淺析“可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）的制備與用途”

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摘要：本文主要介紹了國內(nèi)EPS的制備與用途。先說其用途：上世紀(jì)四五十年代，德國巴斯夫公司發(fā)明了一種被稱為可發(fā)性聚苯乙烯的材料，這種材料具有很多的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于包裝材料、建筑材料、保護(hù)性材料等等?？砂l(fā)性聚苯乙烯的制備：一是本體聚合法；二是懸浮聚合法；懸浮聚合又分為一步法生產(chǎn)和二步法生產(chǎn)。本文采用的是懸浮聚合法的一步法生產(chǎn)工藝。

關(guān)鍵詞：可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）；制備；用途

1 前言

可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）具有質(zhì)輕、價廉、導(dǎo)熱率低、吸水性小、電絕緣性能好、隔音、防震、防潮、成型工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于建筑、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的保溫隔熱、隔音、抗震材料、用作電器、儀表、玻璃制品、電子產(chǎn)品等的緩沖包裝和食品包裝材料。

2 EPS的制備方法

EPS一般采用懸浮聚合。懸浮聚合法是以苯乙烯單體和聚合物顆粒為分散相，用水為連續(xù)相和分散介質(zhì)，在強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌下分散為油狀液滴，并借助于懸浮劑的分散作用懸浮于水中，在引發(fā)劑的作用下，聚合為球狀固體。

3 EPS制備用助劑

3.1 引發(fā)劑體系：苯乙烯懸浮聚合一般采用自由基引發(fā)體系，主要是有機(jī)過氧化物—過氧化二苯甲酰，也有采用二叔丁基過氧化物（tert-Bu2O2）、過氧化苯甲酰（BPO）、過氧化苯甲酰叔丁酯復(fù)合型引發(fā)劑。

3.2 分散體系：目前苯乙烯懸浮聚合的分散體系主要有三類，即有機(jī)分散體系、無機(jī)分散體系、有機(jī)和無機(jī)復(fù)合體系。

1、有機(jī)分散體系：有機(jī)分散體系大多采用聚乙烯醇（PVA）、羥乙基纖維素（HEC）、白明膠等。有機(jī)分散劑作為一種高分子表面活性劑（含有親水基和親油基），在聚合過程中的主要作用有三種：（1）提高水相粘度，增加油滴運(yùn)動阻力，減少油滴碰撞次數(shù)。（2）在油滴外表面形成保護(hù)層，防止油滴合并，增強(qiáng)粒子的保膠能力。（3）降低油水兩相界面張力，增加其穩(wěn)定性。

2、無機(jī)分散劑：無機(jī)分散劑主要是磷酸三鈣（TCP），磷酸三鈣應(yīng)滿足質(zhì)量輕、粒度細(xì)的要求。其主要作用是將無機(jī)物細(xì)顆粒吸附在油滴表面，起到機(jī)械隔離作用。此外，為提高TCP 分散效果，通常加入少許表面活性劑，例如十二烷基苯磺酸鈉等，作為TCP的助分散劑。

3、復(fù)合分散劑：在苯乙烯懸浮聚合過程中，有機(jī)高分子化合物分散劑溶于水中降低水的表面張力，增加水的粘度，并在油滴表面形成保護(hù)膜，增加粒子的保護(hù)能力，但粘附嚴(yán)重。無機(jī)分散劑靠其固體粉末被水濕潤，對單體油滴起到機(jī)械隔離作用，粘附較輕，但用量較多，給后處理帶來困難，并可能使粒子發(fā)霧。在實(shí)際生產(chǎn)中，選用不同保護(hù)能力或界面活性的復(fù)合體系，已達(dá)到取長補(bǔ)短的效果，這類復(fù)合分散劑有PVA和TCP復(fù)合（分別在聚合前和后期加入），HEC和TCP復(fù)合等，從而提高了分散劑的效果。聚合反應(yīng)分散劑用量很少，否則易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，其用量為水量的0.001%—0.1%。

