeken nitril grubu nedeniyle ABS’de aşılama reaksiyonlarında kritik rol oynar; kauçuksu bütadien fazı ile sert matris arasında adhezyonu teşvik eder.^[7] Bu, polar grupların uyumluluğu ve dağılmış polibütadien parçacıklarının dağılımını iyileştirdiği, sürekli sert faz olarak akrilonitril-stiren kopolimeri (SAN) oluşumunu sağlar.^[21]

Polimer Mimari

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), stiren-akrilonitril (SAN) kopolimerinden oluşan sürekli camsı matris içinde polibütadien kauçuk parçacıklarının dağıldığı iki fazlı polimer mimarisi ile karakterize edilir. Bu çok fazlı yapı, sert SAN fazı ile elastomeric polibütadien arasındaki uyumsuzluktan kaynaklanır; ABS’nin performansında zorunlu olan sertlik ve tokluk dengesi sağlar.^[22]^[23]

Aşılama mekanizmaları bu mimaride kritik rol oynar; burada SAN zincirleri, allilik hidrojen soyutlaması veya kalan çift bağlarla kopolimerizasyon gibi serbest radikal süreçleri yoluyla kauçuk omurgasına kovalent olarak bağlanır. Bu aşılama, fazlar arası arayüz uyumluluğunu artırır, kauçuk parçacıklarının dağılımını stabilize eder ve stres transferini kolaylaştırarak faz ayrılmasını önler ve darbe direncini iyileştirir.^[22]^[23]

ABS’deki morfolojik varyasyonlar, tokluğu önemli ölçüde etkileyen kauçuk parçacık boyutu farklarını içerir; tipik olarak 0,1 ila 0,4 μm arasında değişir; daha küçük parçacıklar daha ince dağılımı teşvik eder ve daha yüksek darbe dayanımı sağlar; daha büyük olanlar belirli koşullar altında enerji emilimini artırabilir. Ayrıca, kauçuk fazı içindeki çapraz bağlanma, yüksek dönüşümlerde radikal reaksiyonlarla gerçekleşerek zincir hareketliliğini sınırlar ve dağılmış alanlarda esneklik ile sertlik dengesini modüle ederek malzemenin dayanıklılığına katkıda bulunur.^[22]^[23]

Fiziksel ve Mekanik Özellikler

Termal ve Optik Özellikler

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), çok fazlı yapısından etkilenen belirgin termal özellikler sergiler. Stiren-akrilonitril (SAN) fazının cam geçiş sıcaklığı (Tg) yaklaşık 105°C’dir; bu da ortam sıcaklıklarında sertlik sağlar; polibütadien fazı ise yaklaşık -80°C Tg’ye sahiptir ve düşük sıcaklıkta esneklik katkıda bulunur.^[24]^[20] Yük altındaki ısı sapma sıcaklığı (HDT) tipik olarak 80 ila 100°C arasındadır; bu da malzemenin orta seviyeli termal stres altında şekil bütünlüğünü koruma yeteneğini gösterir.^[25] ABS’nin termal iletkenliği düşük olup yaklaşık 0,2 W/m·K’dir; bu da ısı tutma veya dissipasyon kontrolü gerektiren uygulamalarda etkili bir yalıtkan yapar.^[26]

Optik olarak standart ABS, dağılmış kauçuk parçacıklarının ışık saçılması nedeniyle genellikle opak olup, SAN matrisinden farklı kırılma indislerine sahip olmaları net geçirgenliği önler.^[27] Kırılma indisi yaklaşık 1,53’tür; bu da şeffaf olmayan formlarda ışık etkileşimini etkiler.^[28] Yüzey parlaklık seviyeleri formülasyona, işlemeye ve bitişe bağlı olarak %50 ila 90 arasında değişir; bu da kalıplanmış parçalarda estetik çok yönlülük sağlar.^[29]

