第四章 材料改性技术

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采用经典齐格勒-纳塔型引发剂合成的共聚物中乙烯 链段太长,极易结晶,故不是弹性体。后来采用了Al-V 引发剂,才真正有效地合成了乙烯-丙烯共聚的高分子弹 性体。
应用:橡胶制品,如车窗密封条、水暖系统软管、电线电缆
的保护套和绝缘材料、耐热物料输送带、耐化学腐蚀
的工业制品。
丁苯橡胶
1、低温乳液丁苯橡胶(自由基) 丁二烯和苯乙烯可按任一比例共聚,但所得丁苯共聚
应用:
(1)抗湿滑性能好,对路面的抓着力大,具有一定 的耐磨性。主要用于轮胎工业,也用于胶管、胶带、 胶鞋等橡胶制品。
(2)高苯乙烯丁苯橡胶适于制造高硬度、质轻制品, 如硬质泡沫鞋底、硬质胶管、棒球、铺地材料。
苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)
最简单形式的透明的苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)是通过苯乙烯单体与少量的马来酸酐单体反应制 得的。马来酸酐单体无规地接到PS主链上,增加了 玻璃化转变和热变形温度。一般苯乙烯-马来酸酐共 聚物产品的热变形温度都超过260°F。在注塑成型 时,即使温度超过550°F时,这种聚合物的性能仍 然相当稳定。
链终止速率 R t11 R t12 R t22
竞聚率:同一种链自由基均聚和共聚增长速率常数之比
r1 = k11 / k12 ; r2 = k22 / k21
d [M1] d [M2]
=
[M1] r1 [M1] + [M2]

[M2] [M1] + r2 [M2]
共聚物组成方程
1.共聚中两种链活性中心对两种单体的反应活性各不相同,在共聚合时共 聚物的组成与单体配料组成往往相差甚大;
聚合物的接枝改性,已经成为扩大聚合物应用领域、 改善高分子材料性能的一种简单而又有效的方法。
接枝共聚反应首先要形成活性接枝点,然后在接枝点 上开始进行共聚。
(1)支链(侧基)形成自由基 自由基与聚合物支链上的乙烯基作用引发、增长生
成接枝共聚物。
(2)与主链上的功能基团反应 自由基与主链上的双键作用
乙丙橡胶
乙丙橡胶内聚能密度低,无庞大的侧基阻碍分子链运 动,因而在较宽的温度范围内保存分子链的柔性和弹性。
典型的高弹性和综合性能好的二元、三元乙丙橡胶 中,乙烯含量为45%~70%(mol),在乙烯链段的长度(CH2-CH2)n-中,n>8时会发生乙烯链段结晶,就会破坏 共聚物的高弹性能。所以乙丙橡胶合成时,控制共聚物 组成及组成分布等结构因素十分重要。
(3)链转移反应
自由基与烯丙基位置上的H原子发生链转移反应生 成含有双键的接枝共聚物
接枝共聚反应的产物缺点:含有单体生成的均聚 物,未反应的原有聚合物,以及不同结构的接枝共聚 物,还可能含有凝胶物。
为克服以上缺点,发展了几种合成方法:
1、主链上选择性的产生引发点; 2、将预先合成的聚合物链接枝到聚合物主链上; 3、将单体接枝到聚合物主链以生成“梳形”接枝共 聚物等。
第四章 材料改性技 术
高分子材料的改性技术
一般来说,对高分子材料进行改性比合成一种新的 聚合物并使之工业化容易。这些改性工作在一般的塑料 与橡胶加工厂就能进行,容易见效,常能解决工业生产 中不少具体问题。因此,高分子材料改性越来越受到工 业界的普遍重视。高分子材料改性使材料的性能大幅度 提高,或者被赋予新的功能,进一步拓宽了高分子材料 的应用领域,大大提高了高聚物的工业应用价值。
2.反应过程中活性大的单体消耗得快,随反应的进行,体系中单体组成也 在不断地变化,这样在不同反应阶段形成的共聚物的共聚组成也为一个变 值,即在每一瞬间形成的共聚物的瞬时组成是各不相同的,当然整个共聚 物的共聚组成也是不均匀的。
由于两单体的活性与竞聚率的差异,共聚物 组成通常随转化率而变化, 随转化率的提高,共 聚物组成在不断改变,所得共聚物是组成不均一 的混合物。
另一类是低顺酐含量(5-25%)、高分子量(1020万)的特聚物(R-SMA),用作热塑性塑料.经注 塑或挤塑成型为制品。
(二)交替共聚物( r1 = r2 = 0 )
