ABS高分子附聚工藝的開發

王華偉，王寧

（天津市大沽化工股份有限公司,天津 300000）

·開發與應用·

ABS高分子附聚工藝的開發

王華偉，王寧

（天津市大沽化工股份有限公司,天津 300000）

為了使生產的ABS樹脂有足夠高的抗沖擊強度，要求聚丁二烯膠乳的粒徑要足夠大。通過高分子附聚工藝，生產出大粒徑聚丁二烯膠乳，考察了附聚過程中的工藝條件對高分子附聚效果的影響。通過試驗確定了ABS高分子附聚試驗的工藝，經高分子附聚所得到的聚丁二烯膠乳粒徑呈單峰分布，小粒徑膠乳較少，無大顆粒產生；該膠乳經接枝、凝聚及摻混后所得ABS樹脂，抗沖擊強度高于公司同類產品。

聚丁二烯膠乳；高分子附聚；粒徑分布；ABS樹脂；抗沖擊強度

ABS樹脂通常是指聚丁二烯（PBL）橡膠與單體苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物，它具有復雜的二相結構，橡膠是分散相，SAN（丙烯腈和苯乙烯共聚物）作為基體樹脂是連續相。橡膠以顆粒狀分散在基體樹脂中，由于橡膠顆粒的存在，使ABS樹脂具有更優越的性能，尤其是抗沖擊性能提高較多。聚丁二烯膠乳是ABS樹脂的分散相，賦予樹脂韌性，因此大粒徑聚丁二烯膠乳的制備是制備高抗沖ABS樹脂的前提條件。

為了使生產的ABS樹脂有足夠高的沖擊強度，要求PBL膠乳的粒徑要足夠大，一般要在300nm以上。增大膠乳粒徑的方法主要有兩種：一是在聚合過程中直接合成大粒徑膠乳，稱為一步法；二是先合成小粒徑膠乳，再將小粒徑膠乳附聚成大粒子，通稱為二步法。二步法可以分為物理附聚、化學附聚和高分子附聚等。物理附聚法主要通過強力攪拌、膠乳冷凍、壓力附聚等實現；化學附聚法則一般使用電介質、中和部分皂、調節pH值，以達到放大粒徑的目的。

我公司目前使用高壓物理附聚增大膠乳粒徑：通過半連續乳液聚合反應，單體丁二烯變為100nm左右的聚丁二烯膠乳，合格的膠乳通過均質機進行增大粒徑，在該過程中，通過調節壓力、進口膠乳溫度、固含量等變量來控制反應后膠乳顆粒的平均粒徑。這種附聚是讓小粒徑膠乳在高壓下通過均質機的均質閥實現的。當膠乳通過均質閥時，在其內部產生空穴，從而形成剪切力，使膠乳粒子穩定性下降，粒子間迅速聚集。通過該工藝得到的PBL膠乳，其粒徑分布較寬，附聚后還有部分未附聚的初級粒子，通常分布在40nm～1385nm之間，其中小于214nm的粒子約占30%左右，有可能會產生大于1385nm的粒子。

高分子附聚法是一種新型附聚方法，它是一種以聚合物乳液為附聚劑的方法。這種乳液的分子團中存在著大量羧基，這些分子團可以穿透小粒徑PBL膠乳橡膠粒子乳化層，利用羧基與小粒子不飽和鍵產生鍵合作用，從而將若干小的橡膠粒子聚集到一起形成以化學鍵，鍵合到一起，從而形成大粒徑PBL膠乳；與另外兩種附聚法相比，高分子附聚法條件溫和，過程易控制，因此具有很大的發展潛力。通過該過程形成的膠乳粒子內部結構較緊密，存在部分空隙，粒子表面也存在突起，同時也具有較好的接枝能力。我公司研究所工程塑料試驗室經過3年的研究，開發出該工藝，通過小試試驗，得到的PBL膠乳粒徑呈單峰分布，粒徑小于214nm的膠乳僅占1%左右，并沒有產生粒徑大于1385nm的膠乳顆粒。