ABS, 1,04 ila 1,06 g/cm³ yoğunluğa sahiptir; bu da tüketici ve endüstriyel kullanımlar için hafif doğasına katkıda bulunur.^[30] Doygunlukta su emilimi düşük olup %0,5’ten azdır; nemli ortamlarda boyutsal kararlılık sağlar.^[31]

Mekanik Dayanıklılık ve Sağlamlık

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), zorlu yapısal uygulamalar için uygun dengeli mekanik dayanıklılık sergiler; tipik gerilme dayanımı 40 ila 50 MPa arasında değişir; bu da önemli çekme kuvvetlerine karşı kırılmadan dayanmasını sağlar.^[32] Bu dayanıklılık, 2,0 ila 2,5 GPa Young modülü ile tamamlanır; bu da yük altında deformasyona izin verirken yapısal bütünlüğü koruyan orta sertliği gösterir.^[32] Ayrıca ABS, %20 ila 50 arasında kopma uzaması değerleri gösterir; bu da arıza öncesi enerji emme yeteneğini ve sünekliğini yansıtır.^[32]

Malzemenin darbe dayanımı, özellikle yaklaşık 200 ila 400 J/m çentikli Izod değeri ile öne çıkan bir özelliktir; bu da ani dinamik yüklere karşı direncini ölçer.^[33] Bu tokluk, esas olarak stresleri faz ayrılması yoluyla dağıtan ve çatlak yayılmasını önleyen kauçuksu polibütadien fazından kaynaklanır.^[34] Bütadien bileşeni, sert fazların kırılganlaşabileceği durumlarda esnek kalarak -40°C’ye kadar etkili darbe direncini artırır.^[35]

Uzun süreli stres altında dayanıklılık açısından ABS, ortam koşullarında titreşimli veya salınımlı kuvvetlere maruz kalan bileşenler için güvenilir kılan iyi yorgunluk direnci gösterir.^[36] Ancak, sürekli yükler altında orta seviyeli sürünme davranışı sergiler; zamanla kademeli deformasyon, uzun vadeli statik uygulamalar için tasarım dikkati gerektirir.^[36] Aşınma direnci, 100 ila 110 Rockwell R sertliği ile desteklenir; bu da sürtünmeli temasa karşı dayanıklı bir yüzey sağlar.^[37]

Üretim Yöntemleri

Emülsiyon Polimerizasyonu

Emülsiyon polimerizasyonu, Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS) üretimi için yaygın kullanılan bir yöntemdir; kauçuk fazının etkili dağılımını sağlayan iki aşamalı sulu bir süreç içerir. İlk aşamada, bütadien emülsiyonda polimerize edilerek polibütadien lateksi oluşturulur; tipik olarak su sürekli faz olarak kullanılır ve hidrofobik monomeri çözündüren miseller oluşturmak için emülgatörler kullanılır.^[38] Bu lateks, sonraki aşılama adımı için kauçuk substratı olarak hizmet eder. İkinci aşamada, akrilonitril ve stiren emülsiyonları polibütadien lateksine eklenir; burada serbest radikal polimerizasyonu bu monomerleri kauçuk zincirlerine aşılar ve yüksek aşılı kauçuk (HGR) olarak bilinen kopolimeri oluşturur; bu genellikle ayrı olarak emülsiyon polimerizasyonu ile üretilen stiren-akrilonitril (SAN) kopolimeri ile karıştırılır.^[38] Sonuçta elde edilen lateks koagüle edilir, yıkanır ve kurutulur; ince dağılmış kauçuk fazına sahip ABS reçinesi elde edilir.^[38]

