CN1208380C - 可发泡性聚乙烯基芳烃粒子的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备可发泡性聚乙烯基芳烃粒子的方法，其中在低于95℃的温度和在表压为100～2000千帕的条件下用无机的含N2和/或O2的气体来浸渍紧密的聚乙烯基芳烃粒子。

Description

可发泡性聚乙烯基芳烃粒子的制备方法
本发明涉及可发泡性聚乙烯基芳烃粒子的制备方法，这些粒子的发泡方法以及由发泡粒子制备泡沫制品。
多年来，已知聚乙烯基芳烃例如聚苯乙烯的粒子具有可发泡性，且所制得的粒子可用于制备泡沫制品。在此方面可参考例如美国专利2681321，其中公开了一种方法，使聚苯乙烯粒子暴露于液烃中并经过处理，以使液烃分散于聚苯乙烯粒子中。所制备的粒子通常含有4-8重量％的该液烃，例如丁烷、正戊烷、或戊烷的混合物。然后，可将这些粒子发泡成密度较低的珠粒。用于包装粒子的表观密度通常是20-60千克/米3。发泡以后，粒子就在蒸汽加热的模具中熔融，以获得所需形状的泡沫制品。
影响聚苯乙烯粒子发泡的因素之一是烃类发泡剂的用量。参见Kirk Othmer， 化学技术大全(Encyclopedia of Chemical Technology)，第三版，第21卷，第838页，与纯聚苯乙烯珠粒的密度值1050千克/米3以及与正戊烷溶于聚苯乙烯的简单混合物的密度计算值1020千克/米3相比，含有5.7重量％正戊烷的粒子的密度通常为1080千克/米3。如果全部戊烷都存在于孔隙中，那么密度计算值为1120千克/米3。因此，一般认为部分烃发泡剂存在于聚苯乙烯的小孔隙中。本领域熟练技术人员将理解上述密度是粒子密度，可将其重新计算成表观密度。1050千克/米3的粒子密度对应于约680千克/米3的表观密度。
现有作法的缺点在于，在未发泡的粒子的运输和储存期间，烃可从粒子中蒸发出来，特别是从孔隙中蒸发出来。当在不同的温度和/或持续时间内运输和/或储存所述粒子时，例如戊烷的含量可能变化显著。除了在运输期间必须采取额外的安全措施例如气密性包装，应该注意这种变化对发泡后所得的泡沫材料有影响。
另外，发泡过程本身还引起原来存在于未发泡粒子中的烃散发到环境中。为了降低所述散发，已开发出复杂的设备来收集已散发的烃以进行进一步的处理，例如燃烧。该设备将安装在所述粒子的最终使用者、即生产泡沫制品的用户的设备中。这需要这些用户具有额外的专业知识和付出额外的投资。
在美国专利5358675披露的方法中，使诸如聚苯乙烯等聚合物材料与另外第二相材料例如橡胶在高温下在挤出机中混合。在800～2000psi(5,500～13,800千帕)压力下用氮气浸渍该混合物。为了获得高于10微米的合适的泡孔尺寸，橡胶的存在是必要的。如果不加入橡胶，所得到的泡孔就会太小。虽然该文献的方法克服了环境问题，但它需要超高的压力。现已发现可通过避免使用高压来使聚乙烯基芳烃粒子充分发泡。
因此，本发明提供一种制备可发泡性聚乙烯基芳烃粒子的方法，其中，在低于95℃的温度下和在100～2,000千帕的表压下，用无机的含N2和/或O2的气体浸渍紧密的聚乙烯基芳烃粒子。
紧密的聚乙烯基芳烃粒子的表观密度适当地大于600千克/米3，更合适地大于620千克/米3。通常这些粒子的表观密度不超过700千克/米3。
