通用级聚苯乙烯(GPPS)

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GPPS(俗称透苯)树脂属无定形高分子聚合物,其分子链的侧基为苯环,苯环为大体积侧基,其无规排列决定了聚苯乙烯的物理化学性质,如透明度高、刚度大、玻璃化转变温度高、性脆等。

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GPPS

生产

工业生产中,GPPS的聚合主要采用自由基聚合反应机理进行,基本反应步骤为链引发、链增长、链转移和链终止。GPPS聚合的实施方法有:本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合、乳液聚合。

①本体聚合。

本体聚合是最早工业化生产通用聚苯乙烯的方法。该反应可以加入引发剂,也可以不加入引发剂,通过单体的热引发进行聚合。用于苯乙烯本体聚合的反应器有塔式、釜式、槽式和管式等各种形式,一般采用两个或更多反应器串联。将加有少量引发剂的单体先在氮气保护下,于80~100 ℃进行预聚,使之达到30%~35%的转化率;再将预聚体连续送入塔式反应器,加入要求量的引发剂进行聚合。反应塔应带有加热、冷却夹套,以便调节控制塔温。塔温分布是上部100~110 ℃、中部140~160 ℃、下部170~190 ℃,这样的温度分布是为了提高转化率,可以使因沸腾上升而未转化的单体继续聚合,引发剂采用过氧化苯甲酰。

本体聚合采用先预聚,再完全聚合的两步法,是为了解决散热问题。本体聚合的优点是产物纯度高、透明性好,产品介电、电绝缘性优良;缺点是散热困难,由于温度分布不均和局部过热,产物分子量分布宽,影响到材料的力学性能。该法所得产品主要用于制备电性能要求高的注塑、挤出制品。

②悬浮聚合。

悬浮聚合是聚苯乙烯工业化生产的重要方法。将单体、引发剂、悬浮剂加入装有水为分散介质的反应釜中,引发剂采用过氧化物,悬浮剂采用聚乙烯醇或碳酸镁。单体以直径0.1~1mm的小液滴分散在水中,可以很好解决散热问题。悬浮剂的作用是使小液滴表面形成保护膜,防止彼此黏在一起。因此悬浮聚合实质上是无数个小的本体聚合。聚合过程中应进行强烈搅拌,聚合温度控制在90~110 ℃,提高温度可使聚合时间缩短。

悬浮聚合的优点是散热容易、产物分子量较高、分子量分布窄;缺点是由于分散剂不易除尽,产物纯度不及本体聚合。该法所得产品主要供一般工业用品、日用品的注塑、挤出,也可用于制备泡沫塑料

③溶液聚合。

溶液聚合是将苯乙烯单体溶解到适当溶剂中进行聚合。在溶液中进行聚合,体系黏度小,搅拌比本体聚合时容易,实施过程中机械设备上的困难较少,散热也较容易。但由于反应过程中聚合物链向溶剂传递,聚合速率低,聚合物平均分子量小,力学性能差。此外采用溶剂需要较严格的安全措施,溶剂回收也较麻烦。溶液聚合的PS主要用于配制清漆。

④乳液聚合。

用乳化剂使苯乙烯单体在水中乳化,乳化后的单体形成远小于悬浮聚合中的液滴,部分单体进入乳化剂胶束。乳液聚合由于增长链自由基处于隔离状态,使自由基寿命较长,因此聚合反应速率高、聚合物分子量高、分子量分布窄,其力学性能、耐热性均较优,但体系辅助成分多,乳化剂、分子量调节剂等很难清除干净,产物纯度差,后处理复杂,成本高于悬浮聚合。该聚合方法所得PS主要用于涂料和泡沫塑料。

性能

GPPS为无色、无味、无臭、表面光滑、透明的无定形热塑性树脂。能自由着色,密度为1.04~1.07g/cm3,仅次于PP、PE。燃烧时发浓烟并带有松节油气味,吹熄可拉长丝;制品质硬似玻璃状,落地或敲打会发出类似金属的声音;能断不能弯,断口处呈现蚌壳色银光。PS的吸水率为0.05%,抗水性强,在常温下,即使长期与潮湿空气接触,它们也完全不吸水,对制品的强度和尺寸稳定性影响不大。通常水蒸气可以通过GPPS的薄片。