Bu süreçteki ana parametreler, optimum aşılama ve parçacık kararlılığını sağlamak için dikkatle kontrol edilir. Polimerizasyon tipik olarak 50°C ila 80°C sıcaklıklarda gerçekleşir; reaksiyon kinetiğini dengeler ve bileşenlerin termal bozunmasını önler.^[38] Su çözünür başlatıcılar, örneğin persülfatlar (örneğin potasyum persülfat), polimerizasyonu başlatmak için serbest radikaller üretir; anyonik yüzey aktif maddeler (örneğin alkil sülfonatlar veya sabunlar) kritik misel konsantrasyonunun üzerinde konsantrasyonlarda kullanılarak miselleri oluşturur ve stabilize eder; bu da monomeri çözündürür ve yaklaşık 100-300 nm çapında kauçuk parçacıkları ile sonuçlanır.^[38]^[39] Bu koşullar, tipik olarak %50-80 aşılama verimliliği teşvik eder; darbe direncini artıran ince kauçuk parçacığı dağılımına sahip ABS ile sonuçlanır.^[40]

Emülsiyon polimerizasyonunun avantajları, nanoscale kauçuk dağılımı nedeniyle üniform morfolojiye ve üstün tokluğa sahip ABS üretimi içerir; bu da zorlu uygulamalar için yüksek darbe sınıfları için idealdir.^[38] Bu yöntem ayrıca sulu ortamda kolay ısı dissipasyonu sağlar; kütle süreçlerine kıyasla kaçak reaksiyon riskini azaltır.^[41] Tarihsel olarak, emülsiyon polimerizasyonu, 1950’lerin başında Borg-Warner gibi şirketler tarafından ticari girişinden beri ABS üretimine hakim oldu; çok yönlü reçinelerin ölçeklenebilir imalatını sağladı; daha sonraki on yıllarda kütle polimerizasyonu yaygınlaşmadan önce.^[16]^[38]

Kütle Polimerizasyonu

Kütle polimerizasyonu, ayrıca bulk polimerizasyon olarak da bilinir; Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS) reçinelerini sentezlemek için susuz sürekli bir süreçtir; burada stiren ve akrilonitril monomerleri önceden oluşturulmuş polibütadien kauçuk substratı varlığında kopolimerize edilir.^[42] Darbe değiştirici olarak hizmet eden polibütadien, önce monomer karışımında çözülür ve polimerizasyon bir dizi reaktörde ilerler; burada stiren-akrilonitril kopolimeri kauçuk parçacıklarına aşılanır ve sert matris içinde dağılmış kauçuk fazı oluşturur.^[42] Bu yöntem tipik olarak tersiyer-bütil peroksi esterler gibi serbest radikal başlatıcılar kullanır ve sonraki aşamalarda düşük molekül ağırlıklı türleri ve reaksiyona girmemiş monomerleri azaltılmış basınç ve yüksek sıcaklıklarda uzaklaştırmak için kısmi devolatilizasyon içerir.^[43]

Ana süreç parametreleri, birden fazla reaktör aşamasında 140°C ila 180°C arasında değişen reaksiyon sıcaklıklarını içerir; su veya emülgatör bulunmaz; bu da onu sulu yöntemlerden ayırır ve aşılama sırasında kontrollü faz ayrılmasına izin verir.^[44] Kütle polimerize ABS’deki kauçuk parçacık boyutları tipik olarak 0,1 ila 10 mikron arasında değişir; emülsiyon süreçlerindekilerden genellikle daha büyüktür; çünkü stabilize edici yüzey aktif maddeler yoktur; bu da kirletici maddeleri ve jel içeriğini azaltarak optik netliği artıran sınıfların üretimini sağlar.^[45] Devolatilizasyon, %50-90 yüksek dönüşüm oranlarını sağlamak için 240°C’ye kadar sıcaklıklarda atmosfer altı koşullarda gerçekleşir.^[43]