二氧化硫不能发生均聚反应,但可与苯乙烯、丙烯、 α-丁烯、丁二烯、二甲基二烯丙基氯化铵、对-烯丁基吡 啶盐酸盐等单体经自由基聚合反应合成1:1交替共聚物。
主单体 乙烯
典型共聚物
第二单体
改进的性能及主要用途
醋酸乙烯酯
增加柔性,软塑料;可供作聚氯乙烯共混料
乙烯 异丁烯 丁二烯 丁二烯 苯乙烯 氯乙烯 四氟乙烯
甲基丙烯酸甲酯
丙烯 异戊二烯
苯乙烯 丙烯腈 丁二烯 醋酸乙烯酯 全氟丙烯
苯乙烯
破坏结晶性,增加柔性和弹性;乙丙橡胶 引入双键,供交联用;丁基橡胶 增加强度;通用橡胶 增加耐油性;丁腈橡胶 提高抗冲强度;增韧塑料 增加塑性和溶解性能;塑料和涂料 破坏结构规整性,增加柔性;特种橡胶
生产工艺
1 共混型 2 接枝型
本体法 乳液法 两种聚合方法结合
1、机械共混法
机械共混法生产ABS在国外称B型树脂,通常采用低温乳 液共聚方法制备丙烯腈含量约20%(质量百分数)的丁腈白胶乳, 之后制备丙烯睛含量为20%-30%AS树脂乳液,然后采用适当 比例将两种乳液共混、凝聚、分离、水洗、过滤、干燥和挤出 造粒,即可制得ABS树脂。也可采用上述丁腈胶乳和AS树脂 乳液凝聚分离出丁腈胶和AS树脂,然后加必要的配合剂,在 混炼机上熔融混炼制取ABS树脂。
~M1• + M1
~M1•
ห้องสมุดไป่ตู้
~M1• + M2 ~M2• + M1
k12 k21
~M2• ~M1•
~M2• + M2 k22 ~M2•
链终止
~M1• + • M1~
P
~M1• + • M2~ k t12 P
~M2• + • M2~ k t22 P
链增长速率
R11= k11[M1•] [M1] R12= k12[M1•] [M2] R21= k21[M2•] [M1] R22= k22[M2•] [M2]
丁二烯-苯乙烯无规共聚物(丁苯橡胶)、氯乙烯-醋酸 乙烯共聚物
(2)交替共聚物 A、B单元轮番交替排列,即严格相间 ~~ABABABAB~~
苯乙烯-马来酸酐 (3)嵌段共聚物
共聚物分子链是由较长的A链段和另一较长的B 链段构成
~~AAAAAA~~BBBBBBB~~AAAAAA~~
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯
(1)在非极性的烃类溶剂中(不加“溶剂”的单体自身或苯 等), 丁二烯极易聚合,而苯乙烯很难共聚。所以在共聚反 应初期.几乎全是丁二烯在聚合,当丁二烯消耗殆尽时,苯 乙烯才开始聚合,这种情况下得到的共聚物显然是嵌段型共 聚物。 (2)在极性溶剂(乙醚及三乙胺)中,苯乙烯的活性有所提高, r1、r2值与自由基共聚合时的相近(自由基共聚时相应的r1= 1.35,r2=0.38)。 (3)在极性的四氢呋喃中,因这种溶剂具有很强 的溶剂化 能力,使苯乙烯的活性远大于丁二烯;共聚时苯乙烯反而先 行聚合。
ABS树脂是—个两相体系,连续相为丙烯腈 和苯乙烯的共聚物AS树脂,分散相为接枝橡胶。 由于ABS具有多元组成,因而它综合了多方面的 优点。
控制A、B、S的比例可以调节其性能,以适 应各种应用的需要。如可用于航空、汽车、机械 制造、电气、仪表以及作输油管等。
目前生产的ABS树脂中单体含量一般为:丙 烯腈20~40%,丁二烯10~30%,苯乙烯30~60%。
改善流动性能和加工性能;塑料
丙烯腈 马来酸酐
衣康酸
改善柔软性和染色性能;合成纤维
醋酸乙烯酯或苯乙烯 改进聚合性能;用作分散剂和织物处理剂
共聚物的类型 对于二元共聚,按照两种结构单元在大分子链
中的排列方式不同,共聚物分为四种类型: (1)无规共聚物
两种单元A、B在高分子链上的排列是无规的
A+B ~ABAABABBBAA~
1.主链上选择性的产生引发点
如果乙烯基单体向沿主链含有羟基的聚合物接枝, 如纤维素及其衍生物、淀粉、聚乙烯醇等接枝,则可用 金属离子如Co3+、Ce4+、Mn3+、V5+和Fe3+等氧化羟基 使之产生自由基从而进行接枝,例如:
2.将预先合成的聚合物与被接枝的聚合物主链进行偶合 反应以生成一定结构的接枝共聚 物。此方法是在聚合 物主链上引进适当的反应活性基团,再与用于接枝的聚 合物活性端基反应而得接枝共聚物,此法适合于阴离子 聚合反应产物。
应用:由苯乙烯和顺丁烯二酸酐(简称顺酐)组成的 共聚合物可分为两大类:
