高抗冲聚苯乙烯,也被称为HIPS(High Impact Polystyrene),是一种由弹性体改性聚苯乙烯制成的热塑性材料。它由橡胶相和连续的聚苯乙烯相构成的两相体系,已经成为全球重要的聚合物商品之一。这种通用产品在冲击性能和加工性能方面具有广泛的范围,因此在许多领域都有广泛的应用。
为改善GPPS脆性大、耐热性低的缺陷,通过机械共混和接枝聚合法,把一定量的橡胶引入PS中,可以制备HIPS。
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性能
HIPS为乳白色不透明珠粒,具有GPPS的大多数优点,如刚性好、易染色和易加工。最主要特点是:具有较高韧性和冲击强度,冲击强度相比GPPS有大幅度增加。由于橡胶的引入,HIPS的拉伸强度、硬度、耐光和耐热性能相比GPPS有所下降,并且失去了透明性。HIPS根据橡胶的含量多少,可分为中抗冲、高抗冲和超高抗冲。
HIPS的拉伸强度在13.8~48.3 MPa,伸长率为10%,光泽度为5%~100%,收缩率约为0.006%, HIPS维卡耐热为101.6 ℃。HIPS具有良好的耐γ射线、尺寸稳定性和电绝缘性。不足之处是耐热、耐光、耐油、耐化学药品、透氧气性较差。
生产
GPPS最大的缺点是质硬且脆,极大地限制了它的使用范围。GPPS与橡胶复合是降低脆性、提高冲击性能最有效的方法,由此产生了HIPS。而且发展十分迅速,在苯乙烯类树脂中占有的比例已越来越大。HIPS的生产方法有两种:一种是机械共混方法,另一种是接枝共聚方法。
①机械共混方法。
机械共混方法是在混炼设备中,将PS与橡胶进行机械混合,制备聚合物共混物。橡胶可明显增加PS的韧性。使用的橡胶有NR(天然)、BR(顺丁)和SBR(丁苯)等,也可采用热塑性弹性体,如:SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)。由于SBR与PS具有相似的化学结构,两者相容性较好,因此,共混物性能最好。混合设备有单双螺杆挤出机、双辊混炼机、密炼机等,常用的是双辊混炼机。
②接枝共聚方法。
接枝共聚方法是以橡胶为主链、聚苯乙烯为支链,通过自由基引发苯乙烯单体,在橡胶主链上发生接枝聚合反应,得到HIPS。生产工艺有本体法、本体-悬浮法等,其中本体法使用最为广泛。
本体法工艺是将橡胶溶解在苯乙烯单体中,然后,将溶解的胶液加入反应器中,在引发剂、热和搅拌的作用下,进行本体聚合。当单体转化率达到80%~85%,脱去未反应的单体和稀释剂,得到聚合物,直接造粒得成品。橡胶的加入,使物料的黏度增大,传热不均匀。普遍采用添加少量溶剂乙苯或甲苯的方法,可以增加传热;也可以采用热交换、补加单体、变速搅拌等方式,增加传热。
本体-悬浮法工艺是将粉碎的橡胶溶解在苯乙烯单体中,橡胶用量为5%~10%,溶解后的胶液在反应器中进行本体预聚合。预聚合时,加入引发剂、内部润滑剂(如液体石蜡)和链转移剂(如硅醇类叔十二烷硫醇),加热搅拌,预聚合温度90~110 ℃,当转化率达到30%左右时,将胶液转移到悬浮聚合釜中,釜内加有分散剂和水,分散成珠粒悬浮于水中,再补加引发剂,在90~135 ℃下,进行悬浮聚合。珠状聚合物经洗涤、干燥,加入各种助剂,挤出造粒得产品。本体-悬浮法特点是把本体法和悬浮法的优点结合起来,可以较好地控制橡胶颗粒的大小,生产过程中易于变换产品品种,产品质量纯净,外观良好。
结构
HIPS的化学结构是以橡胶为主链、聚苯乙烯为支链的接枝共聚物。在HIPS生产过程中,相结构变化比较复杂。少量橡胶溶解在苯乙烯单体中,形成的胶液为均相体系。当苯乙烯转化率达到6%~10%,形成两相结构,橡胶-苯乙烯胶液作为连续相,聚苯乙烯(PS)量较少,作为分散相。随着反应的进行,PS的数量不断增加,当单体转化率达到20%~30%时,发生相转变,即此时橡胶及包藏PS的橡胶粒子为分散相,PS为连续相,形成了新的相结构,橡胶及包藏PS的橡胶粒子是HIPS具有优异的冲击性能的原因。
HIPS相态结构是一种两相的“海岛结构”,橡胶作为分散相分布在连续的PS之中,橡胶相中还包藏PS树脂相。两相结构存在的体系中,相容性成为性能改善的关键。
当受到外力(冲击或拉伸)作用时,HIPS遵循典型的多重银纹增韧机理。该理论的基本观点是在HIPS体系中,存在两相结构,PS相为连续相,橡胶颗粒以分散相分布在PS相之中,同时,又有大量PS被埋藏在橡胶粒子中,形成所谓的细胞结构。PS与橡胶宏观上不发生相分离,微观上处于两相分离状态,相界面上有良好的黏结作用。当受到外力(冲击或拉伸)作用时,分散在PS中的橡胶颗粒起到应力集中的作用,引发银纹,一般是在橡胶粒子的赤道附近,然后沿最大主应变平面向外增长,并在粒子周围支化,表现出应力发白现象,从而吸收大量能量;同时,橡胶粒子又能阻止银纹的增长,这是由于大量银纹之间的应力场相互干扰,使银纹尖端的应力集中降至银纹增长的临界值以下。银纹在增长过程中,在其前端遇到了一个较大的橡胶粒子时,阻碍银纹进一步发展成为裂纹,所以大大增加了PS的韧性。银纹生成得越多,吸收的能量越多。橡胶粒子起到了两方面的作用:引发银纹的生成和阻止银纹的发展。
应用
HIPS可用许多传统的成型方法进行加工,如注塑成型、结构泡沫塑料成型、片材和薄膜挤塑、热成型以及注坯吹塑成型等。HIPS树脂吸收水分较慢,因此一般情况下不需干燥。有时材料表面的水分过多会被吸收,从而影响最终产品的外观质量。在160 ℃下干燥2~3h就可去掉多余的水分。
HIPS应用占PS总产量的一半以上。用途主要有两方面:一是做包装材料,广泛应用于食品、化妆品、日用品、机械仪表和办公用品的包装;二是做家用电器,由于HIPS具有较高冲击强度,故大量使用在电视机、空调器、收录机、电话、吸尘器等家用电器以及仪器仪表外壳。此外,HIPS还可以制成发泡材料,用于包装、家具、建筑材料等领域。