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高光泽高抗冲聚苯乙烯的结构与性能

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结构与性能 合成树脂及塑料,2CHINA SYNTHETIC RESIN 0A13N,3D P0(LAS1)T:IC72S 高光泽高抗冲聚苯乙烯的结构与性能 金丽晓 ,张璐 ,杨喜棠 (1.中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司研究院,新疆维吾尔自治区克拉玛依市833600 2.中国石油天然气股份有限公司西南化r销售公司,四川省成都市610015) 摘 要: 利用激光粒径分析仪、动态力学分析仪和气相色谱一液相质谱联用仪等分析了高光泽高抗冲聚苯乙 烯(HIPS)和普通HIPS的结构和性能。结果表明:两个高光泽HIPS(HIPS A和HIPS B)试样在力学性能上的表现各 有侧重。高光泽HIPS的溶胀指数与普通HIPS(HIPS C)相近,为1 1.o2E右,表明三个试样的交联程度相近。相对于高 顺式聚丁二烯橡胶改性的HIPS,高光泽HIPS中苯乙烯与橡胶的接枝点数量多,光泽度提高了约三倍,橡胶相平均粒 径为1.0 m左右且分布较窄,凝胶质量分数大于22.O%,低相对分子质量组分的质量分数为2.1%~2.9%,但硬脂酸 锌添加量大。HIPS A,HIPS B,HIPS C中的增塑剂含量逐渐增加。 关键词: 聚苯乙烯高光泽高抗冲击聚丁二烯橡胶丁苯橡胶 中图分类号:TQ 325.2 文献标识码:B 文章编号: 1002—1396(2013)01—0072—04 聚苯乙烯(PS)具有优异的电绝缘性、着色 1.2主要仪器与设备 性、加工流动性,良好的耐水、光、化学药品腐蚀 性,较好的刚性和一定的力学性能,广泛应用于仪 器包装、建筑、医药、汽车、家电等行业,是五大 通用塑料之一。国内较具规模的PS生产企业有十 4466型万能材料试验机,美国Instron公司生 产;6840.00型熔体流动速率仪、6957型冲击强度 仪、6911.000型负荷变形温度测试仪,均为意大  ̄qCeast公司生产;DSC822型差示扫描量热仪,瑞 士Mettler—Toledo公司生产;NGL一20/60型光泽度 几家,然而国内企业(不包括外资、合资、台资企 业)无论在产品性能还是装置规模上均与世界先 进水平有较大差距,严重影响我国PS产品的市场 竞争能力,在PS需求最大的电子、电器行业,进口 仪,英国Rhopoint公司生产;DMA242C型动态热 力学分析仪,德国耐驰仪器制造有限公司生产; LSI3320型激光粒径分析仪,美国贝克曼公司生 产;5975B/6890N型气相色谱一液相质谱联用仪, 美国安捷伦科技有限公司生产。 1.3测试与表征 产品占绝对优势,国产Ps只能用于低档产品。高 光泽高抗冲聚苯乙烯(HIPS)产品主要用于生产 空调室内机及一些小家电。迫于丙烯腈一丁二烯一 苯乙烯共聚物价格压力以及对空调能效等级的 凝胶含量、溶胀指数分析:用甲苯将定量的 HIPS产品溶解后离心分离,下部沉淀物干燥称重。 凝胶含量=干燥后凝胶质量/聚合物质量×100%; 溶胀指数=(干燥前凝胶质量一干燥后凝胶质量)/ 干燥后凝胶质量。 要求,国内几大空调生产企业对产品进行了更新 换代,新的机型几乎都改用高光泽HIPS作原料, 因此,高光泽HIPS的市场用量很大。本工作对 比分析了普通HIPS(HIPSC)和两个高光泽HIPS (HIPS A和HIPS B)产品的结构和性能。 1实验部分 粒径分析:将各试样放于丙酮与丁酮体积比 为1:1的溶剂中,在振荡器上混合3 h。 1.1主要原料 收稿日期:2012—07—27。 修回日期:2012—10—26。 HIPS A,美国陶氏化学公司生产;HIPS B,台 湾奇美实业股份有限公司生产;HIPS C,中国石 油天然气股份有限公司独山子石化分公司生产; 作者简介: 金丽晓,1969年生,高级工 程师,1991年毕业于新疆工学院有机化 工专业,现从事树脂新牌号开发及应 用研究。