聚苯乙烯的应用及研究发展方向.doc

高分子材料基础课程论文聚苯乙烯的应用及研究发展方向摘要：自从20世纪30年代初期聚苯乙烯第一次在德国实现了工业生产以后，它的应用领域也在不断扩大，迄今为止，聚苯乙烯以实现了规模化、跨越式发展。聚苯乙烯具有优越的抗水防潮性、轻质、高硬度、高抗冲性、保温性能好等特性，现在它其中最重要的一个应用领域就是用作建筑外墙保温材料聚苯乙烯泡沫板。然而，由于聚苯乙烯泡沫塑料最大的缺点就是具有易燃性、防火性能差，使得它在建筑材料中的应用受到了很大程度的限制。不仅如此，国内聚苯乙烯生产技术比较落后，目前它的大多应用还是局限于低端领域，如包装容器、日用品、电子等行业。随着现代科学技术的不断进步，对聚苯乙烯进行改性，最大程度上弥补材料的缺陷，已成为当今研究发展的一个重要方向。关键词：聚苯乙烯性能；应用领域；改性研究；现状及前景；建议。以下紧接英文题目、作者姓名及所在单位的英译文、摘要和关键词的英译文，全部使用Times New Roman：Applications and research directions of polystyreneAbstract：Since the early 1930s, first in Germany to achieve polystyrene industrial production in the future, its applications are constantly expanding, so far, to achieve the scale polystyrene, leaps and bounds. Polystyrene has excellent resistance to water moisture resistance, good light, high hardness, high impact resistance, thermal insulation properties and other characteristics, it is now one of the most important application area is used as a building wall insulation - polystyrene foam board. However, the biggest drawback is the polystyrene foam flammability, poor fire performance, making its use in building materials has been a great extent. Moreover, domestic polystyrene production technology is relatively backward, now it is mostly confined to the low end applications, such as containers, daily necessities, electronics and other industries. With the progress of modern science and technology, modified polystyrene, make up material defects to the maximum extent, has become an important direction of todays research and development.Key words：Polystyrene performance; applications; modification; Situation and Prospects; suggestions.0 引言聚苯乙烯()聚苯乙烯是指有苯乙烯单体经自由基缩聚反应合成的聚合物，英文名称为Polystyrene，简称PS。