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史上最全面各種類塑膠原料物性應用知識5
聚苯乙烯
聚苯乙烯（PS）是一種熱塑性塑膠原料，由于其價格低廉且易加工成型，因此得以廣泛應用。聚苯乙烯有均聚物（透明粒料）或增韌接枝共聚物或與彈性體的共混體（抗沖擊聚苯乙烯IPS）形式。聚苯乙烯共聚物在物理性能和熱性能上比均聚物有所提高。這幾類聚苯乙烯有多種品級，如標準IPS和標準透明品級、抗環(huán)境應力開裂品級（ESCR）、耐紫外線級。阻燃級、耐磨級、制輕質(zhì)制件的高撓性品級、可發(fā)泡品級、超初級以及低殘余揮發(fā)分品級等。聚苯乙烯樹脂用于制造日常生活中的一次性餐具、汽車部件、包裝材料、玩具、建筑材料、電器和家庭用品等。
化學和性能
透明PS粒料它是通過苯乙烯單體的加成聚合反應得到的無定形聚合物。無色、透明，光學性能極好，并有高剛性。性脆易裂、經(jīng)過雙軸拉伸后才較柔軟和有韌性，透明PS的代表性能如下：
密度 1．05 g／cm3
拉伸強度 48．3MPa．
彎曲強度 82．7MPa．
典型收縮率 0．0045 in/in
熱膨脹系數(shù) 5?8 X 10-5in／（in?°c）
伸長率 2?3％
維卡軟化點 225°F
聚苯乙烯本身耐y射線，因此y線照射滅菌對制品性能沒有影響。聚苯乙烯溶于芳香族溶劑和某些酮類，能溶解于甲基乙基酮。透明PS顆粒的熔體指數(shù)范圍是 1?25 g／10 min或高于 25 g／10 min。它有耐熱高的品級（維卡軟化點達223°F），也有殘余單體含量低的品級。
抗沖擊PS 它是苯乙烯單體與橡膠接枝聚合生成的無定形聚合物，或是聚苯乙烯與橡膠（通常為聚丁二烯橡膠）的物理共混物。所生成的聚合物具有韌性，通常為白色（也有透明的品級），擠出和成型非常容易。它的韌性主要決定于橡膠組分的比率和使用量。因此，抗沖擊PS的性能變化較大，一般將其分成三類：中等沖擊強度級（懸臂梁沖擊強度＜ 1．5 ft.lb＝、高沖擊強度級（懸臂梁沖擊強度為1．5～2．4 ft.lb和超高沖擊強度級（懸臂梁沖擊強度為2．6?5．0 ft./lb）。抗沖擊PS的代表性能為：彎曲強度和拉伸強度為13．8～48．3MPa（隨橡膠和添加劑含量不同而不同）；伸長率 10? 60％；光澤度 5一100％。目視透明度從極佳至較差，收縮率約為0．006 in／in，熱膨脹系數(shù)與透明PS相同。抗沖擊PS受γ一射線滅菌照射后性能無變化，與透明PS具有同樣的耐溶劑性。抗沖擊PS的熔體指數(shù)為1～10g/min，維卡軟化點為215°F。具有增強性能的抗沖擊級聚苯乙烯的商業(yè)化生產(chǎn)有廣泛的市場前景。已有的一些特殊品級包括：超高光澤度級、高透明級、耐磨級、抗環(huán)境應力一開裂級（ESCR）、高模量級、低光澤級、殘余單體苯乙烯含量低的品級（1500 ppm以下）以及低溫抗沖擊良好的品級。
聚苯乙烯共聚物 它們的韌度非常好。主要品種有：苯乙烯一丙烯睛共聚物（SAN）、苯乙烯一馬來酸酥共聚物（SMA）、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物（SBS）、苯乙烯和丙烯酸酯共聚物，以及以它們?yōu)榛牡母男泽w。SAN的熱變形溫度比透明PS高，其耐溶劑性也有改進，具有優(yōu)異的抗?jié)B透性。橡膠改性的SAN有丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物（ABS）和丙烯睛．苯乙烯一丙烯酸酯共聚物（ASA）等樹脂。S－MA的熱變形溫度比透明體PS更高，可達40°F，它有優(yōu)良的透明性和光澤度。SMA可用橡膠改性或采用玻璃纖維增強。SBS和SBS的各種改性體可作為改善抗沖擊性、柔性和流動性的組分用于生產(chǎn)具有粘性和抗彎曲的產(chǎn)品如膠泥、鞋底、瀝青氈等，SBS還用于生產(chǎn)透明抗沖擊PS。苯乙烯可與丙烯酸酯彈性體共聚生成具有優(yōu)良物理性能的透明級抗沖擊PS。
可發(fā)性聚苯乙烯（EPS） 用于制造從茶杯到家用絕緣絕熱材料等。泡沫塑料的性能（如密度和抗沖擊強度）取決于泡孔的大小和分布，這二個因素是由所加入的發(fā)泡劑的分散率、百分含量和揮發(fā)性來控制的，代表性的發(fā)泡劑是戊烷和異戊烷。阻燃級發(fā)泡聚苯乙烯以鹵代烴作為阻燃劑，廣泛用作建筑物隔音絕熱層和工程上使用。可發(fā)泡劑SAN已被用于制造漂浮制品和其它耐汽油制品.
