热塑性弹性体(SBS)的合成、改性和应用课件1.ppt
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- 塑性 弹性体 SBS 合成 改性 应用 课件
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1、热塑性弹性体(热塑性弹性体(SBS)的合成、)的合成、改性和应用改性和应用 苯乙烯一丁二烯一苯乙烯(SBS)三嵌段聚合物是目前世界上产量 最大的热塑性弹性体之一,常温下具有橡胶的弹性,高温下熔融成可塑性的材料。因其具有优良的拉伸性能、良好的耐低温性、透气性、溶解性 及独特的抗滑性 而被大量应用于制鞋、塑料改性、沥青改性等领域。由于SBS极性小和耐油性较差,使其运用受到限制。通过官能化可以在SBS链上引入极性基团,极大地提高了SBS的耐热,耐氧化,粘接性能及吸水性能。通常SBS的合成 采用阴离子聚合三步加料的方法,以传统的BuLi为引发剂,醇为终止剂。它作为一种新型高分子材料,已经历了三代的开发
2、。第一代SBS是以1963年美国Phillips公司推出偶联法线型丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物为起点,接着Shell公司于1965年采用阴离子聚合技术以三步加料法生产商品名为Kraton的同类产品。随后,英国、日本、前西德 均采用此技术生产。1967年,荷兰Phillips公司 又推出了星形SBS,其门尼粘度和拉伸强度比线型SBS高,适用于温度和负荷较高的场合。第二代SBS 是在20世纪70年代为了改进线型 和星形SBS的耐热氧老化性 和耐候性 而开发的氢化SBS(SEBS)。1980年以后,又开发了第三代即反应性SEBS,它是在SEBS上引进极性官能团,从而赋予其与各种工程塑料 良好的相容性和对
3、金属的粘接性。国内SBS的研究始于70年代中期,目前已有燕山石化、巴陵石化 和茂名石化 等几套万吨装置投入工业化生产。但是SBS产品的品种和规格 难以满足不同用途的需要。高附加值的新牌号SBS 已成为国内厂家的竞争点。2 SBS的合成、改性与表征 2.1 SBS的合成方法 烷基锂引发聚合是制备有明确结构的苯乙烯及共轭二烯烃聚合物的最常用方法。所得聚合物具有以下特征:(i)通过单体与引发剂的化学计量比可以设计聚合物的数均分子量;ii)如果引发速率比增长速率大得多,则聚合物分子量分布窄(Mw/Mn1.1);111)在活性种末端依次加入不同的单体可获得嵌段聚合物;IV)用适当的亲电试剂进行终止可获得
4、末端官能化聚合物;(V)用多官能化偶联剂与活性种反应可以获得星形支化聚合物;(V1)在不同极性调节剂作用下,可设计高分子不同微观结构和集合结构,从而控制聚合物的性能。SBS其合成方法可归纳如下:(1)线性SBS反应体系 单体 SBS的反应单体是苯乙烯(St)和丁二烯(Bd),实验中各种单体均须精制以消除 其中水和二氧化碳等杂质;单体浓度不宜过高,因为浓度过高产生散热不均,导致副反应的发生和活性中心的失活,一般控制单体浓度在10%15%之间。引发剂 SBS一般采用烷基锂为引发剂,除实验室进行一些双锂和复合引发剂外,工业生产上的引发剂主要是n-BuLi和s-BuLi。虽然s-BuLi的活性比n-B
5、uLi高约60倍,但其缺点是不易贮存,应用不如n-BuLi广泛。引发剂 n-BuLi存在较强的缔合现象,易导致分子量分布加宽,一般需加入极性添加剂来加快反应速度。添加剂 极性添加剂的种类很多,有醚类,如1G、2G和THF等;有胺类,如Et3N和TMEDA;有烷基金属化合物,如叔丁氧基钾(KOBu),叔戊氧基钾(KOAm)等;还有复合添加剂。添加剂 在醚类添加剂中,不对称醚,如BEE(乙二醇乙基叔丁基醚),BME(乙二醇甲基叔丁基醚)等,它与对称醚相比具有单体转化率很高和偶联效率高的优点,但此类添加剂仅限于实验室研究阶段。在生产中使用THF等添加剂,由于活性种在非极性溶剂中以缔合形态存在,随着T