4 影響EPS生產(chǎn)的因素

4.1 水質(zhì)：聚合投料用水的質(zhì)量，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。水質(zhì)主要有以下指標(biāo)

1、硬度：聚合用水的硬度過高，會影響產(chǎn)品的電絕緣性和熱穩(wěn)定性，而水中陰離子過高，又會影響聚合分散體系的穩(wěn)定性，一般要求硬度不高于10-5，氯根不高于2倍10-5。

2、PH值：PH值影響分散劑的穩(wěn)定性。當(dāng)使用明膠做分散劑時，PH值低對明膠有破壞作用。而PH值過高，會引起PVA體系的醇解，影響分散效果及顆粒形態(tài)。故PH值一般要求在6.5—7.5范圍之內(nèi)。此外，水質(zhì)還會影響粘附，一般聚合工藝用水都應(yīng)經(jīng)過陽離子交換樹脂處理，才能達(dá)到生產(chǎn)的要求。

4.2 水油比：水油比是指投料時水與單體的質(zhì)量比。水作為分散和傳熱介質(zhì)，一般情況下，水油比大對單體的分散和傳熱都有利，反應(yīng)易于控制，但水油比大會影響設(shè)備的利用率，所以生產(chǎn)上盡量采用小的水油比。但水油比過小，聚合體系固含量增加，油珠碰撞幾率增大，嚴(yán)重時會引起爆聚、結(jié)塊等現(xiàn)象。水油比一般控制在1：1—2：1范圍內(nèi)。

4.3 鐵質(zhì)：苯乙烯懸浮聚合，對鐵質(zhì)要求比較嚴(yán)格。無論是軟水、引發(fā)劑、分散劑，還是單體中的鐵質(zhì)，都會對聚合反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。鐵質(zhì)會使聚合反應(yīng)的誘導(dǎo)期延長、反應(yīng)速度減慢、產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性變壞，還會影響顆粒的均勻度，所以設(shè)備及管道應(yīng)采用不銹鋼、搪瓷或涂塑。

4.4 分散劑體系對粒徑及粒徑分布的影響：在一定的水油比和攪拌轉(zhuǎn)速下，分散劑量增加，粒子粒徑變小。反之，粒徑變大。一般是固定有機(jī)分散劑的用量，增加或減少無機(jī)分散劑的用量，這樣可以使體系的保護(hù)能力增強(qiáng)，粒子分布趨于集中，提高目的產(chǎn)品的效率。

5 EPS的制備過程

在立式反應(yīng)釜中，采用懸浮聚合的方法間歇生產(chǎn)，借助機(jī)械攪拌力，使單體成液滴狀分散于水中，主要原料有去離子水、苯乙烯、懸浮劑、分散劑、引發(fā)劑、發(fā)泡劑等，單體和催化劑懸浮于水相中進(jìn)行反應(yīng)。主要原料：

1、純水：去離子水

2、乳化劑：十二烷基苯磺酸鈉

3、懸浮劑：聚乙烯醇、羥乙基纖維素

4、分散劑：磷酸三鈣

5、引發(fā)劑：過氧化二苯甲酰 BPO

過氧化苯甲酸叔丁酯 TBPB

6、增塑劑：磷酸三丁酯等

7、發(fā)泡劑：正戊烷、異戊烷

5.1 下料過程

在洗凈的30m3的立式反應(yīng)釜中注入純水12500千克，注入一半水后，啟動攪拌，加入250克乳化劑十二烷基苯磺酸鈉、懸浮劑66千克、分散劑磷酸鈣8.8千克，加完水后檢測PH值在7.12—8.16之間，酸性太大，對聚合粒子成長不利，堿性太大，反應(yīng)時粒子成長太快，易膠結(jié)。PH值合格后加入純凈的苯乙烯單體12500千克，加到一半后，加40千克BPO，30千克TBPB，加入11.2千克增塑劑磷酸三丁酯。苯乙烯加注完成后，取樣觀察苯乙烯單體分散情況。正常情況下水和油應(yīng)不分層，苯乙烯單體均勻的懸浮于水溶液中。

