耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚苯乙烯树脂及其制备方法,更具体地涉及一种耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂及其制备方法。
背景技术
橡胶改性苯乙烯系树脂,即高抗冲聚苯乙烯(HIPS),具有优良的抗冲性、高刚性、耐低温性、耐化学腐蚀性和电器性能,且容易加工、价格低廉等优点。
近年来,随着电子电器、汽车、器具及轻工业产品等的高性能化,市场的竞争对HIPS的性能提出了新的要求。
具体的例子如冰箱专用HIPS树脂,其主要应用于冰箱的衬里和托盘,也可应用于含油食品、清洁剂、一些化学品的包装,国内用量很大,产品附加值更高,具有良好的市场前景和经济效益。而此类聚苯乙烯产品对耐环境应力开裂(ESCR)要求比较高,特别是应用在食品容器或冰箱内壁上时,一般把聚苯乙烯树脂压缩成片材状态,然后在二次成型的情况下,剩余应力部分若接触到发泡剂或油类时,会出现开裂现象。此时所使用的油类为人造奶油等油脂类或食用油、沙拉油,所使用的发泡剂为卤代烃、氟氯碳化合物、环戊烷等。
如前所述,高抗冲聚苯乙烯(HIPS)在应力和某些通常对HIPS无害的试剂作用下,会发生破坏,这种现象就是环境应力开裂(ESC)。现今的工业实验证实有四个结构参数强烈影响HIPS的耐环境应力开裂性能(ESCR):基本分子量、橡胶粒径、橡胶相体积或凝胶含量和橡胶相交联程度。包括矿物油和其他增塑剂在内的一些添加剂也能够影响高抗冲聚苯乙烯(HIPS)产品的耐环境应力开裂性能。
在国内外的文献上提到过提高改进聚苯乙烯ESCR的生产方法。据美国专利第4,144,204号显示,为了改善ESCR性能,调整添加至单体的橡胶含量后,所生成凝胶含量在26重量份-38重量份内时可改善ESCR性。但按照上述方法制造树脂时,树脂组成物的抗拉强度会降低。
据美国专利第4777210号中提出了上述问点相关对策-也就是未增加橡胶状聚合物含量的条件下增加聚合物粒子大小的同时又能改善ESCR性的方法。此方法采用一种连续流工艺来生产高抗冲聚苯乙烯,并提供可靠的、可重复的方法来改变颗粒大小。在该专利工艺中,采用了一个预转化反应器(pre-inversion),将苯乙烯、聚苯乙烯、橡胶(如聚丁二烯)和过氧化物催化剂溶液转化为高耐环境应力性的高抗冲聚苯乙烯材料。这种方法的成本较高。
通过专利US5861455A和US5543461A可知,在聚合工艺过程中添加聚异丁烯可增加HIPS产品的ESCR性能,但是在实际应用中,对于HIPS的ESCR要求不断增加,需要找更新更好的方法和途径来提高HIPS的ESCR性能。
因此,本领域迫切需要开发一种能在保持良好加工性能的同时,获得耐环境应力开裂(ESCR)性能大幅提升的聚苯乙烯树脂以及相关连续制造方法。
发明内容
本发明的第一目的在于获得一种能在保持良好加工性能的同时,获得耐环境应力开裂(ESCR)性能大幅提升的聚苯乙烯树脂组合物。
本发明的第二目的在于获得一种能在保持良好加工性能的同时,获得耐环境应力开裂(ESCR)性能大幅提升的聚苯乙烯树脂。
本发明的第三目的在于获得一种能在保持良好加工性能的同时,获得耐环境应力开裂(ESCR)性能大幅提升的聚苯乙烯树脂的制备方法。
本发明的第四目的在于获得一种能在保持良好加工性能的同时,获得耐环境应力开裂(ESCR)性能大幅提升的聚苯乙烯树脂的用途。
本发明的第一方面提供一种耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂组合物,其包括如下组分:
(a)基体组分,其选自聚丁二烯橡胶(PB)改性的聚苯乙烯树脂,其中所述聚丁二烯橡胶(PB)改性组分的含量为4~12wt%,以所述组合物总重量计算;
(b)共混组分,其选自与所述组分(a)共混的二甲基硅油,所述二甲基硅油添加量为0.05~0.2wt%,以所述组合物总重量计算。
优选地,所述橡胶改性组分的含量为树脂总量的5wt%~10wt%。
在本发明的一个具体实施方式中,所述二甲基硅油采用运动粘度为500-300cST(厘斯)的二甲基硅油。
优选地,所述二甲基硅油添加量为优选0.08-0.15wt%。
其中,1cST=1mm2/s。所述二甲基硅油的运动粘度采用ASTM D445标准(25℃条件)测定。
在一个具体实施方式中,所述基体组分(a)中,所述聚丁二烯橡胶(PB)改性组分包括高顺式聚丁二烯、低顺式聚丁二烯或其组合。
