CN1063186C - 制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺 - Google Patents
制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及核壳微粒增韧改性聚苯乙烯材料制备工艺,该工艺首先向苯乙烯中加入水及平均粒径为60~150纳米的核壳共聚微粒,然后再加入选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素、碳酸镁、碳酸钙的分散剂和选自过氧化二苯甲酰或偶氮二异丁腈的引发剂,在搅拌下,于温度85~90℃条件下发生聚合反应,再经分离、水洗、干燥得成品。该工艺制得的增韧改性材料既具有纯聚苯乙烯的透光性,同时抗冲强度比纯聚苯乙烯提高了近1倍,可用于塑料工业中。
Description
本发明涉及核壳微粒增韧改性聚苯乙烯材料制备工艺。特别是核壳微粒增韧改性透明聚苯乙烯材料制备工艺。
聚苯乙烯是透明塑料中最易得到的品种,但由于其自身脆性缺点,应用上受到很大限制,目前只用于低档产品中。迄今,人们已作了大量的工作用于对聚苯乙烯的增韧,如:苯乙烯与聚丁二烯的接枝共聚(高抗冲聚苯乙烯)、苯乙烯与丙烯腈、丁二烯的三元共聚(ABS树脂)及聚苯乙烯与其它聚合物的共混等,但这些方法所得的材料一般透明性较差。由于复合乳液聚合技术可以从微观上对高分子乳液微球进行设计,调节共聚物组分。使核壳与基材的折光指数相匹配,同时改变复合乳液聚合条件使核壳微粒尺寸低于0.1μm,经物理混合可以得到不影响透明性的透明聚苯乙烯。随着对微粒共混增韧、增强研究的深入,人们已将多利核壳微粒用于塑料的共混改性。文献Polym.Mater.Sci.Eng.1993.70.13-14中法国的A.Maazouz.H.Sautereau等用美国Rohm and Haas公司提供的以聚丙烯酸丁酯或聚丁二烯为胶核,以交联聚甲基丙烯酸甲酯为壳的核壳微粒(平均粒径300nm)对环氧树脂的增韧改性作了研究报道。用这种核壳微粒可以大大改善环氧树脂的韧性而又不降低其热性能,增韧程度可由核壳微粒结构进行调节。但微粒平均尺寸为300nm显然会影响基材的透明性,该报道中尚未提及材料的透明性问题。
为克服上述文献中存在的缺点,本发明的目的是提供一种制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料的工艺,使制得的材料既具有纯聚苯乙烯的透明性,同时具有比纯聚苯乙烯更好的抗冲强度。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的:一种制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,首先向苯乙烯中加入水及平均粒径为60~150纳米的核壳微粒,以重量份数计,苯乙烯∶水为1∶1~3.5,苯乙烯∶核壳微粒为80~99∶1~20,然后再加入选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素、碳酸镁、碳酸钙的分散剂和选自过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈的引发剂,其中以重量百分比计,分散剂用量为苯乙烯用量的0.5~3%,引发剂用量为苯乙烯用量的0.2~2%,在搅拌下,于温度85~90℃条件下发生聚合反应,再经分离、水洗、干燥得增韧材料成品。
上述技术方案中以重量份数计,苯乙烯∶水为1∶1.5~2.5,苯乙烯:核壳微粒为90~97∶3~10,分散剂用量为苯乙烯用量的1~2%,引发剂用量为苯乙烯用量的0.3~1%,核壳微粒平均粒径优选范围为80~120纳米。所用核壳微粒之一为包括核、壳,核为含有烯基芳烃链段和交联剂,壳为含有烯基芳烃的链段,壳的链段通过交联剂的一端与核相连结。所用核壳微粒之二为包括核、壳,核含有烯基芳烃链段、丙烯酸酯链段和交联剂,壳为含有烯基芳烃的链段,壳的链段通过交联剂的一端与核相连结。
