ABS高分子附聚工藝的中試放大

王寧，王華偉，王希

（1.天津膜天膜科技股份有限公司，膜材料與膜應用國家重點實驗室，天津300457；2.天津工業(yè)大學，省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津300387）

ABS樹脂是丙烯腈、1,3-丁二烯及苯乙烯三種單體組成的共聚物，由于其擁有優(yōu)異的性能，應用靈活多樣，成為工程塑料高性能化、通用樹脂工程化不可或缺的材料，多用于電子電器、運輸交通、通訊器材等領域[1]。

ABS生產(chǎn)方法較多，目前主要以乳液接枝-摻混法和連續(xù)本體法為主，兩種生產(chǎn)方法各有利弊，天津大沽化工股份有限公司使用乳液接枝-本體SAN摻混法。在乳液聚合制備聚丁二烯膠乳時，通過調(diào)節(jié)溫度、固含量及壓力等因素，使用高壓物理附聚法將聚丁二烯膠乳的粒徑變大[2]。

附聚工藝是目前應用較廣的方法，增大膠乳粒徑的方法還有高分子附聚法，這種方法投資不是很大，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異，能耗和成本也比較低，過程也比較好控制，因此國內(nèi)有較多企業(yè)和高校都做了深入的研究，如考察高分子附聚過程的各種因素，或調(diào)整附聚劑配方，來提高ABS樹脂的性能，優(yōu)化產(chǎn)品。

我試驗室已完成高分子附聚小試，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(chǎn)生粒徑大于1385nm的膠乳顆粒。通過將小試工藝逐級放大，考察膠乳及高分子附聚工藝的穩(wěn)定性。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及試劑

聚丁二烯膠乳（工業(yè)級）,天津大沽化工股份有限公司；AS樹脂（工業(yè)級）天津大沽化工股份有限公司；高分子附聚劑（工業(yè)級）自制；去離子水（分析純）天津大沽化工股份有限公司。

1.2 試驗設備及儀器

注塑機（SA600/150），寧波海天塑機集團有限公司；雙螺桿擠出機組（CTE-20），南京科倍隆機械有限公司；萬能試驗機（XWW-20A），承德市金建檢測儀器有限公司；制樣機（XQZ-1），承德市金建檢測儀器有限公司；懸臂梁沖擊試驗機（XJU-5.5），承德市金建檢測儀器有限公司；熔體流動速率儀（XNR-400B），承德市金建檢測儀器有限公司；電子天平（0.0001g），瑞士梅特勒儀器有限公司；鼓風干燥箱（DH-101），天津中環(huán)實驗電爐有限公司；自動恒溫電熱套（ZHT），山東鄄城華魯儀器公司；電動攪拌器（WH7401-90），天津市威華實驗儀器廠；紫外/可見光分光光度計（T6），北京普析通用儀器公司；多波長激光粒度衍射儀（LS13320M），美國貝克曼庫爾特公司；pH計，梅特勒托利多；鹵素水分分析儀（HR83），梅特勒托利多。

1.3 中試設備

通過對小試試驗的討論及摸索，使用50L中試設備進行中試，設備為：抽真空泵（CO-101），Q=27m3/h,進出口壓力-80kPa/10kPa；反應釜（MR-201），V=50L；釜換熱器（TT-211），換熱面積 0.2m2；熱油膨脹罐（MD-201），0.25(￠500 x 1600T/T)；熱油循環(huán)泵（PP-205A/B），WHY50-32-150，8×22，ATM/110，1kW。注：①反應釜設計壓力為1600kPa，設計溫度200℃，主要材質(zhì)為304不銹鋼，保溫材料是復合硅酸鹽、厚度100mm；②釜換熱器為列管式換熱器，主要材質(zhì)為碳鋼，介質(zhì)為導熱油。

1.4 試驗方案

本文分別使用 0.5L、1L、2L、3L 三口燒瓶和50L中試反應釜。稱取一定量的PBL膠乳，升溫，按比例加入附聚劑和水，附聚一定時間后出料，出料后的膠乳進行固含量及粒徑分布的測試；測試合格的膠乳經(jīng)接枝、凝聚、干燥后與AS樹脂按比例進行擠出，進行拉伸、沖擊和熔體流速等項目的測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同反應釜對膠乳粒徑的影響

通過長時間觀察，經(jīng)高分子附聚后的膠乳較穩(wěn)定，長時間放置后粒徑?jīng)]有發(fā)生大的變化，能滿足當前生產(chǎn)的要求，因此對上述工藝進行一定程度的放大。放大仍在試驗室進行，分別使用0.5L、1L、2L、3L三口燒瓶作為反應釜，進行高分子附聚試驗的放大。