①光学性能。

透明性好是GPPS最大的特点,透光率可达88%~92%,同PC和PMMA一样属优秀的透明塑料品种,被称为三大透明塑料之一。在光稳定性方面仅次于甲基丙烯酸树脂,但抗放射线能力是所有塑料中最强的。PS的折射率为1.59~1.60,因苯环的存在,其双折射较大,不能用于高档光学仪器。

②力学性能。

聚苯乙烯的力学性能在一定范围内取决于分子量,低分子量的聚合物脆,随着分子量的增加,抗张强度增加,脆性减小,软化温度升高,当聚合度到达一定程度以后,力学性能就很少有变化。温度对聚苯乙烯的抗张强度和伸长率的影响比较大,温度上升使抗张强度下降,伸长率达到80%后开始猛烈增加。高分子聚苯乙烯能承受较大的弯曲应力,但冲击强度很低,表面硬度小,易擦毛。GPPS的拉伸和弯曲强度在通用热塑性塑料中最高,其拉伸强度可达60 MPa;但冲击强度很小,难以用作工程塑料。

③热学性能。

GPPS的耐热性能不好,热变形温度仅为70~90 ℃,只可长期在60~80 ℃温度范围内使用。GPPS的耐低温性也不好,脆化温度为-30 ℃。GPPS的热导率低,一般为0.10~0.13 W/(m·K),基本不随温度的变化而变化,是良好的绝热保温材料;线膨胀系数较大,为(6~8)×10-5K-1,与金属相差悬殊,故制品不易带金属嵌件。

④电学性能。

GPPS是非极性的聚合物,使用中很少加入填料和助剂,因此具有良好的介电性能和绝缘性,其介电性能与频率无关。由于其吸湿率很低,电性能不受环境湿度的影响,但由于其表面电阻和体积电阻均较大,又不吸水,因此易产生静电,使用时需加入抗静电剂。

⑤环境性能。

GPPS的化学稳定性较好,可耐一般酸、碱、盐、矿物油及低级醇等,但易受许多烃类、酮类及高级脂肪酸等侵蚀。PS为非极性聚合物,所以能溶于非极性溶剂,可溶于芳烃(如苯、甲苯、乙苯及苯乙烯等)、氯化烃(如四氯化碳、氯仿、二氯甲烷及氯苯)及酯类等,GPPS的溶解度随分子量的增大而降低。GPPS的耐候性不好,其耐光性、抗氧化性都差,不适于长期户外使用;但GPPS的耐辐射性好。

加工

GPPS可以采用注塑、挤出、吹塑、发泡、压延、涂覆等成型方法,常用的方法是注塑成型。GPPS是通用树脂中容易加工的品种之一,其加工基本特性如下:

①GPPS为无定形聚合物,无明显熔点,熔融温度范围宽,在约95 ℃时开始软化,在120~180 ℃呈黏流态,300 ℃以上开始分解。成型温度与分解温度相差较大。聚苯乙烯在熔融时的热稳定性和流动性非常好,所以易成型加工,特别是容易注射成型,适合大量生产。

②GPPS为假塑性流体(非牛顿流体),熔体黏度均随剪切速率和温度的增加而降低,但对剪切速率比较敏感。

③GPPS吸水性极低,加工时不需要预先进行干燥处理;如有特殊需要时(如要求透明性高)才干燥,具体干燥温度为70~80 ℃,时间1.5h。

④GPPS比热容是塑料中比较低的一种,其随温度的变化明显,加热和冷却固化速度都很快,易于成型,模塑周期短。

⑤由于GPPS分子链呈刚性,在加工成型时易产生内应力,导致制品出现裂纹和应力开裂,需要选择合适的加工条件和改进模具结构,同时进行适当热处理。热处理的条件为在65~85 ℃热风循环干燥箱或热水中处理1~3h。PS成型收缩率比较低,一般仅为0.2%~0.7%,有利于生产成型尺寸精度较高及尺寸稳定的产品。

应用

GPPS在包装上主要加工成薄膜,用于蔬菜水果的包装,还可加工成透明的包装容器、容器盖、小盘,由于聚苯乙烯纯度高,适应于真空镀铝,还可加工成蒸馏容器。GPPS兼有透明性和良好的绝缘性,可用于电视机、录音机及各种电器的配件、壳体及高频电容器等。GPPS具有优异的透明性,可用于一般光学仪器、透明模型、灯罩、仪器罩壳及包装容器等。GPPS的着色性和光泽性好,可广泛用于日用品的生产,具体有儿童玩具、装饰板、磁带盒、家具把手、梳子、牙刷把、笔杆及文具等。

最后更新:2023-10-30