可发性聚苯乙烯一步法生产悬浮工艺简介

一、前言

（一）可发性聚苯乙烯简介

可发性聚苯乙烯树脂，英文简称（EPS），通称聚苯乙烯和苯乙烯系共聚物。其是由苯乙烯单体在一定量的纯水中，在一定温度下加入引发剂、分散剂、稳定剂、发泡剂后进行悬浮聚合制得的一种新型高分子材料。主要分为普通型、高倍型和阻燃型三种类型。经预发、熟化和模塑成形即可制得泡沫塑料制品。具有质轻、价廉、导热率低、吸水性小、电绝缘性能好、隔音、防潮、成型工艺简单等优点，广泛用作包装、保温、隔热建筑装磺等方面的材料［1］。

（二）可发性聚苯乙烯生产工艺发展概况

在国外，可发性聚苯乙烯（EPS）的生产开始于40年代，其制备工艺现有一步浸渍法（一步法）和二步浸渍法（二步法）。自50年代由德国BASF公司开发EPS 珠粒生产工艺后, 泡沫塑料由于成型工艺及设备简易可行, 并可制成各种形状、不同密度的产品, 因而发展迅速。70年代以来，国外一步法工艺开发的主要类型如下：聚合后期加发泡剂法，以日本日立化成公司为例，以在聚合转化率80％-85％时压入发泡剂最好。“一锅煮法”，以德国BASF公司为代表，将包括发泡剂在内的所有物料一次加入，采用较好的配方设计和控制技术，可制得粒径分布窄的珠粒产品。种子聚合选用可发性聚苯乙烯（EPS）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等作为聚合种子，得到合乎要求的可发性聚苯乙烯珠粒。以日本钟渊化学公司为例，将离心收集的一定规格可发性聚苯乙烯细颗粒作为聚合的种子，分散在分散介质中，然后进行悬浮聚合。在实际生产中，国外大量采用的仍是聚合后期加发泡剂法。

在国内，60年代才开始可发性聚苯乙烯技术的开发工作，随后实现工业化，但采用的方法为二步法，且规模都很小，只有千吨级水平。80年代以前国内一直用传统的二步法工艺。90年代初先后引进荷兰Shell公司一步法生产工艺在上海高桥化工厂和金陵石化公司塑料厂投产, 开创了我国一步法工艺的先河。在该工艺中，PS珠粒的浸渍是在聚合过程中一起完成的。悬浮聚合时采用了有机与无机悬浮稳定剂，发泡剂为戊烷，在聚合后期加入。反应结束后，从水相中分离出可发性聚苯乙烯珠

粒，再经干燥、筛分和涂层得到产品。通过多年实践与探索，对其工艺和配方进行了一系列的改进，所用悬浮剂和各种助剂已实现国产化，使该生产技术日趋完善和成熟。例如张玮等通过羟乙基纤维素和无机分散剂复合体系并用，在反应温度为90±1℃、搅拌速度为440r/min的工艺条件下，采用一步法制得了稳定性好的可发性聚苯乙烯珠粒产品，且粒径分布在0.833~3.327mm的粒子可达90%以上。通过大量试验表明，该工艺路线可行且配方简单、操作方便、体系稳定、产品质量稳定。徐红岩开发出了一种以磷酸三钙（TCP）为分散剂、戊烷为发泡剂、过氧化二苯甲酰（BPO）和过氧化苯甲酸叔丁酯为引发剂的一步法生产EPS的工艺。以磷酸三钙为分散剂的一步法工艺粘釜物少，且比原二步法工艺省时。同时通过多年的摸索与研究也对国产二步法生产进行了改进和完善，使其更趋合理。但无论是一步法，还是二步法均采用间歇法生产，虽然有人进行连续生产的研究，但尚未实现工业化［2］。