通過采用高分子附聚工藝，可以得到單峰分布的PBL膠乳，改進PBL膠乳粒徑增長技術，通過與高壓物理附聚的對比，全面考察附聚過程中的工藝條件對高分子附聚效果的影響，以及附聚效果對ABS樹脂性能的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料

下表1列出了主要使用原料及試劑

表1 主要原料及試劑

1.2 主要設備

下表2列出了主要使用的儀器及設備。

1.3 高分子附聚工藝

稱取一定量的PBL膠乳，開啟攪拌，將其升溫至一定溫度，按照一定比例加入附聚劑和水，附聚一定時間后出料，出料后的產品進行固含量、平均粒徑、pH值及粒徑分布的測試；測試合格的膠乳進行接枝、凝聚試驗，并將得到的膠粉烘干，與AS樹脂按照一定比例進行摻混，進行力學性能、流動性能等項目的測試。

表2 主要儀器設備

1.4 測試方法

附聚后膠乳、接枝膠乳、凝聚膠粉均按照目前車間中控測試方法進行測試，ABS樹脂測試均使用ASTM標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 高分子附聚劑加入量對膠乳粒徑的影響

高分子附聚劑的加入量對PBL膠乳粒徑分布有明顯不同，在試驗過程中，考察了不同加入量對其粒徑的影響，根據加入量不同，其粒徑分布變化如下圖1所示。

隨著高分子附聚劑加入量的增加，小粒徑百分比明顯降低，膠乳體系的粒徑分布趨于集中；在實際試驗時，當附聚劑用量較少時，膠乳的穩定性下降，粒徑每天會不斷增長；用量過大時，體系中極易出現大顆粒；當附聚劑加入量在2.7%～3.2%時，小于214nm的小粒徑比例均較小。因此，在該工藝的開發中，附聚劑加入量選擇2.7%～3.2%較為合適。

2.2高分子附聚劑加入時間對膠乳粒徑的影響

高分子附聚劑的加入時間對膠乳粒徑也有較大的影響。附聚劑加入，時間越短越好，如果滴加時間過長，體系中會產生大顆粒，破壞體系的穩定性，另外，長時間的加入會引起膠乳粒子快速碰撞時間過長，也會導致膠乳不穩定。附聚劑加入時間對平均粒徑的影響如下圖2所示。

圖2 附聚劑加入時間對平均粒徑的影響

隨著附聚劑加入時間的延長，膠乳粒徑呈先大后小的趨勢，當加入時間是30min時，膠乳體系內產生大顆粒；當加入時間為2min～5min時，粒徑達到最佳，因此，在實際中，應按照具體情況在2min～5min中選擇作為加料時間。

2.3 附聚溫度對膠乳粒徑的影響

附聚溫度對膠乳粒徑也有一定的影響，具體見下圖3。

由上圖可以看出，在30℃時，膠乳平均粒徑達到最大，50℃后，平均粒徑逐漸變小。測試該系列膠乳的粒徑分布后發現，60℃時有4.1%的大顆粒物質出現，即附聚溫度超過60℃時，膠乳已發生破乳，這是由于高溫下，附聚劑分子運動加劇，影響附聚過程的穩定性。因此將附聚溫度控制在40～50℃較為適宜，這樣既能保證附聚速度，還可以保持體系的穩定性。

圖3 附聚溫度對平均粒徑的影響

2.4 附聚時間對膠乳粒徑的影響

附聚時間會對附聚效果產生影響，較長的附聚時間可以使膠乳附聚完全，穩定性變好，但是如果時間過長，膠乳中容易產生小顆粒絮凝物。為了研究附聚時間對PBL膠乳的影響，在實驗中，從加入附聚劑開始，每隔15min取一次樣，進行平均粒徑測試，測試結果如下圖4所示。

由上圖可知，膠乳平均粒徑最初為110.8nm，加入附聚劑后，開始長大，加入附聚劑1.5h時，粒徑基本穩定，2h后，膠乳粒子增大，而且有大顆粒產生，為避免產生大顆粒及有利于下一步的接枝反應，附聚時間控制在1.5h內為宜。