5.2 升溫過程

開啟升溫程序，反應(yīng)釜盤管中進(jìn)入蒸汽，反應(yīng)釜中物料被加熱到85℃時，停止蒸汽。溫度達(dá)到88℃時，通入冷卻水，建立反應(yīng)釜冷卻系統(tǒng)，并計(jì)時開始。最后控制溫度在89—90℃。

5.3 低溫反應(yīng)

升溫至88℃時，記錄反應(yīng)時間，反應(yīng)1小時時，加入125克亞硫酸氫鈉，此時開始反應(yīng)粒子開始長大，反應(yīng)到2.5小時進(jìn)入到危險期，粒子漲勢明顯，必須時常取樣觀察粒子成長情況，并分次加入TCP或CaCa3來控制粒子成長。將粒子控制在所需的粒徑范圍內(nèi)，4小時時聚合反應(yīng)結(jié)束，粒子成形變硬，可以開始灌氣。

5.4 灌氣過程

加入TCP12千克，乳化劑60克，密封人孔及手孔。用屏蔽泵將1000千克戊烷壓入反應(yīng)釜內(nèi)，灌氣完成1小時，溫度在102—106℃，壓力在0.6MPa左右。此時將溫度在1小時內(nèi)提升到118—122℃，再恒溫4小時，反應(yīng)完畢。

5.5 出料過程

通入冷卻水將溫度降至50℃以下，然后用壓縮空氣將反應(yīng)釜內(nèi)的粒子壓到洗滌槽內(nèi)，加10升鹽酸及300毫升消泡劑，測洗滌水PH值在4—5之間。然后經(jīng)篩分機(jī)篩分、離心機(jī)分離、噴灑防靜電劑、干燥機(jī)干燥后，送篩析車間。

5.6 篩析包裝

送來的粒子再噴灑外部潤滑劑，防止粘結(jié)，保持表面光滑、明亮，經(jīng)過分篩機(jī)自動分篩得到不同規(guī)格粒徑的粒子、磅秤自動稱重包裝即可。

6 討論

6.1 如果剛開始下完料后發(fā)現(xiàn)溶液相態(tài)轉(zhuǎn)相不好，可以慢慢加熱到60℃時停止加熱，同時加入少量磷酸鈣使其分散，停止攪拌3—5分鐘，重新啟動，如此反復(fù)幾次可使其轉(zhuǎn)相好轉(zhuǎn)后，再升溫至低溫反應(yīng)階段，若轉(zhuǎn)相不好進(jìn)行低溫反應(yīng)則容易膠結(jié)，導(dǎo)致反應(yīng)失敗。

6.2 引發(fā)劑用量：BPO為低溫引發(fā)劑，在60℃開始分解；TBPB為高溫引發(fā)劑，118℃開始分解；反應(yīng)釜內(nèi)的溫度不斷升高，引發(fā)劑分別發(fā)生作用，影響著分子量的大小。提高引發(fā)劑的用量，分子量減小，減少引發(fā)劑的用量，分子量就增加，一般分子量控制在51000—55000。

6.3 游離單體的控制：成品的游離單體控制在0.5%，在低溫反應(yīng)結(jié)束時，游離單體大約為28—30%，靠高溫階段時間的長短來調(diào)節(jié)。

6.4 粒徑的控制：粒徑根據(jù)客戶的需求而定，一般控制在0.8—1.0mm。磷酸三鈣壓制粒子用控制粒子長大而碳酸鈣助長劑可使粒子長大。加入碳酸鈣后，PH有所增大，磷酸三鈣就減少，懸浮顆粒就容易增大，堿性偏大后，粒子太大，容易膠結(jié)，這時候有需要加入分散劑磷酸三鈣來控制。所以根據(jù)體系的不同選擇抑制劑或是助長劑，通過時常取樣觀察憑經(jīng)驗(yàn)來掌握，從而得到需求的粒度。

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