Kütle polimerizasyonunun avantajları, daha az katkı maddesi ve daha basit aşağı akım işleme nedeniyle düşük üretim maliyetlerini içerir; ayrıca daha beyaz taban rengi, daha iyi renk kararlılığı ve daha düşük uçucu organik bileşenler (VOC’ler) gibi üstün optik özellikler sunar; bu da estetik tutarlılık gerektiren uygulamalar için uygundur.^[46] Bu süreç, emülsiyon yöntemlerine kıyasla daha büyük parti boyutlarında minimum lot-to-lot değişkenliğe sahip daha saf reçineler üretir; bu da yüksek netlikli ABS varyantları için yaygın kabul görmesini sağlar.^[47]

İşleme Teknikleri

İşleme ve Şekillendirme

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), higroskopiktir ve nemle ilgili kusurları (örneğin boşluklar veya hidroliz) önlemek için işlemden önce 80–90 °C’de 2–4 saat ön kurutma gerektirir.^[48] ABS, dengeli akış özellikleri ve termal kararlılığından yararlanarak muhafazalar ve muhafazalar gibi hassas bileşenler üretmek için enjeksiyon kalıplama yoluyla yaygın olarak işlenir.^[48] Bu yöntemde malzeme, karmaşık kalıpları doldurmak için optimum viskoziteyi elde etmek üzere 220 ila 260°C sıcaklıklarda eritilir; kalıp sıcaklıkları ise soğuma hızlarını kontrol etmek ve iç gerilmeleri en aza indirmek için 40 ila 80°C arasında tutulur.^[48] Katılaşma sırasında küçülme tipik olarak %0,4 ila 0,9’dur; bitmiş parçalarda boyutsal doğruluğu sağlamak için dikkatli kalıp tasarımı ayarları gerektirir.^[49]

Ekstrüzyon, ABS levhaları ve profilleri imal etmek için yaygın olarak kullanılır; burada polimer 190–270°C’ye ısıtılır ve sürekli şekiller oluşturmak için bir kalıptan geçirilir; bu şekiller daha fazla işlemeye uygundur.^[50] Bu ekstrüde levhalar daha sonra termoformasyona tabi tutulabilir; yaklaşık 150–180°C’ye ısıtılarak kalıp üzerine gerilir; üniform kalınlığı korumak ve incelme veya yırtılmayı önlemek için pratik çekme oranları 3:1’e kadardır.^[51] Şişirme kalıplama, şişeler gibi oyuk öğeler için ABS’ye uygulanır; burada bir parison ekstrüde edilir, 200–250°C’de kalıba karşı şişirilir ve iyi darbe direncine sahip sert yapılar oluşturmak için soğutulur.^[52]

ABS bileşenlerini birleştirmek genellikle kaynak yöntemlerini kullanır; örneğin ultrasonik kaynak, dolgu maddeleri olmadan parçaları kaynaştırmak için yüksek frekanslı titreşimleri kullanarak yerel ısı üretir; veya sıcak plaka kaynak, yüzeyler 200–250°C’de ısıtılmış bir elemana karşı eritilir ve güçlü, hermetik bağlar için birlikte bastırılır.^[53] Yapıştırıcı bağlama, farklı malzemeler veya karmaşık geometriler için alternatif sağlar; kirletici maddeleri kaldırmak ve ıslanabilirliği artırmak için solvent silme veya aşındırma gibi yüzey hazırlığı gerektirir; bu da uygun uygulama altında 10 MPa’yı aşan kayma dayanımına sahip dayanıklı birleşimler elde eder.^[54] Bu teknikler, ABS’nin termoplastik doğasından yararlanır; işlem sırasında bozunmayı önlemek için eriyik akış indeksi gibi termal özellikler dikkate alınarak yeniden işleme izin verir.^[55]

Eklemeli İmalat

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), dayanıklı prototipler ve fonksiyonel bileşenler oluşturmayı sağlayan masaüstü sistemlerde eklemeli imalat için erimiş filament imalatı (FDM), ayrıca erimiş filament imalatı (FFF) olarak da bilinir; darbe direnci ve gerilme dayanımı gibi dengeli mekanik özellikleri onu bu uygulamalar için tercih edilen malzeme konumuna getirir; bu da uygun fiyatlı açık kaynaklı yazıcılardaki ilerlemeleri takiben 2010’larda yaygın kabul gördü.^[56]^[57]