圖1 不同反應釜對平均粒徑的影響

由圖1可見，隨著反應釜的逐級放大，膠乳的平均粒徑基本保持穩(wěn)定，測試結(jié)果都在工藝控制范圍內(nèi)，所以試驗基礎配方可行。

2.2 高分子附聚工藝的中試

乳液聚合時，在攪拌作用下，把單體變?yōu)樾∫旱危@樣非常有助傳質(zhì)傳熱，但機械作用若過于猛烈，會讓乳液出現(xiàn)物理析膠，甚至是破乳，從而讓乳液變得不穩(wěn)定。這是因為乳膠粒通過攪拌獲得動能，當它的動能超過了粒子之間的斥力或空間位阻作用時，乳膠粒就發(fā)生聚結(jié)，而破乳。因此攪拌轉(zhuǎn)速對附聚膠乳的影響可想而知，小試時，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，膠乳極易產(chǎn)生顆粒[3]。因此將中試轉(zhuǎn)速定為在120rpm，按照該試驗流程，使用中試反應釜進行附聚中試試驗，測試所得膠乳性能，測試結(jié)果：當平均粒徑328 nm；固含量36.4%；pH值9.1；交聯(lián)密度41%；粒徑分布＜214nm、＞1385nm、D50、Mean/Median時，高分子附聚膠乳為 0.5%、0、360nm、1.038；峰型為單峰。經(jīng)高分子附聚中試后，膠乳粒徑滿足工藝需求，呈單峰分布，pH值較低。為避免膠乳在存放時發(fā)生破乳，需要對其考察膠乳穩(wěn)定性。

2.3 PBL膠乳穩(wěn)定性的觀察

在膠乳放置過程中，由于膠乳粒子發(fā)生布朗運動，容易導致乳膠粒間發(fā)生碰撞，易造成破乳，此時在重力作用下，特別容易導致乳膠粒升浮或沉降，而出現(xiàn)凝聚層。將膠乳盛放在塑料桶中，封口靜置于試驗室，每天取少量膠乳進行粒徑測試，以觀察膠乳穩(wěn)定性。

中試膠乳在一個月內(nèi)，平均粒徑、中位徑等數(shù)值較穩(wěn)定，波動不大，符合工藝要求。

2.4 中試工藝穩(wěn)定性的考察

中試工藝確定后，按照同樣的配方，對高分子附聚工藝進行了多次中試試驗，下表1是幾次中試試驗的粒徑變化，以此測試中試工藝是否穩(wěn)定，測試結(jié)果如下表所示。

表1選取了其中4次中試試驗結(jié)果，考察了中試工藝的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：該高分子附聚工藝較穩(wěn)定，可繼續(xù)下一步試驗使用。

表1 中試工藝穩(wěn)定性的考察

2.5 中試膠乳的評價

由表2可見：膠乳粒徑的分布與相應的ABS沖擊有明顯的關系，小粒徑越少，沖擊值越高，最高值可達297J/m。

表2 附聚效果對ABS性能的影響

通過高壓物理附聚制備的膠乳粒子有大有小，小粒徑的粒子較多，分布并不是很均勻，所以起不到吸收沖擊能的作用，相對沖擊值較低。而經(jīng)高分子附聚后的膠乳，大小相對較均一，分布較集中，均勻分散在基體中的橡膠粒子，使得ABS樹脂力學性能加強，橡膠粒子產(chǎn)生的應力集中在SAN基體中，激發(fā)了銀紋，銀紋的激發(fā)和增長都要吸收較多的應變能，使ABS樹脂的沖擊韌性獲得很大的提高[4]。高分子附聚從根本上改變了ABS樹脂中橡膠粒子分布，因此對抗沖擊強度的提高起到了較大的作用。

總之，通過大量試驗，對高分子附聚工藝進行了逐級放大和中試。測試結(jié)果表明，反應釜的改變并未對粒徑造成大的影響。通過對樣品及工藝的考察，樣品的粒徑在工藝有效期內(nèi)基本穩(wěn)定，多次中試試驗結(jié)果的重復性較好，能滿足生產(chǎn)需求。使用該膠乳制備出來的ABS樹脂沖擊有了較大的提高[5]。

高分子附聚工藝，可以減少聚丁二烯膠乳中小粒徑的數(shù)目，能有效提高ABS樹脂的抗沖擊強度，可用于專用ABS樹脂的開發(fā)。