上述两种核壳微粒中,核与壳的重量比为1∶1.279~1.830,烯基芳烃为苯乙烯、α-甲基苯乙烯、对甲基苯乙烯,优选方案为苯乙烯。交联剂为双甲基丙烯酰氧苯基丙烷、聚醚砜双烯大分子单体或其混合物。丙烯酸酯为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯,优选方案为丙烯酸丁酯。
上述交联核壳共聚微粒为软核硬壳微粒及硬核硬壳微粒两种。其制备方法为软核硬壳微粒采用多步乳液聚合方法合成,在第一阶段形成核时,加入丙烯酸酯及烯基芳烃,以双甲基丙烯酰氧苯基丙烷(BVA)或聚醚砜双烯大分子单体(BVPES)交联剂与之交联共聚,第二阶段再加入苯乙烯形成壳层,核与壳之间有交联剂分子链相关联。所得乳液经破乳、甲醇洗、干燥等即得软核硬壳微粒粉料。
上述具有交联核的核壳微粒中,双甲基丙烯酸酯类交联剂可以是双甲基丙烯酰氧苯基丙烷(BVA)或聚醚砜双烯大分子单体(BVPES)用量占核部分单体总重量的0.1~20%,优选范围1~5%。在核中丙烯酸丁酯的含量为核部分单体重量的5~50%,优选范围10~30%。所用引发剂可为过硫酸钾(K2S2O8)、过硫酸铵[(NH4)2S2O8]及上述两种引发剂与硫酸亚铁的氧化还原体系,用量为单体总量的0.1~1%,优选范围为0.2~0.5%。在核壳微粒的聚合反应中乳化剂油酸钠分两部分加入,一部分是成核时,为核中单体重量的0.5~10%,视所要粒径大小而定,一般在1~2%左右较合适:第二部分壳层聚合时补加油酸钠为壳层单体总量的1%左右,与引发剂一齐滴入。在投料配方中水的总量为单体总量的1.5~3倍。
硬核硬壳核壳微粒的合成在第一阶段形成核时,以双甲基丙烯酰氧苯基丙烷(BVA)或聚醚砜双烯大分子单体(BVPES)与烯基芳烃交联共聚为核,第二阶段再加入烯基芳烃形成壳层,核与壳之间有分子链相关联。所得乳液经破乳、甲醇洗、干燥等即得硬核硬壳微粒粉料,
上述具有交联核的核壳微粒中,双甲基丙烯酸酯类交联剂可以是双甲基丙烯酰氧苯基丙烷(BVA)或聚醚砜双烯大分子单体(BVPES)用量占核部分单体总重量的0.1~20%,优选范围1~5%。所用引发剂可为过硫酸钾(K2S2O8)、过硫酸铵[(NH4)2S2O8]及上述两种引发剂与硫酸亚铁的氧化还原体系,用量为单体总量的0.1~1%,优选范围为0.2~0.5%。在核壳微粒的聚合反应中乳化剂油酸钠分两部分加入,一部分是成核时,为核中单体重量的0.5~10%,视所要粒径大小而定,一般在1~2%左右较合适:第二部分壳层聚合时补加油酸钠为壳层单体总量的1%左右,与引发剂一齐滴入。在投料配方中水的总量为单体总量的1.5~3倍。
本发明由于采用60~150纳米的交联核壳微粒,用在位悬浮聚合工艺增韧透明聚苯乙烯,且合理控制核壳微粒、水、苯乙烯、引发剂、分散剂的用量以及其它工艺参数,使制得的增韧材料既保持了纯聚苯乙烯的透明度,同时使聚苯乙烯改性材料的抗冲强度增加丁近1倍,取得了较好的效果。
【实施例1】
将油酸钠1克放入三口瓶中,加入1克碳酸氢钠并通氮除氧。加入140克去离子水溶解并开启搅拌器,待乳化剂油酸钠及碳酸氢钠溶解分散均匀后(约20分钟),加入第一批单体混合物(苯乙烯45克、丙烯酸丁酯5克、双甲基丙烯酰氧苯基丙烷0.82克),继续搅拌20分钟充分分散后,移入95℃水浴中,加入引发剂K2S2O8(用20毫升去离子水溶解0.16克)反应1小时,此时体系呈兰包,降温至80℃。抽滤除去凝聚物,再加入0.1克油酸钠,同时滴加苯乙烯(65克)、丙酮(7.5ml)混合物及油酸钠(0.5克)、K2S2O8(0.2克)、H2O(25克)的混合物,继续反应2~2.5小时,停止即得交联核壳共聚微粒乳液。
上述乳液经甲醇稀释至含固量5%左右,用5%盐酸破乳,共加入约580毫升,加热凝化10~20分钟,沉淀经甲醇洗涤离心沉降,先于60℃鼓风干燥,再于40℃真空干燥24小时,即得微粒粉末。【实施例2】