制法
目前制造聚苯乙烯有幾種方法。最早工業(yè)化生產(chǎn)的方法之一是用懸浮聚合制取透明PS和用本體、懸浮聚合制取抗沖擊PS。苯乙烯單體與幾乎與其等體積的水混合，并加入表面活性劑，攪拌使苯乙烯單體成為懸浮狀液滴，最后聚合成硬的珠粒。反應中需加入引發(fā)劑加速和終止反應。最后制成的聚苯乙烯珠粒再經(jīng)擠出成為粒料。
可發(fā)性聚苯乙烯的制法與上述相同，但在用浸漬法制取浸潤珠粒過程中要加入發(fā)泡劑（一般為戊烷）。抗沖擊聚苯乙烯的制法是：將橡膠溶解在苯乙烯中，進行本體聚合（使苯乙烯與PS在低于相轉(zhuǎn)變點時反應，加入水和表面活性劑使之成為懸浮液，加入弓沒劑終止反應，然后對珠粒進行干燥、擠出切粒。目前生產(chǎn)上大都采用連續(xù)法本體聚合，在這一生產(chǎn)過程中，苯乙烯（制透明PS粒料）或苯乙烯一橡膠溶液（制抗沖擊PS）在達到最佳轉(zhuǎn)化率之前要經(jīng)過連續(xù)性反應，然后汽提除掉未反應的組分，進行造粒。
加工
目前透明PS和抗沖擊PS多采用擠塑、熱成型和注塑成型等加工方法。許多產(chǎn)品也采用吹塑成型和滾塑成型方法。
擠塑 大部分透明PS和抗沖擊PS采用擠塑成型方法，其中大多數(shù)用于生產(chǎn)片材。片材本身是可出售的，也被生產(chǎn)廠自己用來熱成型加工。從建筑材料到波紋板等多種型材制品都可用透明PS和抗沖擊PS擠塑成型。非發(fā)泡制品的擠塑成型一般使用溫度從380°F（喂料段）到430?460°F（擠出段）的二段式排氣擠出機。新型的擠塑成型設備，如旋轉(zhuǎn)擠塑機，已有應用。
透明PS和抗沖擊PS具有不吸水性，所以在擠塑成型前不需干燥。但如果喂料口溫度過低，或粒料貯存中表面帶有水分，以及排氣孔被堵塞時，那么濕氣就成為問題。
共擠塑 這是一種發(fā)展迅速的加工工藝，采用這種加工成型方法可制造由同一種或不同塑料互相貼合的層合制品。透明PS層在上、抗沖擊PS為下層的共擠塑成型制品不需粘合劑粘接。而有的分層結(jié)構(gòu)，如抗沖擊PS上覆以聚烯烴類塑料的共擠塑制品需要涂粘合劑進行粘接。
在熱成型操作中，摻用回收料的比率為30～ 80％，有的塑料可通過擠塑機7次或更多次反復進料，透明PS和抗沖擊PS可以被多次擠出，其性能不發(fā)生顯著下降。但如果摻用了穩(wěn)定性不好的塑料，即使摻用量很小，也會引起性能的顯著下降。
熱成型 通常分為4種操作：傳統(tǒng)的一般成型、旋轉(zhuǎn)工位成型、串聯(lián)連續(xù)熱成型和輥喂料連續(xù)成型。厚的片材用對流加熱爐加熱、薄片用輻射爐加熱使之軟化達到成型溫度。成型工藝對片材質(zhì)量的要求非常高，所以在擠塑過程中必須當心。
注塑成型 目前來說，透明PS和抗沖擊PS是一類可制得尺寸穩(wěn)定性最好。生產(chǎn)周期最短的塑料而成本比較低，因此十分適于許多注塑成型制品。機筒溫度一般為390～500°F。為縮短生產(chǎn)周期、改善產(chǎn)品質(zhì)量，具有超快注射和回復速率的注塑成型系統(tǒng)已面世。加工廠使用的模具有多種，包括熱流道系統(tǒng)及各種形式的澆口設計。
