ABSとはどのような樹脂なのか 3Dプリンタの観点から

ABSはスチレン系樹脂で、ポリスチレンの仲間です。古くからある樹脂で、日本では石油化学コンビナートが作られた時期の昭和38年に商業生産が始まっています。アクリルニトリル・ブタジエン・スチレンの頭文字をとって名前が付けられました。もともとポリスチレン(PS)という樹脂があり、ABSはこのPSの欠点を改善していく中で生まれました。PSの耐熱性を改善するためにアクリロニトリルを共重合したのがAS樹脂(アクリロニトリル・スチレン)、耐衝撃性を改善するためにブタジエンを共重合したのがHIPS樹脂(ハイインパクトポリスチレン)です。ただしASは耐衝撃性が、HIPSは耐熱性が劣る欠点がありました。これをさらに改善するためPSにアクリロニトリルとブタジエンを共重合してできたのがABS樹脂です。3つの成分が重合したポリマーとなっています。

 

ABSは樹脂相(AS樹脂)にゴム相(ブタジエンゴム)が分散した2相構造を持っているゴム強化樹脂です。衝撃が加わると分散ゴム粒子の表面に応力集中が生じ、局所的な塑性変形が起きます。このために衝撃エネルギーが吸収されて亀裂が伝ぱしにくくなります。耐衝撃性を持ちながら、しかも硬さも有しているという、一見相反する特性を比較的高いレベルで合わせ持っているところにABSが幅広く使われる理由があります。

 

製法はいろいろありますが、現在はグラフトブレンド法という方法が主流です。アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンを重合させ、一旦ブタジエン濃度の高い樹脂を作ります(ABS中間体)。このABS中間体をAS樹脂で希釈するというやり方をとっています。AとBとSの比率を自由に変えることができ、耐熱性、耐衝撃性などの特性をコントロールしやすいため、バラエティに富んだグレードがラインナップできるメリットがあります。

 

3Dプリントするとき、ABSで難しいのは反りだと思われます。これは樹脂が溶融状態から固体になるときの収縮によるところが大きく、一般的な指標である成形収縮率を見ると、PLAが0.3〜0.5%であるのに対し、ABSは0.4〜0.6%と少し大きくなっています。この差がPLAとABSの造形のしやすさに影響しているようです。ABSもPLA同様に吸水しますが、PLAと異なり基本的には加水分解しにくい樹脂のため、PLAほどは造形がボソボソになったりノズル詰まりになったりという現象は起きにくい傾向があります。

 

ABSは射出でも押出でも加工しやすく、大物成形も可能、耐熱も耐衝撃も良好、比較的安価などたくさんのメリットがあるため幅広い分野に使われており、たくさんのグレードがあります。ただABSは流動させるのに力が要ります。樹脂の流動性を示すMFRという指標がありますが、PLAでは試験荷重が2.16kgとなっているのに対し、ABSでは10kg荷重が一般的です。3Dプリンタでは軽い力で押し出せることが求められるため、3DプリンタでのABSは高流動グレードのものが使われていることが多く、あまり3DプリンタでのABS樹脂のグレード選択の幅は広くはないようです。

 

ABSは性能のバランスがいいので幅広く使われていますが、耐候性が低いという弱点もあります。ブタジエンゴムが分子鎖中に二重結合を多く含んでおり、この部分が特に紫外線の影響を強く受けるため、屋外用途にはあまり使われません。紫外線に長期間さらされると黄変や劣化が進行します。紫外線吸収剤を添加して対策することもがありますが、屋外用途の場合はブタジエンゴムを別のものに変える方法がよく取られます。耐候性改善のためブタジエンゴムをアクリルゴムに変えたものがASA樹脂、EPゴムに変えたものがAES樹脂です。シリコンゴムを使ったSAS樹脂というのもあります。ASAはフィラメント用としても使われています。

 

ABSは溶融すると石油系樹脂っぽい独特のにおいがします。3DプリンタでもよくABSは臭気で嫌がられることがあります。ABSは微粒子を発生しやすいという報告もあり、密閉した部屋で長時間稼働する場合は換気をしたほうがよいと思われます。ノズル付近に付着樹脂がついたままだと樹脂の熱分解で有害なアクリロニトリル、スチレンのモノマーが蒸散することも考えられます。