FDM için ABS filamentleri, çoğu tüketici sınıfı ekstrüder ile uyumluluğu sağlayan ve tutarlı malzeme akışını garanti eden 1,75 mm veya 2,85 mm çaplarında standartlaştırılmıştır.^[56] Baskı parametreleri başarı için kritiktir: uygun erime ve ekstrüzyon için nozul sıcaklıkları tipik olarak 230–260 °C arasındadır; ısıtılmış yapı plakaları ise 90–110 °C’de yapışmayı teşvik eder ve termal stresi en aza indirir. Polilaktik aside (PLA) kıyasla ABS, bu daha yüksek sıcaklık gereksinimleri ve baskı kalitesini önlemek için muhafaza gibi kontrollü bir ortam ihtiyacı nedeniyle daha zor basılır.^[56]^[58]^[59]

ABS FDM baskısında ana zorluk, soğuma sırasında %8’i aşabilen belirgin küçülmesidir; bu da özellikle daha büyük veya karmaşık geometrilerde eğrilme, katman ayrılması ve boyutsal hatalara yol açar. Bu sorunlar, malzemenin yüksek termal genleşme katsayısından kaynaklanan düzensiz termal büzülmeden kaynaklanır; çözümler, taslakları azaltmak ve ortam sıcaklıklarını 40–80 °C civarında stabilize etmek için tamamen kapalı odalarda baskı yapmayı içerir.^[60]^[56] Ayrıca, ABS baskısı hoş olmayan kokular ve potansiyel zararlı dumanlar yayar; sağlık risklerini azaltmak için iyi havalandırma veya filtreli muhafaza gerektirir.^[61]^[58]^[59] 45°’den fazla çıkıntılar, daha dik açılarda ekstrüde filamentin yetersiz köprüleme yeteneği nedeniyle sarkma veya arızayı önlemek için destek yapıları gerektirir.^[62]

Son işlem, ABS baskılarının estetiğini ve performansını artırır; aseton buharı yumuşatma, parçaları kontrollü aseton buharlarına maruz bırakarak yüzey katmanlarını yumuşatır ve birleştirir; görünür katman çizgilerini ortadan kaldırır ve pürüzsüzlüğü azaltarak parlak bir bitiş elde eder. Bu yöntem yüzey rafinasyonu için etkili olsa da, aşırı malzeme kaybını veya zayıflamış alt yüzey bütünlüğünü önlemek için dikkatli uygulanmalıdır.^[63]

Uygulamalar

Tüketim Ürünleri

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), tokluk, boyutsal kararlılık ve zamanla canlı renkleri koruma yeteneği dengesi nedeniyle oyuncak endüstrisinde yaygın olarak kullanılır. 1963’ten beri LEGO tuğlaları esas olarak ABS’den üretilir; bu da güçlü kilitleme yetenekleri, tekrarlanan montaj ve demontaj altında yüksek dayanıklılık ve on yıllar boyu estetik çekiciliği koruyan mükemmel renk tutuşu sağlar.^[64] Bu malzemenin yüksek parlak bitişi, bu tuğlaların pürüzsüz, çekici yüzeyine katkıda bulunur; tüketici oyun setlerinde görsel kaliteyi artırır.^[64] Yapı bloklarının ötesinde ABS, aksiyon figürleri ve ölçek modeller için tercih edilen seçimdir; burada darbe direnci, çocuklar tarafından sert kullanıma dayanıklı mafsallı eklemler ve sert yapılar sağlar; kalıplanabilirliği ise karmaşık detaylandırmayı destekler.