6、HF的增加,平衡向右移动,缔合体逐渐减少,形成单量体,一络合体,二络合体等,反应如下:THF为给电子试剂,它的含量的增加削弱了活性种正离子Li十与C之间的键能,使单量体增加,单体更易发生插入反应,加快反应速度,同时它还影响到丁二烯嵌段中1.2一结构的含量。因此,它的加入量不大,一般控制在THF/n-BuLi为0.52.0之间。溶剂 SBS聚合的溶剂采用非极性溶剂,环烷烃和芳香烃,如己烷,庚烷,辛烷,环己烷,苯,甲苯等。在实验中采用混合环己烷为溶剂(正己烷的含量为16%),因为我国北方天气寒冷,而环己烷的凝固点为4,为防止环己烷凝固加入低凝固点的正己烷。(2)线性SBS反应机理 三步法反应机理
7、根据共聚合原理,St与Bd聚合时KBBKss,即第三步反应时PSB-Li+活性中心 不易与St单体反应,再加上第二部反应结束时,溶液的粘度较高,实际操作中为提高反应速度,使St与PSB-Li+充分接触,通常需延长第三步的反应时间或提高搅拌速度。聚合机理如下:两步法两步法(竟聚率法竟聚率法)反应机理反应机理 根据阴离子聚合原理,根据阴离子聚合原理,当单体当单体St(M1)和和Bd(M2)发生共聚反应时,发生共聚反应时,r1=KSS/KSB=0.088-0.41,r2=KBB/KBS=4.5,也即,也即KBB KBS。因此丁二烯单体与苯乙烯活性中心因此丁二烯单体与苯乙烯活性中心 的反应速率较苯乙烯
8、单体与苯乙烯活性种的反应速率较苯乙烯单体与苯乙烯活性种反应快。反应快。而形成的丁二烯活性种而形成的丁二烯活性种 又不易与苯乙烯单体反应,又不易与苯乙烯单体反应,一般地,当丁二烯嵌段聚合结束后才能引一般地,当丁二烯嵌段聚合结束后才能引发苯乙烯单体聚合。发苯乙烯单体聚合。所以,操作中第一段反应结束后可将苯乙所以,操作中第一段反应结束后可将苯乙烯和丁二烯混合溶液同时加入。烯和丁二烯混合溶液同时加入。偶联法反应机理偶联法反应机理 偶联法是在得到双嵌段中心后偶联法是在得到双嵌段中心后 再加入偶联剂得再加入偶联剂得SBS产物,产物,线形线形SBS多采用双官能团偶联剂多采用双官能团偶联剂(X-R-X)一般为
9、二卤化物,一般为二卤化物,例如例如:二氯甲烷,二溴甲烷,二氯乙烷,二二氯甲烷,二溴甲烷,二氯乙烷,二溴乙烷,二氯二甲基硅烷等,溴乙烷,二氯二甲基硅烷等,偶联剂的用量在引发剂用量的一半。偶联剂的用量在引发剂用量的一半。双官能团引发剂引发双官能团引发剂引发SBS的机理的机理 同种结构的双锂引发剂活性同种结构的双锂引发剂活性 低于单锂引发剂,低于单锂引发剂,这主要是因为引发剂的端基碳负离子的离这主要是因为引发剂的端基碳负离子的离域作用域作用(离域导致负电荷下降离域导致负电荷下降),故可在聚合初期适当升温故可在聚合初期适当升温 和第二步加料时加入催化剂和第二步加料时加入催化剂 来提高反应速度。来提高反
10、应速度。采用双锂引发剂的优点采用双锂引发剂的优点 是较三步加料法少加一次单体,是较三步加料法少加一次单体,减少一次引入杂质的机会,减少一次引入杂质的机会,另外还使对物理性能影响较大的另外还使对物理性能影响较大的PSB嵌段嵌段的生成机会减少。的生成机会减少。它的突出缺点是合成复杂、稳定性差、成它的突出缺点是合成复杂、稳定性差、成本高,工业化存在困难。本高,工业化存在困难。2.2 SBS的极性化改性的极性化改性 由于由于SBS极性小、极性小、耐油性和溶解性较差,耐油性和溶解性较差,使其运用受到限制。使其运用受到限制。通过官能化可以在通过官能化可以在SBS链上引入极性基团,链上引入极性基团,极大地提
11、高了极大地提高了SBS的的 耐热,耐热,耐氧化,耐氧化,粘接性能粘接性能 及吸水性能。及吸水性能。大部分改性产品可用于胶粘剂、大部分改性产品可用于胶粘剂、聚合物共混增容剂聚合物共混增容剂 及沥青改性提高其与沥青的相容性。及沥青改性提高其与沥青的相容性。官能化官能化SBS的合成方法主要分为两类的合成方法主要分为两类:化学改性法和阴离子原位聚合法。化学改性法和阴离子原位聚合法。目前,目前,国内外研究较多的为国内外研究较多的为化学改性官能化法,化学改性官能化法,其优点是操作易行,其优点是操作易行,但由于是高分子化学反应,但由于是高分子化学反应,故反应转化率较低。故反应转化率较低。而阴离子原位聚合法而