通常本发明紧密的聚乙烯基芳烃粒子在被含N3和/或O3的气体浸渍之前不能发泡。实际上这意味着它们含有以乙烯基芳烃的量为基准的小于0.5重量％的挥发性有机化合物，更优选小于0.1重量％。最优选紧密的聚乙烯基芳烃粒子不含任何挥发性有机化合物。在紧密的聚乙烯基芳烃粒子中水的含量不应超过以乙烯基芳烃的量为基准的1重量％。
紧密的聚乙烯基芳烃粒子可通过各种方法制备，这些方法包括本体聚合、溶液聚合和悬浮聚合，或这些方法的组合。优选用本体聚合或悬浮聚合法进行聚合。在本体聚合技术中，用常规方式进行聚合，以获得小粒子(粗粒(nibs))。悬浮聚合包括使乙烯基芳烃单体悬浮在水相中，并使悬浮的液滴聚合。两种方法均可确保在聚合物粒子中存在足够的孔隙，无机的含N2和/或O2的气体可浸渍其中。
悬浮聚合适当地在悬浮稳定剂的存在下进行。合适的悬浮稳定剂是本领域公知的，包括聚乙烯醇、明胶、琼脂、聚乙烯基吡咯烷、聚丙烯酰胺，无机稳定剂，例如氧化铝、膨润土、硅酸镁或磷酸盐，如磷酸三钙和/或磷酸氢二钠，任选与上述任何稳定化合物组合使用。稳定剂的量可适当地在以水相重量为基准的0.1-0.9重量％之间变化。
悬浮聚合适当地在两个温度阶段进行，其中第一阶段的温度是85-110℃，第二阶段的温度是115-140℃。
聚合本身是本领域公知的，聚合反应可由热引发，经自由基聚合，或经阴离子聚合。虽然所有的方法都是可行的，但优选用自由基聚合。合适的自由基引发剂选自用于自由基聚合的常规引发剂。它们特别包括有机过氧化合物，例如过氧化物、过氧碳酸酯和过酸酯。这些过氧化合物的典型例子是C6-20酰基过氧化物，例如过氧化二癸酰、过氧化二苯甲酰、过氧化二辛酰、硬脂酰基过氧化物；过酸酯，例如过苯甲酸叔丁酯、过乙酸叔丁酯、过异丁酸叔丁酯、叔丁基过氧基-(2-乙基己基)碳酸酯；氢过氧化物和二烃基过氧化物，例如含有C3-10烃基部分的那些，包括二异丙苯基过氧化氢、二叔丁基过氧化物、二枯基过氧化物或其组合。不同于过氧化合物的其它引发剂也可使用，例如α，α’-偶氮二异丁腈。
在本方法的聚合物中含有的乙烯基芳烃优选主要由苯乙烯组成，聚乙烯基芳烃可含有至多10％摩尔的另一种含乙烯基的单体，例如，丙烯腈、丙烯酸或甲基丙烯酸或酯，取代的苯乙烯，例如氯化苯乙烯，或α一甲基苯乙烯，或二乙烯基苯。但是聚乙烯基芳烃中的乙烯基芳烃优选由超过99％摩尔的苯乙烯组成。更优选聚乙烯基芳烃是纯的聚苯乙烯。
乙烯基芳烃单体在其它聚合物例如聚苯醚的存在下进行聚合是有利的。合适的聚苯醚已在EP-A-350137，EP-A-403023和EP-A-391499中公开。聚苯醚的量优选是以乙烯基芳烃单体的量为基准的1～30重量％，并可改进聚乙烯基芳烃聚合物的刚性。
紧密的聚乙烯基芳烃粒子可含有各种常规的添加剂。这些添加剂包括链转移剂、交联剂和成核剂。合适的链转移剂的例子是C2-15烷基硫醇，例如正十二烷基硫醇、叔十二烷基硫醇、叔丁基硫醇和正丁基硫醇。其它试剂是五苯基乙烷和α-甲基苯乙烯的二聚体。交联剂的例子是丁二烯和二乙烯基苯。成核剂是一种能促进泡孔形成的试剂，其用量是以乙烯基芳烃为基准的0.01～3重量％，优选为0.05～2重量％。成核剂的例子是均匀分散的无机化合物、有机化合物和聚合物粒子。例子是碳酸盐化合物，例如碳酸钙；硫酸盐化合物，例如硫酸钡和硫酸钙；硅酸盐化合物，例如滑石、粘土、硅酸镁、无定形二氧化硅粒子、沸石、硅藻土；氧化物，例如氧化镁和氧化钛；碳酸氢钠与柠檬酸的混合物，含溴的有机化合物，萘化合物，多环芳烃，碳黑，焦炭，炭，石墨和金刚石粉，石蜡；和脂肪酸衍生物，例如硬脂酸盐和棕榈酸盐化合物。