Tüketici elektroniklerinde ABS, günlük kullanıma dayanıklı koruyucu muhafazalar ve bileşenler için zorunlu darbe direnci ve estetik çok yönlülük sağlar. Dizüstü bilgisayar ve bilgisayar muhafazaları, iç elektroniklerin düşmelerden ve çiziklerden korunması için hafif gücü ve şık, ergonomik tasarımlara kalıplanabilirliğinden dolayı genellikle ABS içerir.^[65] Klavye tuşları ve uzaktan kumandalar yaygın olarak ABS’den yapılır; sık basılmadan aşınmaya karşı tokluğundan ve parmak izine dayanıklı parlak bir yüzey elde etme kapasitesinden yararlanır; bu da kullanıcı etkileşimini iyileştirir.^[66] Bu uygulamalar, ABS’nin elektrik yalıtım özelliklerini görsel çekiciliğiyle birleştirir; cihazların ev ortamlarında işlevsel ve şık kalmasını sağlar.^[67]

ABS ayrıca günlük ev eşyalarında önemli rol oynar; yüksek trafiğe sahip tüketim malları için dayanıklılık ve kolay temizlik sunar. Vakum temizleyici muhafazaları, hareket sırasında darbelere karşı direnci ve kir maruziyetinde lekelenmeye dayanıklı temizlenebilir, parlak dış yüzeyi için sıklıkla ABS kullanır.^[66] Bagaj kabukları, seyahil ilgili çarpma ve aşınmalara karşı hafif ancak sağlam koruma sağlamak için ABS’den yapılır; malzemenin sertliği sıkıştırma altında şekli korumaya yardımcı olur.^[68] Bisiklet ve spor kaskları gibi koruyucu ekipmanlar, dış kabuklar için ABS kullanır; burada yüksek darbe emilimi ve kalıplanabilirliği, aşırı ağırlık olmadan konforlu, vücuda oturan tasarımlar sağlar; güvenliğe öncelik verir.^[69]

Endüstriyel Kullanımlar

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), tokluk, darbe direnci ve işlem kolaylığı dengesi nedeniyle otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılır; bu da yakıt verimliliğini artıran hafif bileşenlerin üretimini sağlar. İç uygulamalarda ABS, trim panelleri, gösterge panelleri ve alet kümeleri için yaygın olarak kullanılır; titreşimleri emme ve tekrarlanan kullanım altında aşınmaya direnç yeteneği kritiktir. Dış parçalar için, radyatör ızgaraları ve tekerlek kapakları gibi, ABS UV maruziyeti ve küçük darbelere karşı dayanıklılık sağlar; genellikle UV stabilizatörleri içeren formülasyonlar yoluyla. Bu uygulamalar, karmaşık şekiller için ABS’nin kalıplanabilirliğinden yararlanır; araç imalatında maliyet etkili seri üretime katkıda bulunur.

Boru ve inşaatta ABS, kimyasallara ve atık suya karşı korozyon direnci nedeniyle drenaj ve kanalizasyon boruları için malzeme olarak hizmet eder; geleneksel metal borulardan uzun ömürlülük ve kurulum kolaylığında üstündür. ASTM D2661 gibi standartlara uyumlu olan ABS boruları, 60°C’ye (140°F) kadar termal kararlılık sunar; konut ve ticari sıhhi tesisat sistemleri için uygundur.^[70] ABS’den yapılan fittings ve valfler, nemli ortamlarda yoğuşma sorunlarını azaltan düşük termal iletkenliğinden yararlanır; hafif doğası inşaat sahalarında daha hızlı montajı kolaylaştırır.