泡沫成型和擠塑 透明PS和抗沖擊PS進行泡沫成型和擠塑時要使用不同的發(fā)泡劑，如戊烷、氮氣、化學發(fā)泡劑（CBA）和氟利昂等。添加劑成分根據(jù)用途可達10種以上，也可以不加。
可發(fā)性聚苯乙烯的成型分二段：先將聚苯乙烯粒料預發(fā)泡使之成為預發(fā)體。預發(fā)體通常要進行熟化，以使空氣逐步滲入泡孔并將泡孔中的發(fā)泡劑和水置換出來。然后將熟化后的預發(fā)泡珠粒送至設有蒸汽通道的模具內(nèi)進行熱成型，最后得到產(chǎn)品。用此方法可生產(chǎn)薄壁制品（杯于）或2ft*16ft*4ft的泡沫塊，再切成 4ft*8ft *1（或＞ 1）in的板條，可用于絕緣絕熱。可發(fā)性聚苯乙烯的密度可以在小于1ib／ft3到大于 6 lb／ft3范圍內(nèi)變化。
應用
擠塑成型是透明PS和可發(fā)性PS的主要加工方法，可制造異型部件或片材，產(chǎn)品可直接使用，也可再經(jīng)熱成型制成其它產(chǎn)品。透明PS擠出成型產(chǎn)品有照明燈漫射罩、玻璃，或雙軸定向后制造點心盤。機殼透明窗及泡形包裝。這些產(chǎn)品有極好的透明度，透明PS可發(fā)泡制造快餐包裝用餐盒、雞蛋箱、盤、碗、茶杯和托盤。泡沫聚苯乙烯片材被用作建筑物板條和隔音隔熱材料，也可與某些橡膠共混制造高透明度和抗沖擊性好的產(chǎn)品。為提高片材和最終產(chǎn)品的光澤，可用共擠塑成型方法將透明PS作覆蓋層與抗沖擊PS共擠塑。有單層片材產(chǎn)品，可共擠塑成多達9層以上，但常見的片材在4層以下。
擠塑／熱成型的產(chǎn)品有一次性用品，如日常生活及超市所見的杯、盤、蓋、多用途或單一用途的食物容器，以及醫(yī)療和餐館用盤具、包裝材料和許多其它用品。采用共擠塑成型的產(chǎn)品性能可得到改善，如抗環(huán)境應力開裂性（ESCR）、抗?jié)B透性、表觀質(zhì)量、物理性能等有提高。聚烯烴覆于PS上的共擠塑產(chǎn)品已商業(yè)化生產(chǎn)，其抗環(huán)境應力開裂性能和水蒸汽透過率都成功地得以提高。
聚苯乙烯注塑成型也是應用很廣的一種加工方法。透明PS和抗沖擊PS注塑成型用于制造電器、玩具、家庭用品、醫(yī)療用品、飲食服務用品、包裝材料。儀器儀表和辦公用具等。透明PS可加工成型為辦公用品、光盤存放盒、大口杯、陳列柜、刀具和玩具等，抗沖擊PS的注塑成型產(chǎn)品有玩具、醫(yī)療用品、電器設備零件及外殼等多種用品。許多電器產(chǎn)品需采用阻燃級抗沖擊PS。注吹塑和擠坯吹塑成型可生產(chǎn)藥瓶和其它瓶子、家庭用保裝箱和裝飾材料等。
可發(fā)性聚苯乙烯的成型制品有杯子、冰箱、傳統(tǒng)包裝及漂浮救生用具等。阻燃級可發(fā)泡聚苯乙烯最大的應用領(lǐng)域是作建筑材料和絕熱隔音材料。可發(fā)性聚苯乙烯的預發(fā)體可用來制造粒狀物填充的軟墊椅和松散的填充料。
聚偏氯乙烯（PVDC）
偏氯乙烯的均聚物和共聚物習慣上稱為莎綸樹脂，其商業(yè)聚合物是偏氯乙烯（VDC）與氯乙烯、丙烯酸酯或丙烯睛的共聚物。共聚單體的選擇對于共聚物的性質(zhì)影響很大，共聚物的形態(tài)應根據(jù)熔融加工、溶液涂敷、分散涂敷等加工方式來確定。