优选地,所述(a)基体组分和(b)共混组分的总重量占所述组合物总重量的90~100%。所述组合物中还可以含有其他惰性组分,只要这些组分不对本发明的发明目的产生限制。所述组合物还可能含有一些不可避免的组分,例如引发剂等组分的残留。
在本发明的一个具体实施方式中,所述基体组分(a)中,所述聚丁二烯橡胶(PB)改性组分包括高顺式聚丁二烯、低顺式聚丁二烯或其组合。
优选地,所述高顺式聚丁二烯的顺式含量不低于94摩尔%,所述低顺式聚丁二烯的顺式含量在33~40摩尔%之间。
在本发明的一个具体实施方式中,所述共混组分(b)还包括聚异丁烯的组合,且所述聚异丁烯的添加量为2wt%~4wt%,以组合物的总重量计算。
优选地,所述聚异丁烯平均分子量在900~1500。所述分子量是重均分子量。
优选地,所述所用聚异丁烯的添加量为2.5~3.5wt%,以组合物的总重量计算。
本发明的第二方面提供一种如本发明所述的组合物制得的耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂。
在本发明的一个具体实施方式中,其Mw在180000-220000,其低温抗冲击强度(-20℃)达到8~9KJ/M2(ISO180)。
更具体的,所述耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂的Mw在180000-220000,有着优良的抗冲性能和拉伸性能,最高可达12~13KJ/M2(ISO180),低温抗冲击强度(-20℃)可达到8~9KJ/M2(ISO180)。
本发明的第三方面提供一种本发明所述的耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
根据本发明所述的组分(a)的含量要求,提供获得所述基体组分(a)所需的苯乙烯单体原料和聚丁二烯橡胶(PB)原料;
提供共混组分(b);
上述各组分进行混合,得到混合物料;
所得到的混合物料通过聚合反应获得所述耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂。
在一个具体实施方式中,本发明采用本体连续法,通过将苯乙烯和橡胶或橡胶混合物制备本发明的HIPS。适合本发明方法的反应器为连续搅拌釜式反应器(CSTR),便于独立调节、优化混合物在主反应器中的停留时间。
在本发明的一个具体实施方式中,所述混合步骤中,
所需含量的苯乙烯单体原料和聚丁二烯橡胶(PB)原料在预聚釜中接触混和;再加入共混组分(b),使其在预聚釜内混合均匀,从而得到所述混合物料;
在混合过程中并同时控制预聚釜中的反应条件,保持此时物料不发生相转变。
在本发明的一个具体实施方式中,所得到的混合物料在剪切力场下进一步进行聚合反应,直至其发生相转变;
其中,所述聚合反应中,加入化学引发剂进行化学引发,且所述反应温度为105-120℃,搅拌速率为11-20rpm。
所述“剪切力场”包括搅拌。
在本发明的具体实施方式中,在将苯乙烯单体和橡胶溶液加入到预聚釜中,可采用化学引发,化学引发可以采用如下化学引发剂:叔-过氧化丁基-2-乙基已基碳酸酯、过氧化二苯甲酰、过氧化氢二异丙基苯、过氧化氢异丙基苯、叔丁基过氧化氢、过硫酸钾或其组合,或采用本领域已知的混合引发剂作为复合引发剂使用。
所述引发剂的含量约为0-1000ppm,优选100-800ppm,更优选200-700ppm。
更优选的,本发明使用的引发剂为TBEC(叔-过氧化丁基-2-乙基已基碳酸酯),含量约为0-1000ppm,优选100-800ppm,更优选200-700ppm,这样比较容易得到胶囊及微孔的微观形态。
在本发明的一个具体实施方式中,所述聚合反应步骤中,
将所述物料从预聚釜输送入主反应器中,在主反应器中发生聚合反应;得到完成相转变的物料;
所述完成相转变的物料输入后续反应器,进一步提高转化率;最后获得所述的耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂。
更具体的,来自预聚釜的物料流入主反应器,在此反应器中发生相转变及聚合反应。通过调节反应器温度、搅拌速率和停留时间等参数来实现本反应,其中反应器温度为105℃-120℃之间。在反应器搅拌带动下,反应器内溶液所受剪切力由中心到四周不同分布,形成多区域粘度的不同,再协同温度和停留时间上的调节,使多区域内溶液互动混合均匀,从而完成HIPS的化学接枝及溶液内相转变。
随后主反应器中完成相转变的物料输入后续反应器,使转化率达到80%-90%。最后可通过脱挥等常规方式使反应器流出物料去除残余的苯乙烯单体。
在一个具体实施方式中,所述后续反应器是平推流式反应器。