ABS, kimyasal direnç ve bozunma olmadan sterilize edilebilirlik gerektiren bileşenler için tıbbi ve havacılık sektörlerinde uygulama bulur. Tıbbi cihazlarda, teşhis ekipmanları ve implante edilemez araçlar için ABS muhafazaları, etilen oksit (EtO) ve gamma ışınlaması gibi kimyasal ve radyasyon sterilizasyon yöntemleriyle uyumludur; ayrıca dezenfektanlara maruziyette hijyen ve yapısal bütünlük sağlar.^[71] Havacılıkta, kabin panelleri ve kanal gibi kritik olmayan iç bileşenler için kullanılır; burada alev geciktirici sınıfları, düşük duman emisyonu ve ısı salınımı için FAA gereksinimlerini karşılar.^[72] Malzemenin kütle polimerizasyonundaki ölçeklenebilirliği, bu yüksek güvenilirlik taleplerine uyarlanmış büyük, üniform parçaların verimli üretimine izin verir.

Sağlık, Güvenlik ve Çevresel Etki

İnsan Sağlığı Tehlikeleri

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), esas olarak imalat sonrası polimerde düşük seviyelerde kalan kalıntı monomerleri, stiren ve akrilonitril maruziyeti yoluyla sağlık riskleri oluşturabilir. ABS ürünlerinde kalıntı stiren konsantrasyonları tipik olarak ağırlıkça %0,01 ila 0,4 arasında değişir; ancak düzenleyici ve endüstri standartları maruziyeti en aza indirmek için bunları %1’in altında tutmayı hedefler.^[73] Stiren, Uluslararası Kanser Araştırma Ajansı (IARC) tarafından Grup 2B karsinojen olarak sınıflandırılır; bu da insanlarda sınırlı kanıtlara ve deney hayvanlarında yeterli kanıtlara dayanarak muhtemel insan karsinojeni olduğunu gösterir. İşleme veya kullanım sırasında kalıntı monomerlerden stiren buharlarının inhalasyonu, yetersiz havalandırma olan mesleki ortamlarda baş dönmesi, baş ağrısı, bulantı ve gözler, cilt ve üst solunum yolunda irritasyon gibi akut etkilere neden olabilir.^[74] Ayrıca, ABS filamentinin 3D baskısı sırasında ısıtma süreci, hoş olmayan kokular ve stiren gibi uçucu organik bileşenler (VOC’ler) içeren dumanlar salar; bu da solunum irritasyonuna ve diğer sağlık etkilerine yol açabilir; maruziyeti en aza indirmek için iyi havalandırma veya filtreli muhafaza önerilir.^[75]^[76]

ABS’deki bir diğer ana monomer olan akrilonitril, bitmiş ürünlerde genellikle 4–75 mg/kg gibi daha düşük kalıntı seviyelerinde bulunur.^[77] IARC, akrilonitrili Grup 1 karsinojen olarak sınıflandırır; inhalasyon maruziyeti yoluyla akciğer kanseri ile yeterli kanıt bağlantısı vardır.^[78] İşleme veya toz üretimi sırasında cilt veya göz yoluyla akrilonitril kalıntılarıyla doğrudan temas, irritasyon, kızarıklık ve potansiyel kornea hasarına yol açabilir; ayrıca cilt tahriş edicidir ve hücresel çalışmalarda mutajenik etkilerle ilişkilendirilmiştir.^[79]^[80]

Monomer kalıntılarının yanı sıra, kesme, işleme veya şekillendirme işlemleri sırasında üretilen ABS tozunun inhalasyonu, kontrollü maruziyet koşullarında minimum akut pulmoner toksisite gösterdiği halde solunum irritasyonuna ve potansiyel uzun vadeli sorunlara, örneğin azalmış akciğer fonksiyonuna yol açabilir.^[81] ABS tozu biyobozunmazdır ve genel polimer partikül tehlikelerine katkıda bulunur; endüstriyel ortamlarda kişisel koruyucu ekipman önerisini tetikler.^[82] Ancak, monomerler için belirli migrasyon limitlerini karşılayan FDA uyumlu ABS sınıfları, buzdolabı astarları ve gıda işlemcileri gibi tekrarlanan gıda teması uygulamaları için onaylanmıştır; normal tüketici kullanımında ihmal edilebilir sağlık riskleri sağlar. Ayrıca, AB REACH düzenlemeleri altında ABS’deki kalıntı stiren ve akrilonitril seviyeleri, tüketici ürünlerinde güvenli kullanım sağlamak için kısıtlanır.^[83]