VDC聚合物及共聚物的顯著特性是氣、液低透性、阻隔性及耐化學特性。
化學與性質(zhì)
VDC單體可由乳液法或懸浮法共聚合。乳液聚合物可直接做為膠乳應用，也可經(jīng)凝結(jié)、脫水、干燥后制成樹脂以備溶液涂敷或熔融加工時應用。
VDC均聚物熔點約388至401°F，且在410°F時開始迅速分解，因而難以加工。共聚單體能降低樹脂熔點至284至347°F，因而易于熔融加工。
通用的典型配方以及注塑型共聚物含有2至10％的增塑劑，如癸二酸二丁酯或己二酸二異丁酯。高度阻隔性能的配方樹脂很少或完全沒有增塑劑，只有0．5至1．0％的穩(wěn)定劑，以染料和顏色作著色劑，加紫外光穩(wěn)定劑可使樹脂在室外應用。
73°F時，其透氧性為：0．033至1．0（厘米）3／密耳100（英寸）2／天／大氣壓，且不受濕度的影響；透CO2性能也較低：約0．1至2．4cc／mil／100 sq．in．／day／atm..對許多有機溶劑的滲透性非常低，例如正己烷的透過率只有 10-3至10-4克／密耳／100（英寸）2／天；在溫度100°F，相對濕度90％條件下，水蒸汽傳遞速率為 0．021至 0．5克／密耳／100（英寸）2／天 。
分級與形態(tài)
用于封裝食品，且能熔融加工的樹脂品級有擠塑型、共擠塑型以及為滿足個別包裝需求而由加工者自行確定配方的層合型樹脂。它們包括收縮型軟包裝、不收縮型軟包裝以及剛性硬包裝等。其他一些品級用于模塑和熔融粘合，市面上供應的單絲級樹脂有配方型和非配方兩種。
樹脂形態(tài)分珠狀和粉末狀兩種。用于模塑、擠塑、層合的樹脂，平均粒徑在150至280微米之間；粘合用樹脂的平均粒徑在15至25微米之間。有幾種品級的已配方好的粒料，可用于擠塑或共擠塑。
還有一種以塑料或紙做基底材料，用作不透性涂層或熱封涂層的水稀釋性膠乳，而用作透明涂層用的溶劑型樹脂，供應的則是干劑。
加工
熔融加工型VDC共聚物可用于注塑、擠塑、吹塑、共擠塑加工成膜成片以及驟冷輥平擠等加工形式。低熔體強度有礙常規(guī)的單層膜熔融吹氣加工成型，如薄膜吹塑、擠坯吹塑。然而，擠塑軟管可經(jīng)過驟冷，再經(jīng)加熱、拉伸后，可進行冷吹。
加工過程中，應維持熔體溫度低于400°F，以預防聚合物分解。對于加工設備應特別考慮與熱聚合物相接觸的部位應采用耐腐蝕的合金，特別是鎳合金或高鎳鋼；設備流線型化以便縮短聚合物在設備內(nèi)的滯溜時間，并應避免聚合物掛料。重金屬，如鐵、銅、鋅會引起樹脂催化分解，應避免采用。作為一個類型的聚合物，熔融的VDC共聚物也和其他一些帶鹵族原子的聚合物，如PVC和氯化聚乙烯一樣，也具有腐蝕作用。
應用
莎綸樹脂可制成單層膜、多層膜、片料以及涂層，用于食品包裝，以隔絕外界濕氣與某些氣體，而保持食品風味、氣味。食品組分。高度阻隔性的共聚物可熱加工成型剛性包裝容器，用于包裝揮發(fā)性物質(zhì)或用以隔絕外界氣體和濕氣，如成型一灌裝一封口包裝以及塑料罐封裝。
一些單層膜廣泛用做家用包裝薄膜，工業(yè)用單層薄膜通常以層合形式應用，例如單元劑量藥品封裝、化妝品包裝以及食品包裝等。
