聚合物多元醇合成与应用-韩怀强

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[!, !$] 目前还没有其它引发剂可完全取代它 。
。控制停留时间可控制 ()(
中乙烯基聚合物的特性粘度和交联度。连续工艺的 停留时间范围最好是 *’ # !$’ +,-, 间歇工艺的停留 时间最好控制在 . / 左右。因为停留时间延长将导 致产品粘度增加 ! !0"
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合成聚合物多元醇的原料体系 基础聚醚 研究 表 明, 聚 醚 分 子 中 的— 12$ — Hale Waihona Puke Baidu2$ —)—链
[:, !’] 的高相对分子质量聚醚 。
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链转移剂 在 ()( 的合成中, 一般要用适量的链转移剂,
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单体 早期以丙烯腈为单一乙烯基单体聚合生产的
其作用就是在聚合物多元醇分散体系形成期间, 使 高分子活性链发生链转移, 生成新的活性中心。该 中心又引起新链的增长, 这样就改变了乙烯基聚合 物的结构, 控制乙烯基聚合物的相对分子质量, 避免 交联现象的发生, 提高乙烯基聚合物在基础聚醚中 的溶解性, 从而可显著地改善 ()( 体系的分散稳定 [7, !.] 性, 达到提高 ()( 综合性能的目的 。链转移剂 品种包括酮、 醇、 醛、 卤代化合物、 苯及其衍生物等, 水、 环己烷等也能接受自由基, 产生链转移作用。常 用链转移剂包括: 异丙醇、 异丁醇等烷基醇, 十二烷 基硫醇, 卤代烃等。链转移剂的品种及用量依据单 体种类及单体混合物中单体的摩尔比而定。链转移 剂的用量还决定乙烯基聚合物的玻璃化温度。 目前工业上生产 ()( 常用的链转移剂是十二
[%] 拓展了聚氨酯制品的应用范围 。
聚合物多元醇是乙烯基单体在基础聚醚中聚合 所形成的分散液, 它含有三种聚合物: ( %) 未改性聚 醚多元醇 (基础聚醚) (#) ; 乙烯基混合单体的共聚物 与均聚物; (!) 乙烯基共聚物接枝聚醚多元醇。聚合 物接枝聚醚是聚合物多元醇中的重要组成部分, 它 改善了分散体系中固液相间的相容性, 阻碍了聚合 物颗粒本身的凝聚和粘附作用, 保证了分散相微粒 的规整性和均一性, 使产品粒度和体系粘度变小, 起 稳定作用 。 聚合物多元醇最早是由美国联合碳化物公司
#""% 年第 %( 卷第 . 期 #""% @ ABC@ %( 5B@ .
聚 氨 酯 工 业 )*3D+?EF=G5E 254+HF?D
・%・
・ 专题综述 ・
聚合物多元醇合成与应用
韩怀强 (中国石油化工股份有限公司天津分公司研究院 !""#$%) 摘 的发展历史、 合成反应原 要:简要的论述了聚合物多元醇 (苯乙烯&丙烯腈共聚物接枝聚醚)
[3, 4] 性 。在制备固含量相同的聚合物多元醇时, 间
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歇反应滴加的混合料中乙烯基单体浓度比连续反应 的高; 随着反应进行, 釜内反应物料逐渐增加, 如果 不随时调整滴加速度, 釜内反应混合物中的乙烯基 单体浓度总在变化; 间歇反应停留时间 (物料反应完 毕所需时间) 长。因此, 该工艺不利于生产低粘度、 高固含量产品。 综上所述, 间歇工艺的工艺条件比连续工艺难 控制。但是, 无论是间歇工艺还是连续工艺, 保持釜 内反应混合物中低的乙烯基单体浓度, 可通过调整 自由基聚合引发剂用量、 反应温度、 混合条件和搅拌 情况等来实现。 氩气等惰性气氛下, 要维 ()( 的制备要在氮气、 持正压, 这样可限制反应混合物中乙烯基单体的挥 发, 有利于接枝共聚物、 非接枝共聚物的生成和聚合
[’] 稳定, 不发生相分离 。
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聚合物多元醇合成工艺 聚合物多元醇的合成主要有间歇和连续两种工
艺。工艺流程见图 ’、 图 $。
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间歇法生产工艺流程图
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连续法生产工艺流程图