将油酸钠1克放入三口瓶中,加入1克碳酸氢钠并通氮除氧。加入140克去离子水溶解并开启搅拌器,待乳化剂油酸钠及碳酸氢钠溶解分散均匀后(约20分钟),加入第一批单体混合物(苯乙烯30克、丙烯酸丁酯20克、双甲基丙烯酰氧苯基丙烷0.82克),继续搅拌20分钟充分分散后,移入95℃水浴中,加入引发剂(NH4)2S2O8(用20毫升去离子水溶解0.16克)反应1小时,此时体系呈兰色,降温至80℃。抽滤除去凝聚物,再加入0.1克油酸钠,同时滴加苯乙烯(65克)、丙酮(7.5ml)混合物及油酸钠(0.5克)、(NH4)2S2O8(0.2克)、H2O(25克)的混合物,继续反应2~2.5小时,停止即得交联核壳共聚微粒乳液。
上述乳液经甲醇稀释至含固量5%左右,用5%盐酸破乳,共加入约580毫升,加热凝化10~20分钟,沉淀经甲醇洗涤离心沉降,先于60℃鼓风干燥,再于40℃真空干燥24小时,即得微粒粉末。【实施例3】
将油酸钠1.5克放入三口瓶中,加入1克碳酸氢钠并通氮除氧,加入140克去离子水溶解并开启搅拌器,待乳化剂油酸钠及碳酸氢钠溶解分散均匀后(约20分钟),加入第一批单体混合物(苯乙烯40克、丙烯酸甲酯5克、双甲基丙烯酰氧苯基丙烷1.0克),继续搅拌20分钟充分分散后,移入95℃水浴中,加入引发剂K2S2O8(用20毫升去离子水溶解0.16克)反应1小时,此时体系呈兰色,降温至80℃。抽滤除去凝聚物,再加入0.1克油酸钠,同时滴加苯乙烯(70克)、丙酮(7.5ml)混合物及油酸钠(0.5克)、K2S2O8(0.4克)、H2O(20克)的混合物,继续反应2~2.5小时,停止即得交联核壳共聚微粒乳液。
上述乳液经甲醇稀释至含固量5%左右,用5%盐酸破乳,共加入约580毫升,加热凝化10~20分钟,沉淀经甲醇洗涤离心沉降,先于70℃鼓风干燥,再于40℃真空干燥24小时,即得微粒粉末。【实施例4】
将油酸钠1.5克放入三口瓶中,加入1克碳酸氢钠并通氮除氧。加入140克去离子水溶解并开启搅拌器,待乳化剂油酸钠及碳酸氢钠溶解分散均匀后(约20分钟),加入第一批单体混合物(α-甲基苯乙烯40克、丙烯酸甲酯5克、双甲基丙烯酰氧苯基丙烷0.8克),继续搅拌20分钟充分分散后,移入95℃水浴中,加入引发剂K2S2O8(用20毫升去离子水溶解0.16克)反应1小时,此时体系呈兰色,降温至80℃,抽滤除去凝聚物,再加入0.1克油酸钠,同时滴加苯乙烯(70克)、丙酮(7.5ml)混合物及油酸钠(0.5克)、K2S2O8(0.4克)、H2O(20克)的混合物,继续反应2~2.5小时,停止即得交联核壳共聚微粒乳液。
上述乳液经甲醇稀释至含固量5%左右,用5%盐酸破乳,共加入约580毫升,加热凝化10~20分钟,沉淀经甲醇洗涤离心沉降,先于70℃鼓风干燥,再于40℃真空干燥24小时,即得微粒粉末。【实施例5】
将油酸钠1.5克放入三口瓶中,加入1克碳酸氢钠并通氮除氧。加入140克去离子水溶解并开启搅拌器,待乳化剂油酸钠及碳酸氢钠溶解分散均匀后(约20分钟),加入第一批单体混合物(对甲基苯乙烯45克、丙烯酸丁酯7克、双甲基丙烯酰氧苯基丙烷1.0克),继续搅拌20分钟充分分散后,移入95℃水浴中,加入引发剂K2S2O8(用20毫升去离子水溶解0.20克)反应1小时,此时体系呈兰包,降温至80℃。抽滤除去凝聚物,再加入0.1克油酸钠,同时滴加苯乙烯(70克)、丙酮(7.5ml)混合物及油酸钠(0.5克)、K2S2O8(0.4克)、H2O(20克)的混合物,继续反应2~2.5小时,停止即得交联核壳共聚微粒乳液。
上述乳液经甲醇稀释至含固量5%左右,用5%盐酸破乳,共加入约580毫升,加热凝化10~20分钟,沉淀经甲醇洗涤离心沉降,先于70℃鼓风干燥,再于40℃真空干燥24小时,即得微粒粉末。【实施例6】