玻璃化温度8090，非晶态密度1.041.06克/立方厘米，晶体密度1.111.12克/立方厘米，熔融温度240，电阻率为10201022欧厘米。导热系数30时0.116瓦/(米开)。通常的聚苯乙烯为非晶态无规聚合物，具有优良的绝热、绝缘和透明性，长期使用温度070，低温易开裂。此外还有全同和间同立构聚苯乙烯。普通聚苯乙烯树脂属无定形高分子聚合物，聚苯乙烯大分子链的侧基为苯环，大体积侧基为苯环的无规排列决定了聚苯乙烯的物理化学性质，如透明度高、刚度大、玻璃化温度高，性脆等。可发性聚苯乙烯为在普通聚苯乙烯中浸渍低沸点的物理发泡剂制成，加工过程中受热发泡，专用于制作泡沫塑料产品。高抗冲聚苯乙烯为苯乙烯和丁二烯的共聚物间规聚苯乙烯为间同结构，采用茂金属催化剂生产，是近年来发展的聚苯乙烯新品种，性能好，属于工程塑料。1 性能1.1 机械性能PS的分子量过高，加工困难，所以通常聚苯乙烯的分子量为520万。PS的机械性能，随温度升高，刚性、弹性模量、抗拉强度、冲击强度等下降，而断裂伸长率较大。PS的透明性好，透光率达8892%，仅次于丙烯酸类聚合物，折射率为1.591.60。故可用作光学零件，但它受阳光作用后，易出现发黄和混浊。PS有主要缺点是性脆和耐热性低。1.2优越的抗水、防潮性挤塑板具有紧密的闭孔结构。聚苯乙烯分子结构本身不吸水，板材的正反面又都没有缝隙，因此，吸水率极低，防潮和防渗透性能极佳。 高强度抗压性：挤塑板由于发泡结构紧密相连且壁间无缝隙，所以其抗压强度极高，即使长时间水泡仍维持不变。因此用作泊车平台、机场跑道、高速公路等领域能受到良好的抗冲击性。1.3防腐蚀、经久耐用性一般的硬质发泡保温材料使用几年后易产生老化，随之导致吸水造成性能下降。而挤塑板因具有优异的防腐蚀、防老化性、保温性，在高水蒸汽压力下，仍能保持其优异性能，使用寿命可达到30-40年。1.4轻质、高硬度挤塑板完全的闭孔发泡结构形成轻质，而均匀的蜂窝结构造成高硬质，但又不像聚氨酯发泡、酚醛发泡那样发脆，因此不易破损，不仅搬运、安装轻便，切割容易，用作屋顶保温时不会影响结构的承受能力。 高品质环保型：挤塑板不会发生分解和霉变，不会有有害物质挥发，化学性质稳定。同时在生产过程中，利用环保型原料，不产生有害气体，没有废水产生，所形成的固体下脚料，可回收处理再利用，是高品质环保型产品。2. 加工生产第一步为预发泡，设定最终产品的密度。在此过程中含有发泡剂的聚合物颗粒在加热条件下软化，发泡剂挥发。其结果是每个珠粒内产生膨胀，形成许多泡孔。泡孔的数量（最终密度）由加热温度和受热时间来控制。这个过程中，珠粒必须保持分散和自由流动状态。 工业化生产时，发泡过程是将可发性 PS直接置于蒸汽中进行的，一般通过珠粒和蒸汽在搅拌釜中的连续混合完成反应，反应设备（象预发泡机）是以保持外界压力常压敞口的，并使已发泡的珠粒从顶端溢出。有的生产厂为了保证停留时间更均衡或是当某些可发性DPS需要比较高的温度时采用间歇釜。发泡以后珠粒要经熟化处理，使空气逐步掺入到泡孔中。 第二步。首先，将熟化的预发泡珠粒放入具有特定型腔的模具中。对于小型的和复杂结构的产品，成型时要采用文氏管作用设备（如灌料枪）借助空气流将珠粒吹至模腔中。大型的产品可依自身重力充满模腔。将充满粒料的模腔密闭并加热，珠粒受热软化，使泡孔膨胀。珠粒发泡膨胀至填满相互间的空隙，并粘结成均匀的泡沫体。此时这个泡沫体仍然是柔软的并承受泡孔内热气体的压力。从模具中取出制品之前，须使气体渗出泡孔和降低温度使制品形状稳定，这一般是采用向模具内壁喷水的方法。 由于成型模具是双层壁的，因此发泡PS的成型被称为“蒸气室成型”。模具内壁尺寸即为实际制品的尺寸，模具内壁上有气孔以使蒸汽透过泡沫体并使热气扩散出去。双层壁之间的空间形成蒸汽室，其中通入用于加热珠粒的蒸汽。对于多数制品，发泡PS的成型压力低于276kPa。模具为铝制并按制品要求铸成一定形状。