间歇工艺是将部分基础聚醚与乙烯基单体、 引 发剂、 链转移剂等混合物料缓慢滴加到有分散剂和 部分基础聚醚混合物的搅拌着的反应器中。由于间 歇工艺中大部分聚合物微粒是在反应的早期状态产 生的, 进一步聚合有利于现有微粒粒径的增大, 生产 出的 ()( 中微粒粒径通常分布窄。有时在间歇工 艺中采用连续工艺制备的质量分数小于 *+, 的接 枝多元醇产品为 “晶种” , 生产粒径分布宽、 乙烯基聚 合物质量分数大于 *+, 的 ()(。 连续工艺是将所有原料混匀后连续加入反应器 中。由于连续工艺中存在粒子的增大和新粒子的形 成及粒子在反应器中连续出料、 反混, 一般生产出粒

聚氨酯工业
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第 ’3 卷
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在聚合物多元醇的合成中, 除了上述接枝反应 外, 还存在丙烯腈、 苯乙烯的共聚和均聚反应。因 此, 只有选择最佳工艺条件, 在一定比例的接枝体存 在下, 才能控制好分散聚合物的粒度, 从而确保体系
尽管改进了泡沫制品的承载性和拉伸强 ()( 产品, 度, 但存在如下缺点: (!)由于丙烯腈聚合超过三个 链节, 就形成一个发色基序列长度, 它通过内环化反 应产生了含发色的共轭聚亚胺结构的 “梯形” 聚合 物, 该聚合物吸收可见光, 使产品颜色发黄, 同时导 致了产品粘度的增大, 限制了接枝量的提高; ($)该 产品热稳定性差, 用它生产大体积的块状泡沫及低 密度水发泡泡沫时, 易产生焦芯现象; ( *) 制品有臭 味, 不适于制作床垫及室内装饰用具。
[5, 1] 物粒径控制, 改善产品的过滤性 。反应温度是
由制备 ()( 所用引发剂的半衰期以及用该 ()( 制 备的制品对 ()( 中乙烯基聚合物的玻璃化温度的 要求所决定的。最好是在反应温度下, 引发剂半衰 期小于 3 /67, 尤以 $ 2 * /67 更佳。随着聚合反应温 度升高, 引发剂半衰期缩短, 引发速率加快, 不同单 体的反应活性增加, 乙烯基单体较多地形成均聚物, 参与共聚接枝的单体减少, 最终导致产品粘度增大。 同时聚合物的特性粘度也减小, 甚至会使反应体系
( 12* ) —)—链 节 具 有 更 高 的 接 枝 节较— 12$ — 12 效果, 因此一般要求基础聚醚是环氧乙烷与环氧丙 烷的共聚物, 环氧乙烷质量分数最好低于 $’3 。根 据聚氨酯产品的最终用途, 制备 ()( 的基础聚醚可 以是单一聚醚, 也可以混合聚醚。 基础聚醚的官能度可以是 $、 * 或更高。基础聚 醚的羟值, 对于半硬泡, 一般为 "’ # !"’ +45)2 6 4; 对于软质模塑泡沫为 $’ # .’ +45)2 6 4, 对于软质块 泡为 $" # 7’ +45)2 6 4, 对于弹性体一般为 $’ # "’ 其基础 +45)2 6 4。用于模塑或高回弹块泡的 ()(, 聚醚最好用 83 # $’3 (质量分数) 环氧乙烷封端的 聚氧化丙烯三醇; 用于传统块泡的 ()(, 其基础聚醚 最好是用 9) 和 () 质量比 !" 6 8" 的无规共聚聚醚 三醇; 用于弹性体的 ()(, 其基础聚醚可用反应性高
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苯乙烯&丙烯腈质量比与聚合物多元醇物性关系
粘度#)1 6)7 ・ 8 !’#"" %-’"" #%"" %."" %."" -."" 产品色泽 白 白 白 白 乳白色 黄
苯乙烯&丙烯腈%) ($ 1 !! ’- 1 .% ’" 1 ’" ." 1 (" !" 1 $" " 1 %""
注: 总质量分数为 #"/ 的单体在 9: ; !""" 的聚醚三醇中进行 %) 接枝聚合; #) #!< 的剪切粘度。
理, 介绍生产工艺和应用, 对基础聚醚、 单体、 引发剂、 链转移剂、 分散剂等原料的作用及其选择进行 了较为详细的讨论。 关键词:聚合物多元醇; 接枝聚醚; 聚醚多元醇; 聚氨酯泡沫塑料; 综述 固含量通常为 #"/ 0 !"/ , 苯乙烯与丙烯腈质量比 为 !" 1 $" 0 $" 1 !", 称为第二代聚合物多元醇或白色 聚合物多元醇。表 % 为早期不同比例苯乙烯和丙烯 腈生产的聚合物多元醇的基本物性。但是固含量在 !"/ 以内的 )*) 制备的泡沫不能满足更高的负载、 回弹和低压缩变定的要求。如压缩硬度 ( 234#’/ 变 形) 大于 %""5 的软质泡沫塑料, 要求 )*) 的固含量 在 ."/ 以上。这种 )*) 就是近年来发展起来的第
[!] 三代聚合物多元醇, 又称高固含量聚合物多元醇 。
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聚合物多元醇体系的发展 接枝聚合方法在 #" 世纪 ’" 年代末、 (" 年代初