一类是高顺酐含量(25-50%)、低分子量(0.1-10 万)的衍生物(A-SMA),广泛用于精细化工产品中, 如充当悬浮分散剂、颜料分散剂、乳化剂、纸张施胶 剂、印刷油墨连接剂、粘结剂、增稠剂、感光剂、皮 革复鞣剂、织物整理助染剂和石 油降粘降凝剂等。
橡胶粒子引发银纹示意图
ABS中两相结构示意图 其中白粒子为橡胶相
应力作用下橡胶粒子变形,造成应力 集中,引发银纹
ABS中橡胶粒子引发银纹的电镜照片, 其中黑粒子为橡胶相
ABS是树脂相(AS)、橡胶相(PS)的两相不均匀聚合 物。
树脂相的组成、橡胶相 的组成及比例、橡胶与 树脂界面的相容性以及 接枝率等因素都会影响 树脂的性能。
3.单体与与聚合物合成梳形接枝共聚物。
接枝共聚举例: 改性絮凝剂:
淀粉:
Ce4+
St
St
St + n H2C CH X
X为 阳 离 子 基 团
St CH2 CH Xn
淀粉、壳聚糖、纤维素、木质素等都可以用此法改性。
ABS树脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene ) 丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三种成分组成的一类耐冲
二甲基二烯丙基氯化铵生成的交替共聚物为聚电解 质,工业上用作废水处理用絮凝剂。
(三)接枝共聚物
接枝共聚是高分子化学改性的主要方法之一。所谓 接枝共聚是指在大分子链上通过化学键结合适当的支链 或功能性侧基的反应,所形成的产物称作接枝共聚物。
接枝共聚物的性能取决于主链和支链的组成、结构、 长度以及支链数。通过共聚,可以将两种性质不同的聚 合物接在一起,形成性能特殊的接枝物。例如具有酸性 和碱性的共聚物、亲水和亲油共聚物、两互不相容聚合 物共聚等等。
例如:硫化橡胶的发现
一、共聚改性
共聚指的是将两种或多种化合物在一定的条件下聚 合成一种物质的反应。
共聚是改进聚合物性能和用途的重要途径
共聚反应可以改善聚合物的诸多性能;其性能改变 的程度取决于参加共聚的两种单体的种类、用量以及结 构单元的排列方式。
扩大了单体的应用范围
如顺丁烯二酸酐难以均聚,却易与苯乙烯共聚。
物的Tg则随苯乙烯含量增加而线性上升。大量生产的普通 型丁苯橡胶,含苯乙烯23.5%, Tg为-57~-52℃。当苯乙烯 含量高达70%时, Tg为18℃,它的硬度高、耐磨、耐酸碱, 但弹性下降。苯乙烯含量为10%时, Tg为-75℃,其性能与 高苯乙烯含量的相反,而耐寒性却提高很多。
2.溶液聚合丁苯橡胶(阴离子共聚反应)
(4)接枝共聚物 共聚物主链由单元A组成,而支链则由单元B组成
BBBB~~ ~~AAAAAA~~~~AAAA~~~AAAAAA~~~~
BBBBB~~
丁二烯-苯乙烯接枝共聚物
(一)无规共聚物
链引发
R • + M1 ki1 R • + M2 ki2
RM1 • RM2 •
链引发速率
Ri1 Ri2
链增长
AS组分:良好加工流动性,表面光泽度;优异的耐有 机溶剂性以及易于着色,提高耐热性、耐化学性和加工 性能,但抗冲击韧性下降。
橡胶相PB组分:提高弹性和抗冲击性,但耐热性、刚 性不足。
ABS树脂综合了各组分的优点。
橡胶粒子能提高脆性塑料的韧性,是因为橡胶粒 子分散在基体中,形变时成为应力集中体,引发大量 银纹(应力发白),吸收大量变形能,使材料韧性提 高。
转化率对共聚物组成的影响,实质是原料单 体组成发生变化所造成的。
聚丙烯(PP)
聚丙烯虽然有许多优异性能,但也有明显缺陷,如 低温脆性大、热变形温度低、收缩率大、壁厚制品易产 生缺陷等。
无规共聚物
乙烯2% — 6% (质量),阻碍了聚合物的结晶,使其性 能发生变化。
较好的光学透明性、柔顺性、较低的熔融温度(可降 低热封合温度)、高抗冲击性(低于0度仍具有良好的冲 击强度)。
击性热塑性树脂的总称,是用途极为广泛的一种工程塑料。
ABS树脂兼具三种组分的共同性能,成为具有“坚韧、质 硬、刚性”的材料。丙烯腈能使聚合物耐化学腐蚀,且有一定 的表面强度;丁二烯使聚合物呈现橡胶状韧性;苯乙烯使聚合 物呈现热塑性塑料的加工特性,即较好的流动性。
ABS树脂较PS具有耐热、抗冲击强度高、表面硬度高、尺 寸稳定、耐化学药品性及电性能良好等特点。
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