高分子材料与工程专业实验教程(第2版)
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实验13 悬浮乳液聚合制备丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物

一、实验目的

(1)加深对自由基共聚合原理的理解。

(2)了解ABS树脂的制备方法及用途。

(3)掌握悬浮乳液聚合制备丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物的实验技术。

二、实验原理

丙烯腈—丁二烯—苯乙烯树脂,就是通常所说的ABS树脂。ABS树脂是由丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)和苯乙烯(Styrene)聚合制得,它的结构中既含有无规共聚成分,又含有接枝共聚成分。它是一个两体系,连续相为丙烯腈和苯乙烯的共聚物AS树脂,分散相由接枝橡胶和少量未接枝的橡胶组成。由于ABS具有多元组成,因而它综合了多方面的优点,既保持橡胶增韧塑料的高冲击性能、优良的机械性能及聚苯乙烯的良好加工流动性,同时由于丙烯腈的引进,使ABS树脂具有较大的刚性,优异的耐药品性以及易于着色的好品质。它是一个新型的热塑性工程塑料,它的用途极为广泛,如可用于航空、汽车、机械制造、电气、仪表以及作输油管等。调节不同组成,可以制得不同性能的ABS。

ABS树脂有两种类型:共混型和接枝型。接枝型又可由本体法和乳液法制备。悬浮乳液法属于乳液法,但它克服了常规乳液法后处理困难的缺点,容易处理,容易干燥;与本体法相比,它反应条件稳定,散热容易,且橡胶含量可以任意控制。它是近年来发展起来的新的聚合方法。

悬浮乳液法制备ABS树脂分两个阶段进行:第一阶段是乳液聚合,它主要是解决橡胶的接枝和橡胶粒径的增大。ABS树脂中分散相橡胶粒径的大小必须在一定范围内(一般认为0.2~0.3μm)才有良好的增韧效果。以乳液法制备的乳胶(在此为丁苯乳胶)其粒径通常只有0.04μm左右,在ABS树脂中不能满足增韧的要求,故必须进行粒径扩大。粒径扩大的方法很多,在此采用最简单的溶剂扩大法,即靠反应单体本身作溶剂使其渗透到橡胶粒子中去。此法亦有利于提高橡胶的接枝率。橡胶接枝的作用有两点:一是增加连续相与分散相的亲和力,二是给橡胶粒子接上一个保护层,以避免橡胶粒子间的并合,接枝橡胶制备的成功与否,是决定ABS树脂性能好坏的关键。此阶段的反应如下:

此外,还有游离的St—AN共聚物和少量未接枝的游离橡胶。

第二阶段是悬浮聚合,它的作用有两点:一是进一步完成连续相St—AN树脂的制备,二是在体系中加盐破乳并在分散剂的存在下使其转为悬浮聚合。

本实验以丁苯乳胶、苯乙烯、丙烯腈为原料,通过悬浮乳液聚合制备ABS树脂。

三、实验材料和仪器

1.主要实验材料

丁苯乳胶、苯乙烯、丙烯腈等。

2.主要实验仪器

三口烧瓶、搅拌器、回流冷凝管、氮气钢瓶等。

四、实验步骤

1.乳液接枝聚合

配方:

丁苯-50乳胶             45g(含干胶16g)

苯乙烯和丙烯腈(30:70)混合单体  16g

叔十二硫醇             0.08g

蒸馏水               39g+44g

过硫酸钾(K2S2O8)         0.1g

十二烷基硫酸钠           0.32g

(1)在装有搅拌器、回流冷凝管及温度计、通氮管的250mL三口烧瓶里,加入丁苯乳胶,苯乙烯和丙烯腈混合单体,蒸馏水39g。通氮,开动搅拌器,升温至60℃,让其渗透2h,然后降温至40℃,向体系内加入十二烷基硫酸钠,过硫酸钾、叔十二硫醇和水44g,升温至60℃,保持2h,65℃保持2h,70℃保持1h,降温至40℃以下出料。

(2)用滤网过滤除去析出的橡胶,得接枝液。

2.悬浮聚合

配方:

接枝液              50g

苯乙烯和丙烯腈(30:70)混合单体 14g

叔十二硫醇            0.056g

偶氮二异丁腈(AIBN)       0.056g

液体石蜡             0.15g

MgCO3(4.5%)           38g

水                26g

(1)在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计及通氮管的250mL三口烧瓶中,加入4.5%MgCO3溶液、叔十二硫醇、水,开动搅拌器在快速搅拌下慢慢地滴入接枝液。通氮升温至50℃时,加入溶有偶氮二异丁腈的苯乙烯和丙烯腈混合单体,投料完毕,升温至80℃反应。粒子下沉变硬后,升温至90℃熟化1h,100℃熟化1h,降温至50℃以下出料。

(2)倾泻去上层液体,加入蒸馏水,用硫酸酸化到pH为2~3,然后用水洗至中性,将聚合物抽干,在60~70℃的烘箱中烘干,即得ABS树脂。

注意事项:

①丙烯腈有毒,不要接触皮肤,更不能误入口中。

②MgCO3的制备一定要严格控制,保证质量,它的质量与用量是悬浮聚合是否成功的关键。

附注:MgCO3的制备:

(1)在装有搅拌器、回流冷凝管的5000mL三口烧瓶中,加入212g的Na2CO3,2140mL的H2O,升温至60℃,恒温,在搅拌下使Na2CO3溶解。

(2)将492gMgSO4•7H2O,1350mL的H2O,放入2000mL的烧杯中,升温至60℃,通过搅拌使之溶解。

(3)用虹吸。

(4)升温至90~100℃,恒温2h。(升温至90℃,30min后体系内可能黏稠,搅拌不动,应加快搅拌速度)。

(5)质量要求:粒子要细腻,沉降要慢,在500mL的量筒里,一夜沉降在50mL以内。

五、实验结果分析与讨论

(1)对产品性能进行分析。

(2)写出ABS接枝共聚反应式。

(3)乳液有几种组分,分别是什么?

(王雅珍)