含有莎綸阻隔層的多層復合膜，用來包裝鮮肉、熟肉、奶酪以及家禽制品等。
聚氯乙烯
電解鹽水提供了幾乎等量的氯和燒堿，而后氯與乙烯反應生成二氯乙烷，轉(zhuǎn)而脫氯化氫生成氯乙烯單體。
目前，多數(shù)氯乙烯是由氧氯化工藝過程生產(chǎn)的，氯乙烯在通常環(huán)境條件下是氣體，在壓力下變?yōu)闊o色透明的液體。
制造
目前PVC樹脂的估計生產(chǎn)能力111億磅，大部分是均聚物和少量的共聚物。約占總量90％的是由懸浮法生一的，其余為本體聚合和乳液法制備的，王有部分糊狀樹脂。但少量的溶液共聚物還未包括在里面。
這些產(chǎn)品的廣泛潛在應用范圍，是在聚合的過程中，加入少量的聚合添加劑，從而影響了樹脂顆粒的結(jié)構(gòu)和性能。如在懸浮法生產(chǎn)樹脂中，添加若干水溶性高聚物用作主分散劑或輔助分散劑，而乳液樹脂采用表面活性劑組合物。
其它的通用添加劑有螫合劑、抗氧劑、緩沖劑、或簡單的堿。國產(chǎn)樹脂預期會有適度增長，未來將在很大程度上依賴于經(jīng)濟發(fā)展周期和美元的力量。
所有商業(yè)用PVC都是由加成聚合反應生產(chǎn)的。聚合過程中，引發(fā)劑分子分解生成自由基．并與周圍的綠乙烯單體一起形成一個活性中心。反應持續(xù)下去一直到鏈終止。在試種條件下，一個單獨的PVC分子完成鏈增長幾乎只需要完成轉(zhuǎn)移所需時間的很小部分。這個反應是自催化反應，所得到的高聚物分子量幾乎與引發(fā)劑的濃度和鏈轉(zhuǎn)移的程度無關(guān)。由于整個反應過程是在等溫條件下進行的，所形成窄的分子量分布（MWD是很典型的。在這種反應中，鏈中分子的平均數(shù)估計是在950（聚合溫度為122°F）和480（聚合溫度為158°F）之間。
聚合反應完成時，高聚物分子主要按頭一尾順序排列。高聚物是部分結(jié)晶（間規(guī)），隨著溫度的升高，結(jié)構(gòu)運動的無規(guī)則性也在增加。約 60％的高聚物分子會存在不飽和的鏈端，這主要取決于鏈終止的方式，同時支化作用可能發(fā)生在4％的鏈分子中。上述這些因素對樹脂的熱穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大影響，當反應溫度升高時，這些因素是與鏈轉(zhuǎn)移比鏈增長需要更高的信有關(guān)。
要特別注意的是，硬質(zhì)PVC首先在里近212°F處發(fā)生熱分解，這主要取決于分子量和加熱條件。在釋放出氯化氫時，樹脂將變色、變脆，最后因交聯(lián)而變?yōu)椴蝗菪缘奈镔|(zhì)。樹脂變色是由于熱敏性烯可基和叔氯原子的形成，分子鏈斷裂，從而引起多烯結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生的。
可用穩(wěn)定劑來改善混配料和最終制品的熱穩(wěn)定性，若干材料可用作穩(wěn)定劑如金屬有機化合物、金屬鹽和金屬皂）。抗氧化劑、自由基抑制劑。