发泡PS的成型由于成型压力低、成型设备成本低，因此是一种经济的生产方法。3.应用领域 3.1挤塑聚苯乙烯泡沫塑料外墙保温系统建筑节能是国家一项长期的强制性推广政策。经过多年的发展，外墙保温系统推广应用得很快。挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板外墙保温系统，是采用外墙粘贴挤塑板来保证保温层的连续性，消除热桥现象、减少室内外冷热空气的自由交换来提高室内保温效果的，是目前我国节能建筑的外墙保温形式中保温方式最为直接、效果好，也是目前应用较多的一项保温技术。同时，挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板在自然环境下吸水率极低，结合专用抗裂砂浆的抗水性，将雨水和潮湿空气有效阻隔在保温系统之外，是外墙又具备了良好的防水效果。3.1.1构造采用聚苯挤塑乙烯泡沫塑料板做保温隔热层，用粘贴挤塑板的专用胶黏剂与基层墙体粘贴，辅以锚栓固定。挤塑板的防护层为嵌埋有耐碱玻璃纤维网格布，外刷增强材料的聚合物抗裂砂浆，涂料饰面。3.1.2工艺流程保温板基层处理弹定位基线墙角、门窗洞口边缘的保温板内预埋网格布条保温板切割胶黏剂配置保温板粘贴铺装保温板压平及安装尼龙锚栓固定保温板面涂刷界面剂调配聚合物抗裂砂浆抹第一层聚合物抗裂砂浆铺贴耐碱玻璃纤维网格布抹第二层聚合物抗裂砂浆涂料饰面。3.2包装材料淀粉接枝聚苯乙烯加工成膜、包装材料等，其外观降解性能理想，如20%-30%的淀粉接枝聚苯乙烯制成瓶子的强度与通用聚苯乙烯塑料瓶类似。淀粉接枝聚苯乙烯与聚苯乙烯共混型一次性快餐用具、包装盒等，气密性和机械强度高，成本低，户外直接照射降解快，土埋降解亦佳。3.3胶黏剂聚苯乙烯的分子结构中含有苯环，刚性大，与极性物质的粘结性较差。用聚苯乙烯制得的胶黏剂强度差，且胶层硬而脆，需加入改性剂进行处理。在聚苯乙烯大分子链上引入极性基团，投资小、见效快、生产周期短，因而成为改性聚苯乙烯的热点和主要方法。但随着科技的进步和研究工作的进一步深入，纳米材料以及新的改性方法将也有大的突破，必然伴随着聚苯乙烯应用领域的不断扩展。3.4农用薄膜塑料聚苯乙烯、聚氯乙烯与农药混合制成农用薄膜，覆盖在农作物上，可缓慢释放出农药;或者将药物直接包封在塑料中，通过表面微孔释放。在各种农药缓控释剂中，工艺较成熟、品种较多、生产量较大的仍然是微胶囊剂。它是通过物理或化学方法使农药和其他物质分散成微米级微粒，然后用聚合物包裹和固定起来，形成具有一定包覆强度并能缓控释农药的半透膜胶囊。4. 改性研究4.1 PS共聚改性苯乙烯类热塑性弹性体（SBS）经过近半个世纪的发展，我国的合成橡胶生产能力和产量跃居世界第二位，成为了世界上最具活力的合成橡胶市场之一。在合成橡胶工业发展中，以热塑性弹性体SBS为代表的锂系聚合物的发展最受人们的关注。通过共聚方法使苯乙烯单体与第二种单体共聚，主要为嵌段共聚或接枝共聚，这样通过引入柔性链段既保持了间规聚苯乙烯原有的优良性能，又提高了它的韧性，并改善了加工性能。锂系聚合物是苯乙烯类热塑性弹性体的简称，又称苯乙烯嵌段共聚物，是以苯乙烯、丁二烯或异戊二烯为单体的嵌段共聚物。因其生产过程中均采用有机锂为引发剂，故称为锂系聚合物。锂系聚合物主要有SBS、SIS和相应的加氢产品SEBS和SEPS等。在业界，人们习惯称SBS为“第三代橡胶”，称SEBS为“第四代橡胶”，并把锂系聚合物的新产品誉为“橡胶黄金”，以寓意其产品的高附加值。4.2 PS的共混改性所谓共混改性是指将两种或两种以上聚合物材料、无机材料及助剂在一定温度下进行机械掺混，最终形成一种宏观上均匀，且力学、光学、热学等性能得到改善的新材料的过程。目前共混改性主要有以下途径：（1）用聚烯烃PE改性PS；（2）用聚烯烃PP共混改性；（3）用工程塑料PC改性PS；用PA共混改性PS。