联系电话:(0992)3866452; E—mail:yJyJlx@petrochina.corn.cn。 甲苯,分析纯,天津富宇精细化工厂生产;乙醇、丙 酮、丁酮,均为分析纯,西安化学试剂厂生产。 第1期 金丽晓等.高光泽高抗冲聚苯乙烯的结构与性能 低相对分子质量组分含量分析:用三氯甲烷 溶解各试样,再用乙醇沉淀,沉淀物过滤后干燥称 重,质量损失即为低相对分子质量组分含量。 动态热力学分析(DMA):频率为10 Hz,温 泽HIPS在力学性能上的表现各有侧重。 表1 HIPS的常规性能 Tab.1 General performances of HIPS 度为一100—100 oC,升温速率为3 CIC/airn,最大动 态负荷为6 N,最大振幅为10帅,试样的形变模式 为弯曲形变。 差示扫描量热法(DSC)分析:N,气氛,升降 温速率均为20 oC/min。 高温裂解气相色谱一液相质谱(PGC—MS)联 用分析:裂解温度600 oC,维持时间0 s;气相色谱 进样口温度320 cc,分流体积比为1:50,初始温 度40℃,升温速率2O℃/min,最终温度320℃,维 持时间14 min;液相质谱扫描范围50 550 alYltl, 扫描速率70 amu/s,流量1 mL/min。 注:MFR ̄rJ试负荷为5.0 kg,温度200℃。 拉伸性能按GB/T 1040--2006 ̄N试;悬臂梁冲 击强度按GB/T 1 843--2008测试;熔体流动速率 (MFR)按GB/T 3682--2ooo ̄J试;弯曲模量按GB/ T 9341—2008测试;维卡软化温度按GB/T 1633— 2000 ̄试;负荷变形温度按GB/T 1634.2--2004N0 试;光泽度按GB/T 88O7—1988测试。 2结果及讨论 2.2结构分析 2.2.1高温裂解PGC—MS分析 从图1可以看出:各试样的裂解谱图相似, 均在相同位置出现片段峰,只是峰的大小存在 一些差异。0【一甲基苯乙烯是苯乙烯与橡胶发生 接枝反应,经高温裂解断链形成。高光泽HIPS 的 一甲基苯乙烯峰(峰g)明显比普通HIPS高, 表明高光泽HIPS中苯乙烯与橡胶接枝点多;三 个试样的苯乙烯二聚体(峰簇h)、三聚体(峰 簇i)在含量上也不同,这与聚合条件(如有无 引发剂、反应温度)有关。 ,_ 2.1常规性能分析 从表1可看出:HIPS A和HIPS B的光泽度 (60。)相近,与HIPS C相比均提高近三倍,而高光 ^一^—一 一. 止… l一 一g .. L 山 . JL 时间/min c HIPS C 时间/airn b HIPSB 图1 HIPS的PGC—MS谱图 Fig.1 PGC-MS spectra of HIPS 2.2.2橡胶相和PSSH的玻璃化转变温度( ) HIPS为两相结构,分散相为橡胶相,连续 玻璃化转变,使得用其改性的HIPS有两个 ,分别 为-93.2,一30.8℃。高光泽HIPS通常用低顺式聚丁 相为Ps相,各相都具有其特定的t 。由于HIPS改 性所用橡胶种类不同,因此其橡胶相的玻璃化转 变不同。HIPS C为高顺式聚丁二烯橡胶(HCBR) 改性,由于HCBR结构对称,常温下容易结晶, 因此,HCBR的非晶区和结晶区各会发生一次 二烯橡胶和丁苯橡胶改性r1 ],这两种橡胶的t 比 HCBR高,并且不易结晶,表现在高光泽HIPS的橡 胶相只发生一次玻璃化转变,且其 高THIPS C, HIPS A ̄HIPS B的 分别为一81.4,一84.8 o【=(见图2)。 影响Ps相t 大小的主要因素是其相对分子质 74 合成树脂及塑料 2013年第3O卷 试样中PsSH的f 分别为101.9,93.8,93.2℃。由此 可判断,三个试样中矿物油含量由大到小依次为 HIPS C,HIPS B,HIPS A。 2.2.3橡胶相结构分析 HIPS中橡胶相粒径对产品的性能影响很大, 一般情况下,随橡胶相粒径增大,HIPS ̄I]性下降, 韧性先升后降,光泽度下降,MFR提高,对热性能 无影响。从表2可看出:高光泽HIPS的橡胶相粒 图2 HIPS中橡胶相的损耗角正切(tgg)-N度关系曲线 径分布较窄(平均值/中值较小),且粒径很小,平 Fig.2 Plots of loss tangent versus temperature of 均粒径在1.0 pm左右,较小的橡胶相粒径减少了 the rubber phase in HIPS 对光的散射作用,使其具有很好的光泽性;HIPS C 量和增塑剂含量。