得到迅速发展, 广泛地用于聚合物改性。聚合物多 元醇 ( )*)) 是以聚醚为母体, 经乙烯基单体接枝聚 合制得的改性聚醚品种, 它既保持了聚醚主链原有 的柔性, 又具有乙烯基聚合物支链的某些特性如刚 性、 阻燃性等, 从而使聚氨酯制品的物性得到改善,
(+,,) 研究开发的。 +,, 在 %-(. 年建立了第一套 聚合物多元醇生产装置。当时用质量分数为 ’/ 0 用平均相对分子 #"/ 的丙烯腈作乙烯基单体原料, 质量为 !""" 的聚醚多元醇作接枝母体进行工业化 生产。该产品颜色发黄, 粘度较高, 贮存困难, 称为 第一代聚合物多元醇。$" 年代中期, 人们引入苯乙 烯等乙烯基单体与丙烯腈进行接枝共聚, 制成白色 聚合物多元醇分散液, 该产品粘度较低, 性能优良,
第.期
韩怀强 ・ 聚合物多元醇合成与应用
・*・
中的醚键有明显的断裂分解, 用这种聚合物多元醇 制备聚氨酯泡沫时容易烧芯。因此, 选择一个适中 的反应温度很重要。通常在实践中优选的反应温度 范围是 !!" # !$"%
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后来, 人们发现用丙烯腈和其它乙烯基单体 (如: 苯乙烯、 丙烯酰胺、 甲基丙烯酸甲酯等) 进行共 接枝, 可克服上述弊端。其中丙烯腈和苯乙烯原料 易得, 价 格 便 宜, 有 较 好 的 反 应 活 性; 用其制得的 如硬度、 阻燃 ()( 能满足聚氨酯制品的最终性能, 性、 回弹性等。因此, 丙烯腈和苯乙烯成为目前 ()( 工业生产上常用的乙烯基单体。 !0$ 引发剂 理论上, 能产生自由基的物质, 如过氧化物、 过 硫酸盐 (水溶性无机盐) 和偶氮化合物等, 均可用作 接枝聚合的引发剂。实际上, 引发剂的选择受具体 的反应体系、 反应温度、 引发剂半衰期、 安全性等因 素影 响。工 业 上 常 用 的 引 发 剂 是 偶 氮 二 异 丁 腈 (<=>;) 和过氧化苯甲酰 ( >()) 。在接枝聚醚体系, 单体转化率低、 发泡时 >() 存在着使产品酸值增加、 间延长和泡沫强度降低等缺点, 影响了它的使用范 围。<=>; 尽管存在有毒、 在普通有机溶剂中溶解度 较低、 分解速度较慢、 分解温度高等缺点, 但它具有 以下 优 点: (!) 在接枝聚合的温度范围内 ( !’’ # 有较为合适的半衰期; ( $) 引发效率高, 对苯 !$"% ) 乙烯和丙烯腈分别为 8’3 和 !’’3 ; (*) 分解后只生 成一种自由基; ( .) 分解过程中不产生酸, 对产品的 酸值无影响, 分解物无难闻气味, 可得到低粘度产 品; (") 单体转化率高, 收 率 达 &83 以 上; ( :) 来源 广, 价格低。因而 <=>; 是制备 ()( 首选的引发剂。
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[-, .] 径分布宽且可接受的稳定分散体系 。
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在制备 ()( 过程中, 要求整个反应期间釜内反 应混合物中乙烯基单体浓度保持在较低水平。这可 促使单体快速转变成接枝共聚物和非接枝共聚物, 减少均聚现象, 确保 ()( 中聚合物粒子直径基本上 都小于 *+ ! 避免乙烯基聚合物在反应器内结垢。 /, 连续工艺首先保证了滴加混合料中乙烯基单体 浓度最低; 其次, 由于进料和出料连续化, 只要控制 加料速度稳定, 就可保证釜内反应混合物中乙烯基 单体浓度恒定; 第三, 减少了乙烯基聚合物在反应器 中的停留时间。因此, 该工艺有利于降低产品粘度, 生产高质量的高固含量 ()( 产品。 间歇工艺在每釜配料时将基础聚醚分为釜底料 (釜底预先加入的少量基础聚醚和全部分散剂, 以便 能够得着搅拌) 和釜顶料两部分, 底料与顶料两部分 的最佳质量比范围为 ’+ 0 1+ 2 *. 0 3.。要求缓慢将乙 烯基单体混合料滴加到反应釜内, 避免在聚合过程 中任何时间存在乙烯基单体浓度过高的可能
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聚合物多元醇的合成原理 聚合物多元醇生产的传统方法为原位聚合法。
聚醚分子链上亚甲基的氢原子在自由基的作用下, 发生转移, 并在原来的位置上形成自由基:
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单体, 在聚醚上接枝, 形成接枝聚合物多元醇。其反 应式为:
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产生的链自由基引发丙烯腈和苯乙烯等乙烯基
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