2.5 高分子附聚膠乳放置時間對膠乳粒徑的影響

為了考察該工藝的穩定性，將上述工藝所制備的附聚膠乳進行穩定性考察，將平均粒徑作為考察指標，具體變化如下圖5所示。

由上圖可以看出，平均粒徑的變化并不大，在工藝有效期（一個月內），基本保持穩定。

表4 附聚效果對ABS樹脂性能的影響（通用ABS樹脂配方）

圖5 放置時間對膠乳粒徑的影響

2.6 高壓物理附聚膠乳與高分子附聚膠乳性能的對比

按照上述優化后的工藝進行附聚試驗，將得到的高壓物理附聚與高分子附聚膠乳后的膠乳進行對比，下表3為測試后的數據。

表3 高壓物理附聚與高分子附聚的對比

對比上述表格中的數據可知，經過高壓物理附聚后的膠乳中有30%左右的小粒徑，膠乳并未完全被附聚，下圖6為高壓物理附聚膠乳的粒徑分布情況；高分子附聚工藝后的膠乳粒徑較大，同時其粒徑分布呈單峰，下圖7為高分子附聚膠乳的粒徑分布。

高壓物理附聚是一種物理過程，在附聚過程中橡膠粒子是通過膠束破裂后線性分子重新纏結融合而成，因此，壓力附聚后膠乳粒子較為緊密，內部孔隙極少，表面相對光滑，比表面積較小，在接枝過程中接枝層僅限于粒子表面，接枝層較薄；高分子附聚是通過鍵能使橡膠粒子結合到一起，其內部較緊密，但也存在一定孔隙，粒子表面也形成突起，接枝時部分單體還可以進入孔隙進行內接枝，接枝層較厚。

2.7 附聚效果對ABS樹脂的影響

將高分子附聚和高壓物理附聚得到的膠乳分別在實驗室進行接枝及凝聚，干燥后的膠粉按照公司通用牌號的配方，分別與AS樹脂進行摻混造粒，得到兩種ABS樹脂，按照ASTM中相應的標準注塑成型，對成型樣條進行拉伸、沖擊等性能的測試，對粒料進行質量熔體流速的測試。測試結果如下表4所示。

圖7 高分子附聚膠乳粒徑分布圖

從上表可以明顯看出，使用高分子附聚工藝后，ABS樹脂抗沖擊性能有了較大幅度的提高，通過高分子附聚法得到的ABS樹脂結構是單體進入到附聚粒子中，然后進行的接枝共聚合，形成網狀結構，因此賦予ABS樹脂較高的抗沖性，但是拉伸性能和流動性能略有下降。

3 結論

通過大量試驗，在試驗室成功開發了ABS高分子附聚工藝，采用高分子附聚工藝可以明顯減少PBL膠乳中小粒徑數目，并能有效提高ABS樹脂的抗沖擊性能；附聚時根據具體工況加入附聚劑，使用40-50℃作為附聚溫度，2-5min內加入附聚劑，附聚1.5h后出料；對開發出的附聚膠乳進行了后續的評價試驗，穩定性滿足當前工藝需求，使用該膠乳生產出的ABS樹脂沖擊性能明顯提高，達到試驗預期目標。

高分子附聚工藝，能有效降低PBL膠乳中小粒徑數目含量，提高膠乳的粒徑，通過高分子附聚工藝，可以得到所需要的粒徑分布的PBL膠乳，用來生產高端ABS專用樹脂。

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Study on polymer agglomeration process of ABS resin

WANG Hua-wei,WANG Ning

The particle of the Polybutadiene latex is required to be large enough to achieve high impact of the ABS resin.In this paper,the polybutadiene latex with large-size particle was produced by polymer latex agglomeration process,the process conditions of agglomeration were investigated,and the influence of agglomeration effect was also inspected.The agglomeration process was confirmed via experiments,the particle of polybutadiene latex by agglomeration was unimodal distribution,there were less small particle size of polybutadiene latex,and there appeared no large-size particles.ABS resin was obtained after the above latex was grafted,coagulated and compounded;the experimental results showed the impact property was superior to the similar product of the company.

polybutadiene latex；agglomeration；particle distribution；ABS resin；impact

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.03.007

TQ331.4+1

A

1008-1267（2015）03-0019-05

2015-03-04