4.3 PS的纳米改性纳米无机粒子由于自身独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应，其性能与一般的粉体材料和块状材料有显著的区别。纳米粒子的超微尺寸和表面活性效应能够对聚合物材料内部的缺陷进行极好的修饰，并可最大限度地减少内部残基的活性基团，从而大幅度提高聚合物材料的强度、韧性、耐老化性能和耐热性能。将纳米填料以共混、原位聚合、插层复合、溶液-凝胶等方法均匀地分散在PS基体中，利用填料的纳米尺寸效应、大比表面积以及强的界面作用力将填料的刚性、尺寸稳定性、热稳定性与PS的韧性、加工性能结合结合起来，可获得具有优异综合性能的PS纳米塑料。近年来，国内外对PS纳米塑料进行了大量的研究，获得了一系列的成果。南京理工大学通过对纳米TiQ2表面处理及选择特定的大分子分散剂和母料法制备了HIPS/TiO2/分散剂纳米复合材料。发现了纳米粒子能起应力集中的作用，提高了HIPS的缺口冲击强度，同时纳米TiO2的加入可提高HIPS的耐热性和阻燃性能。5. 现状及前景5.1现状5.1.1世界 因近20年来亚洲地区生产能力的迅速增长而屡创新高，到上个世纪末年生产能力已经超过1300万吨/年，同期世界聚苯乙烯的消费量只有1000万吨/年左右，只占生产能力的约77%。除去各种因素的影响，全球聚苯乙烯装置的开工率均没有超过80%。 北美、南美地区聚苯乙烯的产销基本平衡，西欧地区略有剩余，而东北亚地区仍需要靠进口来弥补不足。 世界聚苯乙烯主要用于生产包装容器、日用品及电器/电子3大行业。世界各地聚苯乙烯的消费结构不尽相同。北美约9%用于电器/电子行业，57%用于包装容器，34%用于其他方面；西欧约15%用于电器/电子行业，48%用于包装容器，37%用于其他方面；东北亚约49%用于电器/电子行业，20%用于包装容器，31%用于其他方面；中国约63%用于电器/电子行业，7%用于包装容器，30%用于其他方面。5.1.2中国 a.国产产品性能和质量较差，不能满足市场的要求中国聚苯乙烯产品的质量和性能较差，除外资及合资企业产品外，国内厂商的产品多数不能满足电子行业等用户对产品性能和质量的要求，难以进入这个庞大的市场。在聚苯乙烯需求量最大的电子电器行业中，进口产品占绝对优势，国产树脂只有少量应用，而且只能用于低档产品。国内知名电器制造商为了保证其产品质量，全部使用进口原料或外资合资企业的产品，连用于防震外包装的发泡聚苯乙烯也通常使用进口产品或合资企业的产品。 b.聚苯乙烯夹芯板系列装置规模偏小，缺乏竞争力目前国内有聚苯乙烯生产厂近40家，大部分能力在3万吨年以下，还有不少规模在1万吨年左右的小型装置。能力达到10万吨年的生产厂仅有5家。小装置不但产品质量不能和先进的大型生产装置相比，而且生产成本也较高，在市场竞争中处于劣势。 c.料供应不足，装置开工率低与聚苯乙烯生产的高速发展不相适应的是，其原料苯乙烯生产发展相对较慢，聚苯乙烯装置的原料来源受到限制，开工率受到影响。1999年，中国苯乙烯生产能力为84.6万吨年，产量60.2万吨，即使全部用于生产聚苯乙烯也仅能满足国内聚苯乙烯生产需要的43。原料供应的不足是造成装置开工率较低的主要原因之一。1999年，中国聚苯乙烯产量约94万吨，装置的平均开工率仅为67，生产能力大量闲置，进一步增加了中国对进口聚苯乙烯的依赖程度。5.2现存问题 随着终端应用领域的不断创新，聚苯乙烯(PS)主要下游产品正逐渐被所取代，未来或许将会销声匿迹。这促使一些地区性的生产商完全退出该业务，PS产业正逐渐被扼杀。 在新款游戏机、手机和MP3播放器生产中，已大量使用聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯来取代PS。PS目前的应用仅限于低端产品，如食品包装、玩具、衣架、容器和某些消费性电子产品。然而即使在这些领域，PS仍可能逐渐被更廉价的原料如聚丙烯所取代。 作为PS的一个重要市场，中国自2003年以来需求已呈现连续下滑局面，2003年需求曾超过260万吨，而去年则