二、可发性聚苯乙烯“一步法”与“两步法”生产工艺

（一）悬浮聚合理论

可发性聚苯乙烯聚合属于悬浮聚合反应，其是由苯乙烯单体、水、悬浮剂（分散剂）、引发剂四部分组成。在一定温度下，引发剂分解生成自由基（活性单体）引发苯乙烯单体进行聚合，经过链引发阶段形成的活性单体反复地和苯乙烯单体迅速作用进行链增长，并通过控制温度和调整引发用量的方法控制反应速度和聚苯乙烯的分子量，在游离单体浓度下降到一定程度时，反应基本结束，此时反应釜中的产物即为聚苯乙烯（PS）。再经过发泡剂浸渍后便制得可发性聚苯乙烯［3］。

物料在进行悬浮聚合时，单体大液滴在反应器中受搅拌的切应力作用先被拉成长条形，然后被击散成小液滴。小液滴也可以受搅拌影响，互相碰撞而成大液滴。因此搅拌作用能保持小液滴和大液滴之间的分散和聚集状态的动态平衡。

（二）高聚物形成过程

反应过程可分为：诱导期、聚合初期、聚合中期、聚合后期。

1．诱导期

由于悬浮体系中存在阻聚剂及其他杂质，故采用引发剂BPO分解成引发剂自由

基的方法，使阻聚剂等杂质与自由基形成低分子，从而破坏其阻聚剂。在诱导期反应速度V=0。

2．聚合初期

单体液滴直径一般在0.5-5mm［4］，在适当的温度下引发剂分解，开始链引发。此阶段又称稳定态，一般转化率为20%以下。

3．聚合中期（又称自加速阶段）

在苯乙烯（SM）单体聚合时，因聚合产品PS能溶于单体，液滴保持均相。但随着高聚物的增多，液滴粘度增大。当转化率达20-45%时，出现自加速效应，液滴内放出热量增多，粘度上升也快，而液滴的体积却开始减少，此时处于易于粘结成块的危险期。转化率达50%以上时，液滴变得很粘稠，聚合速度和放热量达到最大值。如果散热不良，液滴内会有气泡生成，甚至由于局部过热，使单体沸腾生成气泡或聚合速度特快，形成暴聚。转化率达60-70%以后，反应速度开始下降，单体逐渐减少，大分子链越来越多，且活动也越受限制，液滴粘性也就逐渐减小，弹性相对增加。

4．聚合后期（又称减速期）

大约在单体转化率达80%以上时，由于单体显著减小，高聚物大分子链因体积收缩被紧紧纠缠在一起，残余单体在其间继续反应形成新的高分子链，使高聚物粒子间大分子链愈来愈充实，弹性逐渐消失，而变得比较坚硬。此时已完全渡过危险期。可适当提高温度，促使残余单体进一步反应完全，最终形成均匀、坚硬、透明的珠状粒子［5］。

（三）可发性聚苯乙烯主要生产工艺介绍

目前，可发性聚苯乙烯的生产可分为两种基本方式：“一步法”聚合工艺和“二步法”聚合工艺。

1．“一步法”工艺

“一步法”是将苯乙烯单体、引发剂、分散剂、水、发泡剂和其他助剂一起加入反应釜聚合，得含发泡剂的树脂颗粒，经洗涤、离心分离和干燥，制得EPS珠粒

产品。工艺流程如图所示：

图1 一步法工艺流程示意图

2．“二步法”工艺

“二步法”是将苯乙烯聚合成一定粒度的聚苯乙烯珠粒，再经分级过筛，再重新加水、乳化剂、发泡剂和其他助剂，于浸渍釜内加热浸渍，故此法又称后浸渍法。工艺流程如图所示：

热空气

图2 二步法工艺流程示意图

3．“一步法”与“二步法”工艺比较

两种生产工艺区别就是在“一步法”的生产过程中，聚合和浸渍两个工段是在同一个反应釜里发生。而对于“二步法”来说生产出的可发性聚苯乙烯珠粒质量较好。就能耗等来说“一步法”能耗低、流程短、自动化程度高、易于集中控制。