合适的聚合物粒子的例子是聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯橡胶、丁苯橡胶、苯乙烯/马来酸酐共聚物、和纤维素。进一步的例子包括如WO 98/01501所述的极性聚合物，包括例如淀粉，和通过酯化或醚化反应改性的淀粉；如WO 98/01488和WO 98/01489所述的乳化剂，包括二烷基磺基琥珀酸盐、山梨醇-C8-C20-羧酸酯和C8-C20-烷基二甲苯磺酸盐。特别适合作为成核剂的是重均分子量为500-5000的聚乙烯蜡，其通常均匀分散于聚合物基体中，用量是以乙烯基芳烃的量为基准的0.01-1.0重量％，优选0.1-0.5重量％。
紧密的乙烯基芳烃粒子还可含有抗静电剂、阻燃剂(例如六溴环十二烷)、染料、填充材料、增塑剂(例如白油)、稳定剂和润滑剂。粒子适当地被涂料组合物所涂覆，该涂料组合物包含硅氧烷、金属硅酸盐或甘油羧酸酯。合适的羧酸酯是甘油单、二和三硬脂酸酯、硬脂酸锌、及其混合物。所述组合物的例子已公开于英国专利1409285。除了硬脂酸酯，还可使用柠檬酸酯或棕榈酸酯。已通过在螺条共混器中干燥-涂覆或通过在易蒸发的液体中的淤浆或溶液来用该涂料组合物涂覆粒子。
在低于95℃的温度下和在100～2000千帕的表压下，用无机的含N2和/或O2的气体浸渍紧密的聚乙烯基芳烃粒子。这些气体适当地含有以气体体积为基准的大于90体积％的N2和/或O2，更合适地大于95体积％。“无机的”指的是本发明的气体可含有以气体体积为基准的最多1体积％的有机化合物，优选最多0.5体积％。最优选，这些气体不含任何有机化合物。
本发明的优点之一是所用无机的含N2和/或O2的气体与聚合物本身具有较小的相互作用(若有的话)。许多商用发泡剂，如挥发性烃(例如乙烷、丙烷、乙烯、丙烯)、挥发性卤化烃(例如，甲基氟化物)或二氧化碳，在某种程度上溶解于聚合物基体中。这意味着，在某些应用中，考虑到在例如安全、健康或毒性方面的潜在负面作用，必须尽力除去二氧化碳。使用本发明可消除这些不利影响。本领域的熟练技术人员可知每种气体在一定程度上均会溶解到聚合物基体中，然而与上述商用发泡剂相比，本发明所用的气体在聚合物基体中具有更小的溶解度。浸渍气体优选为氮气或空气。这些气体的附加优点是它们是有效和便宜的，并且对环境或健康无负面作用。
浸渍时优选的温度范围为0～50℃，更优选为10～30℃。最优选所用温度为室温。采用该方式，粒子中的孔隙就会被气体填充，并且不会把聚乙烯基芳烃加热到变形的程度。这种变形可能对孔隙的结构和性能有消极影响，从而对所得浸渍粒子的发泡性造成负面影响。而且，低温可确保粒子保持自由流动状态，并且不会相互粘结，而如果浸渍在较高的温度下进行，则可能发生粘结。
发生浸渍的表压为100～2000千帕。优选表压为100～1500千帕，更优选为300～800千帕。采用低压将意味着在约大气压下孔隙只能充满气体，例如氮气或空气。这将导致不充分的发泡(若有的话)。高于2000千帕的表压是可能的，但是考虑到经济和安全的因素(例如，必须更好地安装压力容器)是不希望使用的。而且，取样变得更困难。
在浸渍后，经浸渍的粒子可采用常规的发泡装置进行发泡，以使其表观密度低于紧密的聚乙烯基芳烃粒子的表观密度。在将粒子输送到发泡装置中时，不需特别留心。然而，用压力闸门阀进行是有利的。