本发明的第四方面提供如本发明所述的耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂在各种冰箱内胆板材的应用。
附图说明
图1示出了实施例1的透射电镜照片;
图2示出了实施例3的透射电镜照片;
图3示出了实施例4的透射电镜照片。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究,通过改进制备工艺,获得了一种能在保持良好加工性能的同时,获得耐环境应力开裂(ESCR)性能大幅提升的聚苯乙烯树脂以及相关连续制造方法。在此基础上完成了本发明。
本发明中,术语“含有”或“包括”表示各种成分可一起应用于本发明的混合物或组合物中。因此,术语“主要由...组成”和“由...组成”包含在术语“含有”或“包括”中。
以下对本发明的各个方面进行详述:
聚苯乙烯树脂组合物及其聚苯乙烯树脂
本发明的第一方面提供一种耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂组合物,其包括如下组分:
(a)基体组分,其选自聚丁二烯橡胶(PB)改性的聚苯乙烯树脂,其中所述聚丁二烯橡胶(PB)改性组分的含量为4~12wt%,以所述组合物总重量计算;
(b)共混组分,其选自与所述组分(a)共混的二甲基硅油,所述二甲基硅油添加量为0.05~0.2wt%,以所述组合物总重量计算。
优选地,所述橡胶(PB)改性组分的含量为树脂总量的5wt%~10wt%。
优选地,所述二甲基硅油添加量为优选0.08-0.15wt%;更优选地,所述二甲基硅油采用运动粘度为500-3000cST(厘斯1cST=1mm2/s)的二甲基硅油。
优选地,所述(a)基体组分和(b)共混组分的总重量占所述组合物总重量的90~100%。所述组合物中还可以含有其他惰性组分,只要这些组分不对本发明的发明目的产生限制。所述组合物还可能含有一些不可避免的组分,例如引发剂等组分的残留。
发明人发现,当采用的二甲基硅油运动粘度<500cST(厘斯1cST=1mm2/s)时,所得树脂的低温冲击强度损失率偏高,而当运动粘度>3000cST(厘斯1cST=1mm2/s)时,所得树脂的耐环境应力开裂(ESCR)基本无变化,但低温冲击强度损失率开始增大,同时由于运动粘度的增加造成添加的能耗升高。
在本发明的一个具体实施方式中,所述基体组分(a)中,所述聚丁二烯橡胶(PB)改性组分包括高顺式聚丁二烯、低顺式聚丁二烯或其组合。
优选地,所述高顺式聚丁二烯的顺式含量不低于94摩尔%,所述低顺式聚丁二烯的顺式含量在33~40摩尔%之间。
在本发明的一个具体实施方式中,所述共混组分(b)还包括聚异丁烯的组合,且所述聚异丁烯的添加量为2wt%~4wt%,以组合物的总重量计算。
优选地,所述聚异丁烯平均分子量在900~1500。所述分子量是重均分子量。
优选地,所述所用聚异丁烯的添加量为2.5~3.5wt%,以组合物的总重量计算。
发明人发现,当添加二甲基硅油和聚异丁烯的组合时,得到的HIPS的耐环境应力开裂(ESCR)性能更优于只添加二甲基硅油的HIPS。
本发明的第二方面提供一种如本发明所述的组合物制得的耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂。
在本发明的一个具体实施方式中,其Mw在180000-220000,其低温抗冲击强度(-20℃)达到8~9KJ/M2(ISO180)。
更具体的,所述耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂的Mw在180000-220000,有着优良的抗冲性能和拉伸性能,最高可达12~13KJ/M2(ISO180),低温抗冲击强度(-20℃)可达到8~9KJ/M2(ISO180)。
制备方法
第三方面提供一种本发明所述的耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
根据本发明所述的组分(a)的含量要求,提供获得所述基体组分(a)所需的苯乙烯单体原料和聚丁二烯橡胶(PB)原料;
提供共混组分(b);
上述各组分进行混合,得到混合物料;
所得到的混合物料通过聚合反应获得所述耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂。
在一个具体实施方式中,本发明采用本体连续法,通过将苯乙烯和橡胶或橡胶混合物制备本发明的HIPS。适合本发明方法的反应器为连续搅拌釜式反应器(CSTR),便于独立调节、优化混合物在主反应器中的停留时间。
