Photo-oxidative degradation and stabilization of acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS)

Abstract

Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) is a polymeric material used in many applications due to its outstanding properties and relative low cost for an engineering polymer. However, a common drawback of polymers with polydiene sequences, such as ABS, is their susceptibility to photo-oxidative degradation when exposed to ultraviolet (UV) radiation in the presence of oxygen. This work is dedicated to the study of the influence of weathering under natural and accelerated conditions on chemical structure and properties of ABS, aiming understands its degradation mechanism and enhancing its performance against UV radiation. Unstabilized and stabilized ABS samples obtained by extrusion were exposed to natural and accelerated weathering conditions. Natural exposure was carried out at Lisbon (Mediterranean climate) and accelerated weathering in a Xenotest 150S chamber. Chemical modifications of unstabilized ABS, evaluated by infrared spectroscopy with an ATR accessory, showed that under accelerated conditions the formation rate of photoproducts is higher than in natural weathering, although chain scission occurred mainly during natural exposure. During both types of weathering, optical, mechanical and rheological properties are considerable affected. Results obtained by DMA and spectrophotometry showed that titanium dioxide (TiO2) and carbon black (CB) have an important influence on photochemical stability of ABS exhibiting a protective effect against UV radiation, under accelerated conditions. The best results were achieved for ABS samples containing CB. Stabilized ABS samples with hindered amines light stabilizers and ultraviolet absorbers, primary and secondary antioxidants and a combination of both indicated that all stabilizers induced a decrease on the degradation rate of ABS during accelerated weathering experiments, although synergetic effects were achieved for samples containing physical mixtures of light and thermal stabilizers. The study of the interaction between light stabilizers, antioxidants and a combination of both with CB and TiO2 on the photostability of ABS reveled that while TiO2 efficiency is enhanced with the incorporation of light and thermal stabilizers, an antagonistic effects were found for pigmented-ABS samples with CB.

O Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) é um material polimérico utilizado numa ampla gama de aplicações devido às suas excelentes propriedades e baixo custo para um polímero de engenharia. Todavia, um dos problemas associados à utilização de polímeros contendo dieno, como o ABS, é a sua elevada suscetibilidade à degradação foto-oxidativa quando exposto à radiação ultravioleta (UV) na presença de oxigénio. Este trabalho é dedicado ao estudo da influência do envelhecimento sob condições naturais e aceleradas na estrutura química e propriedades do material, tendo como objetivo compreender o seu mecanismo de degradação e melhorar a sua estabilidade à radiação UV. Amostras de ABS, não estabilizadas e estabilizadas, obtidas por extrusão foram submetidas a envelhecimento natural e acelerado. As amostras foram expostas em ambiente natural na cidade de Lisboa (Clima Mediterrânico) e em ambiente acelerado numa câmara Xenotest 150S. Alterações químicas à superfície de amostras de ABS não estabilizado, avaliadas por espectroscopia de infravermelho com um acessório (ATR), mostraram que sob condições aceleradas a formação dos produtos de degradação é maior do que nas amostras submetidas a envelhecimento natural, embora a cisão da cadeia molecular ocorra preferencialmente sob condições naturais. O estudo realizado mostrou que o envelhecimento acelerado e natural de amostras de ABS têm uma importante influência sobre as suas propriedades óticas, mecânicas e reologicas. Resultados obtidos por DMA e espectrofotometria mostram que o dióxido de titânio (TiO2) e negro de fumo (CB) contribuem de forma significativa para uma maior estabilidade do material sob condições aceleradas, protegendo o material da radiação UV. Os melhores resultados foram obtidos para as amostras de ABS contendo negro de fumo Amostras de ABS estabilizadas com aminas estéricamente impedidas e absorvedores de UV, antioxidante primário e secundário e uma combinação entre ambos mostraram que embora os estabilizantes inibam o processo degradativo, embora efeitos sinergéticos foram alcançados para amostras de ABS contendo misturas físicas de estabilizantes à radiação e térmicos. O estudo das interações entre o TiO2 e CB com os sistemas de estabilização indicou que podem existir efeitos antagónicos e sinergéticos dependendo da estrutura molecular, das características químicas da superfície e, consequentemente, resultando em interações diferentes entre os materiais incorporados.