因此，本发明还提供一种制备发泡聚乙烯基芳烃粒子的方法，其中可发泡性聚乙烯基芳烃粒子是通过上述方法制备的，并将所得经浸渍的粒子进行发泡，使其表观密度低于紧密的聚乙烯基芳烃粒子的表观密度。
在发泡过程中，浸渍粒子发泡成的最终表观密度适当地比其初始密度低至少3倍。更适宜的是，浸渍粒子发泡成的最终表观密度比紧密的聚乙烯基芳烃粒子的表观密度低至少5倍。虽然，能使发泡进行到任何所需密度，但是实际上使发泡进行到其表观密度比紧密的聚乙烯基芳烃粒子的表观密度低至多20倍，更优选至多40倍。
为了达到所希望的最终表观密度，发泡过程通常分步进行。其中，发泡后所得到的发泡聚乙烯基芳烃粒子可用无机的含N2和/或O2的气体再次有利地进行浸渍(“再浸渍”)，并将该再浸渍的粒子再次发泡。再浸渍过程可重复数次。可是，熟练技术人员将争取使浸渍过程的持续时间达到平衡，一方面为了使气体的浸渍量最大化，另一方面为了使浸渍和发泡相继重复较少的次数。在该过程中，浸渍和发泡步骤适当地重复1～4次。
如上所述，发泡可在任何常规的发泡装置中进行。这意味着，发泡可通过使用热空气、热水、热油浴、红外辐射或微波辐射来实现。优选使用最常用的方法，即，使用蒸汽。所用蒸汽的温度为100～168℃，表压为0～600千帕，这取决于在经预发泡的聚乙烯基芳烃粒子中存在的添加剂和/或其它聚合物。在聚苯乙烯的情况下，优选使用温度为100～125℃、表压为0～230千帕的饱和蒸汽。可是，已注意到也可使用其它工业方法。通过用90～200℃的热空气所进行的发泡特别适合于第一发泡步骤。优选空气的温度为95～160℃，最优选为100～140℃。暴露的持续时间优选为至多3小时。
如上所述，将发泡的粒子适当地放入模具中并加热，以使发泡的粒子一起熔融，从而生产出发泡的模塑制品。因此，本发明还提供一种制备泡沫制品的方法，其中使由本发明方法得到的发泡聚乙烯基芳烃粒子在模具中加热，直到聚乙烯基芳烃粒子软化并粘结在一起，对由此得到的受热模具进行冷却以获得发泡产品。按常规方式对模具进行加热，通常其加热温度范围在110～125℃之间。
本发明将通过下面的实施例进行说明。
实施例
所有表观密度根据以下方法来检测：
称量容量为1000厘米3±2厘米3、内径为66毫米和高度为293毫米的圆柱形杯子的重量，准确至接近0.1克(大气压，室温)。然后，用聚乙烯基芳烃粒子填充该杯子。用极平的金属刮刀在杯子的侧面轻敲三次，然后刮掉杯子顶部上多余的材料，且不摇动杯子。称量杯子中材料的重量，准确至接近0.1克，以克/厘米3为单位计算聚乙烯基芳烃粒子的重量，并转换成千克/米3。
实施例1和2
通过悬浮聚合法制备紧密的聚苯乙烯粒子。将4000克软化水、3680克苯乙烯和常规的悬浮稳定剂以475rpm的搅拌速率进行混合。通过将温度升高到86℃并添加过氧化物引发剂使聚合开始。在约6小时后，温度升高至约120℃，并使该温度保持2小时。在完成聚合后，冷却反应混合物。
粒子的表观密度d1为650～630千克/米3，粒径在700～900微米的范围内。
然后，将紧密的聚苯乙烯粒子储存在室温以及空气表压为600千帕的压力容器中，用空气对其进行浸渍。在16小时后，释放压力，取出经浸渍的紧密的聚苯乙烯粒子，并放在KURTZ KV450间歇式蒸汽发泡机中，以使它们在那里进一步发泡(KURTZ为商标)。发泡条件如表I所示。
从所得粒子测定表观密度d2。
然后，除了在2小时后释放压力外，再次使粒子经历上述浸渍和发泡步骤。测定所得的表观密度d3。