12、阴离子原位聚合法 目前国内外研究较少,目前国内外研究较少,主要原因是主要原因是SBS阴离子聚合工艺条件苛刻阴离子聚合工艺条件苛刻引入极性基团若条件控制引入极性基团若条件控制 不当极易发生链终止或链转移反应。不当极易发生链终止或链转移反应。但其优点是可原位一次性但其优点是可原位一次性 合成带有极性基团合成带有极性基团SBS,产物官能化产率高,产物官能化产率高,故发展潜力很大。故发展潜力很大。(1)大分子化学改性法大分子化学改性法 SBS接枝反应接枝反应SBS接枝可采用低分子化合物如马接枝可采用低分子化合物如马来酸酥等,来酸酥等,用有机单体如丙烯酸在过氧化物引用有机单体如丙烯酸在过氧化物引发剂存在
13、下进行接枝反应,发剂存在下进行接枝反应,在在SBS链上接枝极性的高分子链段,链上接枝极性的高分子链段,也可在一元接枝的基础上进行二元、也可在一元接枝的基础上进行二元、三元、乃至四元接枝反应。三元、乃至四元接枝反应。张爱民等人用示差扫描仪研究了SBS,SBS-g-MAH改性沥青的储存稳定性研究表明,由于SBS-g-MAH的极性比SBS高,与沥青之间能形成一种更稳定的、均匀的、分相而不分离的织态结构,从而能有效改善沥青的热储存稳定性。2、SBS的环氧化的环氧化赵龙、余丰年等人赵龙、余丰年等人对对SBS进行环氧化以改进其耐油进行环氧化以改进其耐油性和粘着性。性和粘着性。以过氧化氢和低级脂肪酸或酸酐以
14、过氧化氢和低级脂肪酸或酸酐生成的过氧酸作氧化剂,生成的过氧酸作氧化剂,发现溶剂对环氧化反应的递减顺发现溶剂对环氧化反应的递减顺序为序为:甲苯、甲苯甲苯、甲苯/环己烷、环己烷。环己烷、环己烷。其他改性技术其他改性技术在在SBS的两端,的两端,苯乙烯的芳环上可以进行磺化、苯乙烯的芳环上可以进行磺化、氯磺化及氯甲基化的一系列的反应,氯磺化及氯甲基化的一系列的反应,得到产物具有吸水性,得到产物具有吸水性,可用于离子交换树脂及净化水的膜。可用于离子交换树脂及净化水的膜。复旦大学江明等人复旦大学江明等人采用乙酸磺酸酰酯将氢化采用乙酸磺酸酰酯将氢化SBS磺化磺化并分别以各种醋酸盐中和并分别以各种醋酸盐中和制
15、备了一系列制备了一系列SBS嵌段离聚物。嵌段离聚物。这类经化学改性引入少量离子基团的这类经化学改性引入少量离子基团的SBS在水相中能生成尺寸均一的在水相中能生成尺寸均一的不含表面活性剂的憎水微球,不含表面活性剂的憎水微球,有望在药物缓释和胶体科学中得到应用。有望在药物缓释和胶体科学中得到应用。(2)阴离子原位聚合法阴离子原位聚合法 采用阴离子原位聚合使丁苯嵌段共聚物采用阴离子原位聚合使丁苯嵌段共聚物端基改性一直都是端基改性一直都是SBS改性的热点之一,改性的热点之一,由于这种改性方法是在聚合过程中直接生由于这种改性方法是在聚合过程中直接生成的,成的,故具有很强的使用价值和研究意义。故具有很强的
16、使用价值和研究意义。近年来在聚合物物理改性及功能材料需求近年来在聚合物物理改性及功能材料需求的推动下,的推动下,端基官能化丁苯嵌段共聚物的合成技术端基官能化丁苯嵌段共聚物的合成技术也取得了不小进展,也取得了不小进展,以下分别根据不同课题组的研究成果进行以下分别根据不同课题组的研究成果进行阐述。阐述。研究了双锂引发剂制备聚甲基丙烯酸烷基酯一苯乙烯一丁二烯一苯乙烯一甲基丙烯酸烷基酯五嵌段聚合物,与传统SBS相比,由于SBS链端引入了PMMA段使得五嵌段聚合物的玻璃化温度由65上升至150,提高了SBS的耐高温性能;而采用环状酸酐封端的苯乙烯一异戊二烯两嵌段聚合物在与尼龙熔融共混时能发生原位化学反应
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