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ABS 与聚碳酸酯:强度、耐热性、成本及如何选择

在摄影棚背景前,一个不透明的黑色ABS外壳与一个透明的聚碳酸酯外壳并列

在ABS与聚碳酸酯之间做出选择,应首先考虑零件必须承受的工况,而非哪种塑料更受欢迎。二者均为用于制造外壳、机箱和盖板的工程热塑性塑料,均可进行机械加工、注塑成型或3D打印。区别在于它们在实际应用中分别会带来多大的冲击、热量以及成本影响。查看全文 材料 系列产品,用于检验各等级材料与金属及其他塑料的兼容性。

这两种塑料都没有在所有方面都占优势。聚碳酸酯强度更高、韧性更强且耐热性更好,而ABS则价格更低、更易于表面处理且更易于加工。这种取舍关系解释了为什么这两种材料经常被并用,以及为什么两者的混合材料如此常见。

什么是ABS

ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的缩写。它由三种单体组成,每种单体都赋予其不同的特性。丙烯腈赋予其耐化学性和硬度,丁二烯赋予其抗冲击性,而苯乙烯则赋予其刚性以及光滑、有光泽的表面。

实际上,ABS材料具有不透明、尺寸稳定且易于成型、加工和喷涂的特点。它被广泛应用于汽车内饰板、消费类电子产品外壳、电气机箱、玩具以及原型机外壳等领域。其韧性、表面光洁度和价格之间的平衡,使其成为日常塑料零件的首选材料。

什么是聚碳酸酯

聚碳酸酯(通常简称为PC)是一种透明的热塑性塑料,以其韧性和光学透明度著称。它常用于安全护罩、机器防护罩、灯罩、透镜、视镜以及透明外壳等场合,这些场合要求部件既要保持透明,又要具备抗冲击性。

根据下文引用的制造商数据,标准级板材的光透射率约为88%。这种高透光性,加上高抗冲击强度,使聚碳酸酯在许多工业和安全应用中成为玻璃的实用替代品。

ABS 与聚碳酸酯一览

下表将已公布的关键数据并列展示。由于等级各不相同,请将这些数据视为标准等级的典型值,而非每家供应商都必须达到的最低保证值。

属性ABS聚碳酸酯
抗拉强度32 MPa62 MPa
刚度(模量)1.7 GPa2.4 GPa
密度1.04 克/立方厘米1.20 克/立方厘米
热变形温度低于聚碳酸酯1.8 MPa 时 132 摄氏度
清晰度不透明透明,透光率约为88%
相对材料成本较低比ABS高出约50%

聚碳酸酯与ABS的强度对比

在抗拉强度方面,聚碳酸酯明显占优。引用的制造商对比数据显示,聚碳酸酯的抗拉强度为62 MPa,而ABS为32 MPa。聚碳酸酯的刚度也更高,为2.4 GPa,而ABS为1.7 GPa,这对在受力时不得发生弯曲的盖板和面板而言至关重要。

冲击性能方面也呈现出类似的情况。聚碳酸酯以其极高的冲击强度而著称,在引用的数据中,未开槽的伊佐德试样均未断裂。ABS在日常使用中仍具有良好的抗冲击性,对于许多永远不会受到强烈撞击的外壳而言,其韧性水平恰到好处。

透明聚碳酸酯安全防护板,用于保护车间内的工业设备
聚碳酸酯护罩在受到冲击时仍能保持透明,因此被用于机器安全防护。

聚碳酸酯与ABS的耐热性对比

在高温条件下,这种差距会进一步拉大。根据引用的数据表,聚碳酸酯在1.8 MPa压力下的热变形温度为132摄氏度。对于一种未填充的塑料而言,这一数值相当高,这也解释了为何聚碳酸酯常被用于灯具、电机及其他发热部件附近。

ABS在较低温度下会变软,这限制了其在发动机舱、灯具外壳以及车内暴露在阳光直射下的部件等高温环境中的应用。聚碳酸酯的耐热性更高,这也意味着其加工温度更高,因此在打印时通常需要使用加热腔室,以避免变形。

透明度、抗紫外线性和耐候性

在透明度方面,聚碳酸酯显然更胜一筹。它本身就具有透明性,而ABS在原始状态下则是浑浊的。如果某个部件需要设置窗口、透镜、观察窗或光扩散器,在这两种材料中,只有聚碳酸酯能够直接满足这一需求,无需额外添加透明嵌件。

在户外使用方面,情况则较为复杂。据报道,ABS的天然抗紫外线性能优于聚碳酸酯,而聚碳酸酯若要长期暴露在户外,则需要使用添加了抗紫外线稳定剂的特殊等级材料。若用于制作户外罩壳,请务必选用添加了抗紫外线稳定剂的特殊等级材料,切勿想当然地认为标准聚碳酸酯就能经受住户外环境的考验。

费用与处理流程

根据下文引用的成本对比,聚碳酸酯的价格比ABS高出约50%。该对比中,标准聚碳酸酯的颗粒价格约为每公斤1.52美元,标准ABS的颗粒价格约为每公斤0.90美元。虽然这两种材料都相对便宜,但在大型零件和大批量生产时,价格差距会逐渐累积。

此外,ABS的加工成本通常也较低,因为其熔点较低,可降低能耗,且表面附着性良好。应比较成品部件而非颗粒:一个无需额外保护层的较薄聚碳酸酯部件,其整个使用寿命期间的成本可能低于一个虽然价格更低但容易开裂或变形的ABS部件。

PC-ABS共混物:折中之道

PC-ABS共混物将聚碳酸酯与ABS结合成一种材料。它既保留了聚碳酸酯的大部分耐热性和韧性,又兼具ABS易于加工和表面质量更佳的特点。该材料广泛应用于汽车零部件、电子设备外壳及机箱等领域,这些应用对材料性能的要求已超出单纯使用ABS所能满足的范围。

这种混合材料的价格也比纯聚碳酸酯更低,因为添加ABS可以降低每公斤的材料成本。如果纯聚碳酸酯过于高规格,而纯ABS的韧性或耐热性又稍显不足,那么PC-ABS牌号便是首选的替代方案。

机箱应选用ABS还是聚碳酸酯?