该步骤再重复2次，直到获得表观密度为d5的粒子。所得结果列于表I中。
                                                                                                      表I
  实施例     d1(千克/米3) 发泡条件1     d2(千克/米3) 发泡条件1 d3(千克/米3) 发泡条件1 d4(千克/米3) 发泡条件1     d5(千克/米3)
  1     630 P：150千帕g.T：127℃t：15秒     531 P：140千帕g.T：126℃t：15秒 323 P：140千帕g.T：126℃t：15秒 90 P：80千帕g.T：117℃t：15秒     20.4
  2     650 P：165千帕g.T：129℃t：15秒     537 P：140千帕g.T：126℃t：15秒 324 P：140千帕g.T：126℃t：15秒 86 P：140千帕g.T：126℃t：15秒     18.8
1P＝蒸汽压(千帕表压)
T＝蒸汽温度(℃)
t＝通入蒸汽的时间(秒)

Claims (11)

1、一种制备可发泡性聚乙烯基芳烃粒子的方法，其中在低于95℃的温度下和在100～2000千帕的表压下，用选自含N2和/或O2的气体的无机化合物浸渍具有孔隙的紧密的聚乙烯基芳烃粒子。
2、根据权利要求1的方法，其中所述聚乙烯基芳烃粒子是聚苯乙烯粒子。
3、根据权利要求1或2的方法，其中紧密的聚乙烯基芳烃粒子的表观密度大于600千克/米3。
4、根据权利要求1的方法，其中在0～50℃的温度和100～1500千帕的表压下，通过将聚乙烯基芳烃粒子暴露于无机的含N2和/或O2的气体中来浸渍所述粒子。
5、根据权利要求1的方法，其中所述气体为氮气或空气。
6、一种制备发泡聚乙烯基芳烃粒子的方法，其中可发泡性聚乙烯基芳烃粒子根据权利要求1～5中任一项的方法来制备，并且将所得经浸渍的粒子进行发泡，使其表观密度低于紧密的聚乙烯基芳烃粒子的表观密度。
7、根据权利要求6的方法，其中使经浸渍的粒子发泡至比紧密聚乙烯基芳烃的表观密度低至少5倍的最终表观密度。
8、根据权利要求6或7的方法，其中将发泡后得到的发泡聚乙烯基芳烃粒子再次用无机的含N2和/或O2的气体进行浸渍，并使经浸渍的粒子再次发泡。
9、根据权利要求6的方法，其中通过将经浸渍的粒子暴露于温度为100～168℃、表压为0～600千帕的蒸汽下进行发泡。
10、一种制备泡沫制品的方法，其中将根据权利要求6～9中任一项的方法得到的发泡聚乙烯基芳烃粒子在模具中加热，直到聚乙烯基芳烃粒子软化并粘结在一起，冷却由此得到的受热模具以获得泡沫制品。
11、一种制备发泡聚乙烯基芳烃粒子的方法，其中，在低于95℃的温度和在100～2000千帕的表压下，通过将具有孔隙的紧密的聚乙烯基芳烃粒子暴露于选自含N2和/或O2的气体的无机化合物来浸渍所述粒子，以维持所述紧密的聚乙烯基芳烃粒子中的所述孔隙的结构和性质，其中所述无机的含N2和/或O2的气体含有少量有机化合物，并且其中所述无机的含N2和/或O2的气体，与所述有机化合物相比，在聚合物基体中的溶解度更小，基本上留在所述紧密的聚乙烯基芳烃粒子的所述孔隙中，用于所述粒子的发泡。
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