由于PSSN的相对分子质量很 的橡胶相粒径较大,因此其光泽性最差。对比两 大,因此,PSSH的t 差异主要由增塑剂含量决定。 个高光泽HIPS,HIPS A的平均粒径较大、分布较 在HIPS生产中,常加入少量增塑剂(如矿物油), 宽,其中大小粒子诱发银纹和中止银纹达到最佳 由于加入低分子矿物油使Ps分子链间的作用力减 效果从而使产品具有较高的冲击强度,这是造成 弱,从而使PS ̄fH的t 减小。HIPS A,HIPS B,HIPS C 两者冲击强度差异的原因之一。 表2 HIPS中橡胶相的粒径分布 Tab.2 Particle size distribution of the rubber phase in HIPS % 2.2.4凝胶含量、溶胀指数分析 表3 HIPS的溶胀指数及凝胶含量 HIPS中的凝胶含量代表橡胶相的体积分数, Tab.3 Swelling index and gel content of HIPS 其数值依赖于橡胶含量、包藏物的数量和大小及 接枝程度,常用不溶于甲苯的HIPS质量分数表 示。一般随凝胶含量增加,HIPS的刚性、负荷变 形温度、光泽度降低,而韧性增加。从表3可以看 出:高光泽HIPS的凝胶质量分数大于22.0%,比 作用;较高( ̄1332.0%)时,橡胶凝结区域较大,整 HIPS C大。只有凝胶含量大时,才能弥补由于橡胶 个橡胶区好似连续相,这将改变“海岛”结构,不 相粒径过小带来的冲击强度的损失。高光泽HIPS 利于提高HIPS的性能。在工业装置上,一般橡胶 的溶胀指数与普通HIPS相近,为1 1.0左右,表明三 的质量分数为7.0%~10.0%,超过此值后,就不能 个试样的交联程度相近。从表3还可看出:HIPS A 通过增加橡胶用量来制备更高强度的HIPS[2】。从 的凝胶含量明显 ̄EHIPS B大,表明HIPS A的橡胶 表4看出:高光泽HIPS中丁二烯含量远低于普通 含量或接枝率t ̄HIPS B大,这是HIPS A的冲击强 HIPS,可以判断高光泽HIPS中添加有丁苯橡胶, 度 ̄LHIPS B大的另一个主要原因。 才使丁二烯含量很低时还具有较高的冲击强度。 2.2.5橡胶含量及橡胶种类分析 两个高光泽HIPS中丁二烯含量不同,说明两者在 橡胶质量分数较低(如6.0%)时,橡胶粒子是 聚丁二烯橡胶与丁苯橡胶用量上存在差异,这是 不连续地分散在基质中,粒子非常小,起不到增韧 造成其性能不同的一个主要原因。 第1期 金丽晓等.高光泽高抗冲聚苯乙烯的结构与性能 表4 HIPS中苯乙烯及丁二烯质量分数 75 HIPS中还存在着一些残留单体,这些物质对HIPS 性能会产生一定的影响。如矿物油含量增加,会 Tab.4 Mass fraction of styrene and butadiene in HIPS% 使流动性、冲击强度增加,但拉伸强度、负荷变 形温度降低。低相对分子质量组分的质量分数: HIPS A中最少,为2.1%;HIPS B中为2.9%;HIPS C 中最多,为3.6%。这与分析 得出的结论相同。 由于改性PS所用HCBR主要由Co催化剂合 成,而低顺式聚丁二烯橡胶及丁苯橡胶由Li催化 3结论 剂合成,因此可由金属元素进一步判断HIPS产品 中改性橡胶的种类。从表5可以看出:HIPS A, HIPS B中只含有Li元素,因此两者为低顺式聚丁 a)高光泽HIPS采用Li系低顺式橡胶和丁苯橡 胶改性,添加量不同对产品性能有不同影响。 b)高光泽HIPS产品中苯乙烯与橡胶的接枝 点多。 二烯橡胶和丁苯橡胶改性产品,而HIPS C为HCBR 改性,在HIPS C中确实可看NCo的存在。高光泽 HIPS中zn的含量均很高,表明其硬脂酸锌的加入 量较普通HIPS大。 表5 HIPS中金属元素含量 Tab.5 Content analysis of the metal elements in HIPS gg/g C)高光泽HIPS产品的橡胶相平均粒径为 1.0 btm且分布较窄。 