能與主要穩(wěn)定劑起協(xié)同作用的輔助穩(wěn)定劑同樣也是有效的。另外的物理性能方面，PVC的玻璃化溫度（Tg）可認為5鏈段開始活動的溫度，硬PVC樹脂的Tg一般認為是180°F。
隨著增塑劑的逐步增加，Tg的值在降低。雖然熔化熱在一個增塑系統(tǒng)中是以測量的，但由于熱穩(wěn)定性的原因，這種樹脂的熔點是不能直接測量的。
因為PVC高聚物與有效范圍的增塑具有相互混溶性，在糊樹脂中經(jīng)常添加塑劑，其用量可以從非常低的水平到很的水平，因此PVC可以制備各種各樣產(chǎn)品。這些化合物降低了分子間的束力，并使產(chǎn)品變得更柔軟。
增塑劑通常分為主增塑劑、輔助增塑劑或增量劑，主要取決于與高聚物的相容性水平，相容的比率為1：1稱為主增塑劑，輔助增塑劑的相容比率在1：3以內(nèi)。
這些材料的滲出傾向較小，揮發(fā)性較低。同樣許多增塑劑是能抗降解，不易燃，在化學上是惰性的。
市場
PVC與增塑劑、穩(wěn)定劑和其它添加劑混合的容量很大，使得它成為在所在塑料中應用最廣泛的一種。值得注意的是PVC制造的產(chǎn)品可從厚壁壓力管到薄的、晶瑩透明的食品包裝材料，或從房屋壁板到外科用手套等。
在1990年，只有低密度PE銷售量超過了PVC，到了1992年P(guān)VC就降低到高密度PE之后處于第三的位置。也許在一個相當長的時期，PVC的發(fā)展還會更慢。管材、管道、房屋壁板和門窗型材約占 PVC需求量的 60％，包裝材料。電工器材和生活消費品各占總量的5-6％。在過去的5年間，大容量的管材和管道以年增長率超過2％的速度持續(xù)增長，同時房屋壁板年增長率為8％，建設和建筑用產(chǎn)品的增長率預期會超過1993和1994年的水平。
雖然有各種各樣的輔助設備，但幾乎 PVC總量的 85％是在三種基本加工設備上加工成型的。最大量的加工是在擠出機上進行的，其次是壓延機和注塑機。然而，過去三年中，注塑成型的產(chǎn)品在明顯增長，因為人們關(guān)注的是在新型低壓設備上有效地生產(chǎn)精密的部件。
新型和改性的產(chǎn)品一直受到人們的注意，但由于保密和經(jīng)濟的原因，也許花費了大部分開發(fā)費用。人們感興趣的一個方面是不斷努力提高管材樹脂的體積密度，但并不增加氯乙烯單體的殘留量或樹脂的生產(chǎn)成本。
擠出型成膜級樹脂也存在著一個相似的情況是這種樹脂顆粒孔隙也可有效地吸收增塑劑，但可用一個更好的壓實系數(shù)（體密度與真密度之比）來提高擠出的產(chǎn)量。
在低分子量樹脂中，顆粒內(nèi)部的孔隙度是一個關(guān)鍵因素，因為食品及藥物管理局正在研究對與食品接觸的材料提出允許最低的單體殘留量標準的可行性。
繼續(xù)關(guān)注的另一方面是降低樹脂起始顏色和長時間受熱時的熱穩(wěn)定性，這些對包裝和醫(yī)學的應用都是非常重要的。懸浮、分散和氯化PVC樹脂在以后的篇章中還要詳細論述。
聚氨酯熱塑性彈性體（聚氨酯 TPEs）
熱塑性聚氨酯彈性體就其價格和性能而言，在TPE系列中占有較大的優(yōu)勢。熱塑性聚氨酯（TPUS）具有很寬廣的韌性，其一般應用越來越廣泛。它們即使在低溫條件下有較高的柔性，并具有很高的耐磨性能。這些彈性體還有很好的粘著特性。