在本发明的一个具体实施方式中,所述混合步骤中,
所需含量的苯乙烯单体原料和聚丁二烯橡胶(PB)原料在预聚釜中接触混和;再加入共混组分(b),使其在预聚釜内混合均匀,从而得到所述混合物料;
在混合过程中并同时控制预聚釜中的反应条件,在混合过程中并同时控制预聚釜中的反应条件,保持此时物料不发生相转变。
所得到的混合物料在剪切力场下进一步进行聚合反应,直至其发生相转变;
其中,所述聚合反应中,加入化学引发剂进行化学引发,且所述反应温度为105-120℃,搅拌速率为11-20rpm。
在本发明的具体实施方式中,在将苯乙烯单体和橡胶溶液加入到预聚釜中,可采用化学引发,化学引发可以采用如下化学引发剂:叔-过氧化丁基-2-乙基已基碳酸酯、过氧化二苯甲酰、过氧化氢二异丙基苯、过氧化氢异丙基苯、叔丁基过氧化氢、过硫酸钾或其组合,或采用本领域已知的混合引发剂作为复合引发剂使用。
所述引发剂的含量约为0-1000ppm,优选100-800ppm,更优选200-700ppm。
更优选的,本发明使用的引发剂为TBEC(叔-过氧化丁基-2-乙基已基碳酸酯),含量约为0-1000ppm,优选100-800ppm,更优选200-700ppm,这样比较容易得到胶囊及微孔的微观形态。
在本发明的一个具体实施方式中,所述聚合反应步骤中,
将所述物料从预聚釜流入主反应器中,在主反应器中发生聚合反应;得到完成相转变的物料;
所述完成相转变的物料输入后续反应器,进一步提高转化率;最后获得所述的耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂。
更具体的,来自预聚釜的物料流入主反应器,在此反应器中发生相转变及聚合反应。通过调节反应器温度、搅拌速率和停留时间等参数来实现本反应,其中反应器温度为105℃-120℃之间。在反应器搅拌带动下,反应器内溶液所受剪切力由中心到四周不同分布,形成多区域粘度的不同,再协同温度和停留时间上的调节,使多区域内溶液互动混合均匀,从而完成HIPS的化学接枝及溶液内相转变。
更优选的,在主反应器内,经过反应使其完成全部相转变,同时通过调节搅拌器转速从而获得特定尺寸范围和形态的弹性体颗粒结构,反应器搅拌速率控制在11-20rpm之间,此搅拌速率便于获得大颗粒的橡胶颗粒分布,从而使最终产品中50%体积时的最大橡胶颗粒直径为4-10um,优选5-8um。
随后主反应器中完成相转变的物料输入后续反应器,使转化率达到80%-90%。最后可通过脱挥等常规方式使反应器流出物料去除残余的苯乙烯单体。
综上所述,本发明提供了一种制备具有改进的耐环境能力开裂(ESCR)聚苯乙烯树脂的现场方法。
在本发明中可使用增塑剂有助于改进聚苯乙烯的冲击强度等性能,可在预聚釜前后加入确保混合均匀,增塑剂的加入量按聚合物总重量计为1%-6重量%。更优选地,所述增塑剂优选矿物油;对于本领域已知的其他添加剂的使用,如链转移剂(常见的如乙苯)、抗氧化剂、外部及内部润滑剂等也可使用于本发明。
本发明的第四方面提供如本发明所述的耐环境应力开裂(ESCR)改进的聚苯乙烯树脂在各种冰箱内胆板材的应用。
使用本发明的技术及工艺,通过添加二甲基硅油所得到HIPS树脂其耐环境应力开裂(ESCR)性能比没加二甲基硅油的提高30-40%。同时,本技术通过在HIPS生产工艺中同时添加聚异丁烯和二甲基硅油,得到的HIPS比只添加聚异丁烯的HIPS产品在ESCR性能上提高近40-60%,而比只添加二甲基硅油的HIPS产品在ESCR性能上更提高近200%。
本发明得到的高抗冲聚苯乙烯树脂,在耐环境能力开裂(ESCR)性能大幅改进的同时,保持较佳的分子量和加工性能。产品的Mw在180000-220000情况下,有着优良的抗冲性能和拉伸性能,最高可达12-13KJ/M2(ISO180),低温抗冲击强度(-20℃)可达到8-9KJ/M2(ISO180)。
本产品具有良好的耐环境应力开裂(ESCR)性能,可以满足刚度、延展性以及尺寸稳定性等应用所需的关键要求,做到专料专用,同时可减少下游客户的加工能耗,取得节能降耗的社会效益。此类HIPS产品可广泛应用于各种冰箱内胆板材、脂肪食品的包装等。
如无具体说明,本发明的各种原料均可以通过市售得到;或根据本领域的常规方法制备得到。除非另有定义或说明,本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