对于机箱而言,选择通常取决于使用环境。对于冲击风险适中的室内电子设备机箱,ABS材料是理想之选。这种材料重量轻、易于表面处理、便于改装,且在设计变更时更换成本低廉。

聚碳酸酯更适合用于户外、工业或安全防护外壳。面对冲击、高温或粗暴操作的透明盖板、观察窗和护罩,都能从其高韧性和高透光性中获益。当外壳既需要透明又需要坚固时,聚碳酸酯是实用的选择。

工作台上,一个透明聚碳酸酯外壳旁边放着一个黑色ABS电子设备外壳
室内电子设备通常适合使用ABS材料,而透明或高抗冲击性的外壳则适合使用聚碳酸酯。

ABS与聚碳酸酯行李箱对比

行李箱在日常使用中体现了这种权衡。ABS材质的行李箱通常更便宜、更轻便,适合注重价格和重量的旅行者。聚碳酸酯材质的行李箱通常更坚固,在受到撞击时更具韧性,适合希望行李箱能经受住粗暴搬运的频繁旅行者。

同样的道理也适用于头盔和工具箱:如果经常摔落,则更适合使用聚碳酸酯;如果使用时较为轻柔,则更适合使用ABS。设计和厚度与基础塑料材料同样重要。

需要注意的缺点

ABS在比聚碳酸酯更低的温度下就会软化,它是不透明的,如果设计时未考虑其耐热性和应力极限,可能会出现划痕和变形。聚碳酸酯若未涂覆保护层则更容易产生划痕,当某些化学物质接触处于受拉状态的零件时,可能会发生应力开裂,并且在热水和蒸汽中会缓慢降解。

实际操作中如何选择

从最严苛的要求入手,而不是从最便宜的材料入手。如果零件需要高透明度、高抗冲击强度或高耐热性,应首先考虑聚碳酸酯,然后测试ABS是否仍能满足要求。如果上述要求均不适用,则应从ABS入手,并将节省下来的成本用于提升表面处理质量或改进设计。

当选择难以抉择时,如果预算允许,请使用两种材料分别制作原型。与仅凭数据表相比,打印或机加工的样品能更直观地展示表面处理效果、柔韧性和装配适配性。对于 3D打印 原型件:请注意,聚碳酸酯比ABS需要更高的温度和更精确的腔室控制。在量产时, 注塑成型 两者的设置有所不同,因此一个 快速原型制作 在生产材料中进行试运行是最可靠的确认方式。

结论

聚碳酸酯在强度、抗冲击性、耐热性和透明度方面更具优势。ABS在成本、易加工性和表面光洁度方面更具优势。PC-ABS共混材料介于两者之间,通常是制造外壳和机箱的最佳折中方案。根据零件将要面对的最严苛工况来选择材料,通常就能明确最佳选择。

来源: Xometry:聚碳酸酯与ABS的对比 以及 ArpTech,聚碳酸酯(PC)数控加工,引用SABIC LEXAN 9034板材技术数据表.

常见问题解答

ABS材质和聚碳酸酯材质的行李箱,哪一种更好?

聚碳酸酯材质的行李箱通常更坚固、抗冲击性更强,适合频繁出行和经受粗暴搬运。ABS材质的行李箱通常价格更便宜、更轻便,适合偶尔出行和预算有限的情况。最佳选择取决于行李箱的使用频率以及将面临多大的粗暴搬运程度。

聚碳酸酯和ABS,哪种材料更好?

这两种材料并没有哪一种在所有情况下都更优。聚碳酸酯在强度、抗冲击性、耐热性和透明度方面更胜一筹。ABS则在低成本、易加工以及涂装后表面光滑方面更具优势。对于要求较高的部件,应选择聚碳酸酯;而对于成本最为关键的简单室内部件,则应选择ABS。

ABS塑料有哪些缺点?

ABS在比聚碳酸酯更低的温度下就会软化,它是不透明的,如果设计时未考虑其耐热性和抗应力极限,可能会发生翘曲或划伤。此外,它依赖于石油化工原料,且回收便利性因地区而异。对于需要耐高温、透明或高抗冲击性的零件,ABS通常并非理想的起始材料。

聚碳酸酯板的主要缺点是什么?

其主要缺点是易划伤且对化学物质敏感。聚碳酸酯若未涂覆硬质涂层,容易产生划痕;当溶剂或强碱接触处于受拉状态的部件时,可能会产生应力开裂。此外,其成本高于ABS,且若需长期用于户外,还需进行紫外线稳定处理。

聚碳酸酯能挡住子弹吗?

普通的聚碳酸酯板无法阻挡子弹。防弹玻璃采用经过特定威胁等级测试的厚型夹层结构,而非单片消费级板材。请勿将任何普通聚碳酸酯板视为防弹材料,并务必核查整个组件的测试等级。

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