d)三种HIPS产品的溶胀指数相近,高光泽 HIPS凝胶含量较普通HIPS高。 e)高光泽HIPS的低相对分子质量组分含量 少,但硬脂酸锌添加量大。 4参考文献 …鲍恩K E,汉内M J.制备具有高光泽和高冲击强度的双峰 HIPS的现场方法:CN,1256699A[P].2000—06—14. 2.2.6低相对分子质量组分含量分析 在HIPS的生产过程中,需加入矿物油以提高 HIPS的流动性,便于注塑制品时的充模和脱模, [2]Scheirs J,Priddy D B.现代苯乙烯系聚合物[MI.高明智,译.北 京:化学工业出版社,2004:165. [3]郜传厚,蒋春跃,潘勤敏,等.影响高抗冲聚苯乙烯力学性能 的因素[ 合成橡胶工业,2002,25(3):186—189. (编辑:吴雅荣) 减少在注塑机简体内高剪切力区的降解,以及简 体和螺杆的磨损。聚合时会有低聚物产生,另外 Structure and properties of high gloss and high impact polystyrene Jin Lixiao ,Zhang Lu ,Yang Xitang (1.Research Institute of Dushanzi Petrochemical Company,Karamay 833600,China; 2.Southwest Chemicals&Marketing Company Petrochemical Co.,SINOPEC,Chengdu 610015,China) Abstract:Structure and properties of ordinary high impact polystyrene(HIPS)and high gloss HIPS were analyzed by laser particle size analyzer(LS),dynamic mechanical analyzer(DMA)and pyrolysis gas chroma- tography—mass spectrometry(PGC-MS).The results indicate that the high gloss HIPS(HIPS A and HIPS B) has different emphasis on the mechanical properties.The swelling index of the high gloss HIPS is about 1 1.0, similar to that of ordinary HIPS,which indicates that the degree of crosslinking of the three samples is similar. Comparing with HIPS modified by high—cis polybutadiene rubber,high gloss HIPS has more styrene and rubber graft points,gloss increased by a factor of 4,the average particle size of the rubber phase is about 1.0 m and with a narrow distribution.the gel mass fraction exceeds 22.0%.the mass fraction of the low molecular weight component is 2.1%to 2.9%,but the consumption of zinc stearate is large.In HIPS A,HIPS B and HIPS C,the plasticizer dose was gradually increased. Key words:polystyrene;high gloss;high impact;polybutadiene rubber;styrene-butadiene rubber 

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