本发明的其他方面由于本文的公开内容,对本领域的技术人员而言是显而易见的。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准,则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。除非另外说明,否则所有的份数为重量份,所有的百分比为重量百分比,所述的聚合物分子量为重均分子量。
除非另有定义或说明,本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
对比例1
将8wt%聚丁二烯橡胶在苯乙烯中充分溶解,随后将橡胶溶液与17wt%乙苯、引发剂等组成预聚进料,连续进入预聚釜进行预聚合,在进入预聚釜之前经过在线混合器使各组分得到充分混合。
预聚釜为全混流釜式反应器(CSTR),在其中控制反应温度105℃、反应时间为0.9小时,使苯乙烯在预聚釜中达到一定的转化率(5%),预聚釜搅拌器以15-20rpm的转速进行搅拌,以加强反应器内物料的传质传热过程。
在预聚釜中完成转化率的混合物连续被送入主反应器,主反应器为全混流釜式反应器(CSTR),控制反应温度118℃、反应时间为2.9小时,使苯乙烯继续反应,并与橡胶反应形成接枝物,将转化率进一步提高到40%以上,苯乙烯/聚苯乙烯混合物在主反应器中发生相转变,形成橡胶颗粒,将搅拌转速控制在15转/分,使橡胶颗粒分布达到控制要求。
在主反应器中完成相转变、形成橡胶颗粒的聚合物混合物被输送入下一反应器,该反应器为平推流反应器,分为5个区域,可以根据需要控制不同的反应温度条件,控制范围在135~175℃。在该反应器中控制聚合反应温度逐步提升,使反应进一步提高转化率。
在此反应器中转化率达到80~90%,随后聚合物被送入脱挥系统,在240-250℃高温、真空绝压4Kpa下脱除未反应的苯乙烯单体与乙苯溶剂,聚合物造粒得到HIPS产品。
实施例1
作为添加剂,加入粘度为1000cSt(厘斯1cST=1mm2/s)的0.1wt%二甲基硅油,其他步骤完全按实施例1操作,得到HIPS树脂。
对比例2
作为添加剂,加入3wt%的聚异丁烯,其他步骤完全按实施例1操作,得到HIPS树脂。
实施例2
作为添加剂,加入粘度为1000cSt(厘斯1cST=1mm2/s)的0.1wt%甲基硅油和3wt%的聚异丁烯,其他步骤完全按实施例1操作,得到HIPS树脂。
实施例3
作为添加剂,加入粘度为1000cSt(厘斯1cST=1mm2/s)的0.05wt%二甲基硅油和3wt%的聚异丁烯,其他步骤完全按实施例1操作,得到HIPS树脂。
实施例4
作为添加剂,加入粘度为1000cSt(厘斯1cST=1mm2/s)的0.2wt%甲基硅油和3wt%的聚异丁烯,其他步骤完全按实施例1操作,得到HIPS树脂。
实施例5
作为添加剂,加入粘度为500cSt(厘斯1cST=1mm2/s)的0.1wt%二甲基硅油和3wt%的聚异丁烯,其他步骤完全按实施例1操作,得到HIPS树脂。
实施例6
作为添加剂,加入粘度为3000cSt(厘斯1cST=1mm2/s)的0.1wt%二甲基硅油和3wt%的聚异丁烯,其他步骤完全按实施例1操作,得到HIPS树脂。
性能实施例
为了判断材料的耐环境应力(ESCR)性能,设计了相关的测试方法:两组试样固定在有一定曲率半径的不锈钢弯曲夹具上,将其中一组试样转移至含有环戊烷蒸汽环境中,保持50分钟。另外一组试样放在实验室的标准环境中,保持50分钟。两组试样分别测试拉伸标称断裂延伸率,通过计算评估材料的耐环境应力开裂能力。弯曲夹具表面为半径为170mm的不锈钢弧面,材料是不锈钢2Cr13。
HIPS的耐环境应力开裂能力(ESCR)用下式表示:
ESCR(%)=(经试剂处理过试样的标称断裂延伸率/无试剂处理试样的标称断裂延伸率)*100
表1:
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用以限定本发明的实质技术内容范围,本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中,任何他人完成的技术实体或方法,若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同,也或是一种等效的变更,均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考,就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解,在阅读了本发明的上述内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。