Çevresel ve Sürdürülebilirlik Kaygıları

Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS)’nin üretimi, birincil hammadde olarak rolü nedeniyle stirenin ana kirletici olduğu uçucu organik bileşenler (VOC’ler) emisyonu yoluyla hava kirliliğine katkıda bulunur. Kapıdan kapıya yaşam döngüsü değerlendirmesine göre, ABS reçinesi imalatı ürün kilogramı başına yaklaşık 0,019 pound stiren emisyonu üretir; akrilonitril (0,014 lb/kg) ve bütadien (0,010 lb/kg) gibi diğer VOC’lerle birlikte, 1.000 kg ABS başına 204 kg ozon eşdeğeri fotokimyasal sis oluşumuna katkıda bulunur.^[38] Bu emisyonlar esas olarak polimerizasyon süreçlerinden ve hammadde kullanımından kaynaklanır; endüstriyel alanlarda yer seviyesi ozonu ve partikül maddeyi ağırlaştırır. 2025’te yaklaşık 9,8 milyon metrik ton tahmin edilen küresel ABS üretimi, malzemenin petrokimyasal hammaddelere bağımlılığı nedeniyle daha geniş fosil yakıt çıkarma emisyonlarına bağlı olarak bu etkileri artırır.^[6]

Kullanım ömrü sonunda ABS, biyobozunmaz doğası nedeniyle depolama alanlarında kalıcıdır ve ekosistemlerde mikroplastik kirliliğine katkıda bulunur. Sentetik bir polimer olarak ABS doğal olarak parçalanmaz; toksinleri adsorbe edebilen ve sucul ve karasal habitatları bozan mikroplastiklere parçalanmaya yol açar; bu da toprak, su ve gıda zincirlerine girer.^[84] ABS atığının yakılması, enerji geri kazanımı için sıklıkla kullanılır; nitrojen içeren akrilonitril bileşeninin termal ayrışması sırasında oluşan toksik bir bileşik olan hidrojen siyanür (HCN) dahil tehlikeli gazlar salar; hava kirlenmesine yol açabilir ve katı emisyon kontrolleri gerektirir.^[85]

Geri dönüşüm çabaları bu sorunları ele alır; mekanik geri dönüşüm en yerleşik yöntemdir; ABS atığının sıralanması, öğütülmesi ve yeniden kullanım için peletlere yeniden ekstrüzyonunu içerir. Ancak tekrarlanan döngüler özellik bozulmasına yol açar; örneğin darbe dayanımı ikinci döngüden sonra yaklaşık %14 azalabilir ve önemli kayıp olmadan yaklaşık altı döngü ile sınırlıdır; gerilme veya termal özelliklerde stabilizasyondan önce.^[86] Gelişen kimyasal geri dönüşüm teknikleri, özellikle depolimerizasyon, ABS’yi stiren ve akrilonitril gibi monomerlere kırarak daha yüksek kaliteli geri kazanım sunar; 400–600°C’de piroliz veya süperkritik su gazlaştırma gibi süreçler yoluyla; 2020’lerdeki ilerlemeler, karışımlardan %75’e kadar yağ verimi sağlar ve bakir malzemelere bağımlılığı azaltır.^[13] Sürdürülebilirliği artırmak için biyo-tabanlı ABS alternatifleri, kütle dengesi yaklaşımları yoluyla yenilenebilir hammaddeler kullanarak ivme kazanmıştır; örneğin %95 sürdürülebilir içerikli formülasyonlar, geleneksel ABS’ye eşdeğer mekanik performans korurken karbon ayak izini %92 azaltır.^[87]