将油酸钠1.5克放入三口瓶中,加入1克碳酸氢钠并通氮除氧。加入140克去离子水溶解并开启搅拌器,待乳化剂油酸钠及碳酸氢钠溶解分散均匀后(约20分钟),加入第一批单体混合物(α-甲基苯乙烯40克、双甲基丙烯酰氧苯基丙烷1.0克),继续搅拌20分钟充分分散后,移入95℃水浴中,加入引发剂K2S2O8(用20毫升去离子水溶解0.18克)反应1小时,此时体系呈兰色,降温至80℃。抽滤除去凝聚物,再加入0.1克油酸钠,同时滴加苯乙烯(75克)、丙酮(7.5ml)混合物及油酸钠(0.5克)、K2S2O8(0.4克)、H2O(20克)的混合物,继续反应2~2.5小时,停止即得交联核壳共聚微粒乳液。
上述乳液经甲醇稀释至含固量5%左右,用5%盐酸破乳,共加入约580毫升,加热凝化10~20分钟,沉淀经甲醇洗涤离心沉降,先于70℃鼓风干燥,再于40℃真空干燥24小时,即得微粒粉末。【实施例7】
将油酸钠1.5克放入三口瓶中,加入1克碳酸氢钠并通氮除氧。加入140克去离子水溶解并开启搅拌器,待乳化剂油酸钠及碳酸氢钠溶解分散均匀后(约20分钟),加入第一批单体混合物(苯乙烯40克、双甲基丙烯酰氧苯基丙烷1.5克),继续搅拌20分钟充分分散后,移入95℃水浴中,加入引发剂K2S2O8(用20毫升去离子水溶解0.2克)反应1小时,此时体系呈兰色,降温至80℃。抽滤除去凝聚物,再加入0.1克油酸钠,同时滴加苯乙烯(70克)、丙酮(7.5ml)混合物及油酸钠(0.5克)、K2S2O8(0.4克)、H2O(20克)的混合物,继续反应2~2.5小时。停止即得交联核壳共聚微粒乳液。
上述乳液经甲醇稀释至含固量5%左右,用5%盐酸破乳,共加入约580毫升,加热凝化10~20分钟,沉淀经甲醇洗涤离心沉降,先于70℃鼓风干燥,再于40℃真空干燥24小时,即得微粒粉末。【实施例8】
于500毫升三口烧瓶中加入去离子水200毫升、分散剂聚乙烯醇2克、新蒸单体苯乙烯90克、实施例1制得的核壳共聚微粒10克(微粒尺寸129nm)及引发剂过氧化二苯甲酰0.5克,搅拌溶解分散均匀,通氮除氧,升温至85~90℃聚合4小时,聚合过程中控制搅拌速度以期得到合适的颗粒尺寸。产物经分离干燥即得珠状改性透明聚苯乙烯。此料于215℃注射成型或于200℃热压成型为测试样条,经测透光性为90%(波长700nm),抗冲强度为6.38KJ/m2,为纯聚苯乙烯抗冲强度3.14KJ/m2的2.03倍。【实施例9】
于500毫升三口烧瓶中加入去离子水200毫升、分散剂羧甲基纤维素2克、新蒸单体苯乙烯95克、实施例3制得的核壳共聚微粒5克(微粒尺寸129nm)及引发剂过氧化二苯甲酰1克,搅拌溶解分散均匀,通氮除氧,升温至85~90℃聚合4小时,聚合过程中控制搅拌速度以期得到合适的颗粒尺寸。产物经分离干燥即得珠状改性透明聚苯乙烯。经加工样条后,透光性为90%(波长700nm),抗冲强度为6.30KJ/m2,为纯聚苯乙烯抗冲强度3.14KJ/m2的2.03倍。【实施例10】
于500毫升三口烧瓶中加入去离子水250毫升、分散剂碳酸镁3克、新蒸单体苯乙烯95克、实施例4制得的核壳共聚微粒5克(微粒尺寸105nm)及引发剂偶氮二异丁腈1克,搅拌溶解分散均匀,通氮除氧,升温至85~90℃聚合4小时,聚合过程中控制搅拌速度以髓得到合适的颗粒尺寸。产物经分离干燥即得珠状改性透明聚苯乙烯,经加工样条后,透光性为89%(波长700nm),抗冲强度为6.27KJ/m2,为纯聚苯乙烯抗冲强度3.14KJ/m2的2.0倍。【实施例11】
于500毫升三口烧瓶中加入去离子水150毫升、分散剂碳酸钙4克、新蒸单体苯乙烯97克、实施列5制得的核壳共聚微粒3克(微粒尺寸90nm)及引发剂偶氮二异丁腈2克,搅拌溶解分散均匀,通氮除氧,升温至85~90℃聚合4小时,聚合过程中控制搅拌速度以期得到合适的颗粒尺寸。产物经分离干燥即得珠状改性透明聚苯乙烯。经加工样条后,透光性为88%(波长700nm),抗冲强度为6.0KJ/m2,为纯聚苯乙烯抗冲强度3.14KJ/m2的1.9倍。【实施例12】
于500毫升三口烧瓶中加入去离子水200毫升、分散剂聚乙烯醇2克、新蒸单体苯乙烯92克、实施例6制得的核壳共聚微粒8克(微粒尺寸105nm)及引发剂过氧化二苯甲酰1克,搅拌溶解分散均匀,通氮除氧,升温至85~90℃聚合4小时,聚合过程中控制搅拌速度以期得到合适的颗粒尺寸。产物经分离干燥即得珠状改性透明聚苯乙烯。经加工样条后,透光性为88%(波长700nm),抗冲强度为5.90KJ/m2,为纯聚苯乙烯抗冲强度3.14KJ/m2的1.87倍。【实施例13】
于500毫升三口烧瓶中加入去离子水200毫升、分散剂聚乙烯醇3克、新蒸单体苯乙烯95克、实施例7制得的核壳共聚微粒5克(微粒尺寸129nm)及引发剂过氧化二苯甲酰0.8克,搅拌溶解分散均匀,通氮除氧,升温至85~90℃聚合4小时,聚合过程中控制搅拌速度以期得到合适的颗粒尺寸。产物经分离干燥即得珠状改性透明聚苯乙烯。经加工样条后,透光性为89%(波长700nm),抗冲强度为6.30KJ/m2,为纯聚苯乙烯抗冲强度3.14KJ/m2的2倍。【比较例】
将纯聚苯乙烯加工样条后,测定其透光性为88~89%(波长700mm),抗冲强度为3.14KJ/m2。
Claims (9)
1.一种制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于首先向苯乙烯中加入水及平均粒径为60~150纳米的核壳微粒,以重量份数计,苯乙烯∶水为1∶1~3.5,苯乙烯∶核壳微粒为80~99∶1~20,然后再加入选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素、碳酸镁、碳酸钙的分散剂和选自过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈的引发剂,其中以重量百分比计,分散剂用量为苯乙烯用量的0.5~3%,引发剂用量为苯乙烯用量的0.2~2%,核壳微粒包括核、壳,核为含有烯基芳烃链段和交联剂,壳为含有烯基芳烃的链段,壳的链段通过交联剂的一端与核相连结,核与壳的重量比为1∶1.279~1.830,在搅拌下,于温度85~90℃条件下发生聚合反应,再经分离、水洗、干燥得成品。
2.根据权利要求1所述制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于以重量份数计,苯乙烯∶水为1∶1.5~2.5,苯乙烯∶核壳微粒为90~97∶3~10。
3.根据权利要求1所述制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于以重量百分比计,分散剂用量为苯乙烯用量的1~2%,引发剂用量为苯乙烯用量的0.3~1%。
4.根据权利要求1所述制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于核壳微粒包括核、壳,核含有烯基芳烃链段、丙烯酸酯链段和交联剂,壳为含有烯基芳烃的链段,壳的链段通过交联剂的一端与核相连结。
5.根据权利要求1或4所述制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于烯基芳烃为苯乙烯、α-甲基苯乙烯、对甲基苯乙烯。
6.根据权利要求5所述制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于烯基芳烃为苯乙烯。
7.根据权利要求1或4所述制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于交联剂为双甲基丙烯酰氧苯基丙烷、聚醚砜双烯大分子单体或其混合物。
8.根据权利要求4所述制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于丙烯酸酯为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯。
9.根据权利要求8所述制备核壳微粒增韧聚苯乙烯材料工艺,其特征在于丙烯酸酯为丙烯酸丁酯。
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