高抗冲聚苯乙烯结构及性能研究

摘 要：综述了高抗冲聚苯乙烯（HIPS）的结构及其物理化学性能。并介绍了影响HIPS结构与性能的因素。本文列出了以下影响因素：搅拌速度、橡胶用量、抗氧剂以及矿物油的影响。

关键词：HIPS 分子结构 性能

一、前言

高分子链结构分为近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构。远程结构包括分子的大小与形态，链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。链结构是指单个分子的结构和形态，包括：

1.化学组成、构型、构造和共聚物的序列结构

构型是指分子中原子在空间的几何排列，包括立体异构、几何异构。构造是指聚合物分子的形状，例如线形、支化、交联网络等等。

2.分子的大小和形态

高分子链结构中的分子结构对高分子性能的影响很大，其中，结构单元键接序列是重要影响因素之一[1]。

高抗冲聚苯乙烯（HIPS）采用化学接枝的方法，在聚苯乙烯的基体上接枝少量的聚丁二烯，相较于通用级聚苯乙烯（GPPS）从而无论在物理还是化学性能上都有很大的变化。

二、高抗冲聚苯乙烯HIPS

1.HIPS的结构与性能

由于通用级聚苯乙烯（GPPS）冲击强度低、耐环境应力开裂性和耐热性差等不足，人们在苯乙烯单体内加入合成橡胶进行自由基聚合，制得化学接枝型高抗冲聚苯乙烯（HIPS）。

高抗冲聚苯乙烯，是将少量聚丁二烯接技到聚苯乙烯基体上。具有“海岛结构”，基体是塑料，分散相是橡胶。具有诸多的特性：

1.1耐冲击聚苯乙烯为热可塑性树脂；

1.2无臭、无味、硬质材料、成形后尺寸安定性良好；

1.3有优秀的高介电性绝缘性；

1.4为非晶质低吸水性材料；

1.5其光泽性良好易于涂装。

聚苯乙烯PS因具有优异的电绝缘性、着色性、加工流动性和良好的耐水、光、化学腐蚀性及较好的刚性和一定的力学强度，已广泛应用于电子、电器、仪表、文教用品、仪器包装、玩具和家庭用品等领域[2]。

2.影响HIPS结构、性能的因素

2.1橡胶种类的影响

HIPS树脂的类别有很多，一般用高顺式、低顺式聚丁二烯橡胶或丁苯橡胶与苯乙烯共聚均可生产。由于丁苯橡胶在结构上存在大苯环，位阻大，柔韧性差，使得用丁苯橡胶生产的HIPS抗冲击性能和韧性较差。60年代以后，丁苯橡胶在PS改性方面的应用已被聚丁二烯橡胶所取代[3]。

低顺式橡胶的乙烯基含量大于高顺式橡胶，从整体看，橡胶的乙烯基含量增加，HIPS的橡胶相体积分数增加，表观接枝率增加。在显微镜下观察显示，低顺式橡胶相粒子完整，分布均匀，橡胶相中接枝和包埋的PS较多；高顺式橡胶粒子边界不清，分布较宽，橡胶中接枝和包埋少。用低顺式橡胶生产的HIPS所含的橡胶粒子粒径要比用高顺式橡胶生产的HIPS大一些。使用高顺式橡胶生产的HIPS，其中的PS相的相对分子质量大于使用低顺式橡胶的PS相的相对分子质量。

低顺式聚丁二烯橡胶分子量比高顺式聚丁二烯橡胶分子量大，而且分子量分布较宽，可以合成含有较大胶粒的HIPS。含有大胶粒的HIPS具有较高的落锤冲击强度，弯曲性能较好。在显微镜下观察用低顺式橡胶生产的HIPS和用高顺式橡胶生产的HIPS，前者所含的橡胶粒子要大一些。性能分析显示前者在抗落锤冲击和耐动态疲劳方面比后者要好，而后者在抗悬臂梁冲击强度好，但弯曲性能差。

由于低顺式橡胶乙烯基含量大，可以改善产品的耐热性能，使得在生产过程中橡胶交联反应减小，HIPS模量降低。可以使生产过程保持在较高温度下进行，提高生产效率。

由于高顺式橡胶和低顺式橡胶各有优点，采用分子结构较合适的高顺式橡胶和低顺式橡胶以适当的比例掺合来生产HIPS，能获得较好的悬臂梁冲击强度、耐热性能、伸长率等又比单独使用等量的高顺式橡胶时提高。适当比例的掺合橡胶用于HIPS生产，有利于提高产品的综合性能。

2.2聚合工艺条件的影响

2.2.1搅拌速度对HIPS结构和性能的影响

随着预聚合阶段搅拌速度的增加，橡胶粒子的直径逐渐减少，粒径分布逐渐变窄，分布更均匀。从力学性能看，随着搅拌速度的增加，橡胶相得粒径逐渐减少，HIPS的冲击强度略有升高。HIPS中橡胶相体积分数随搅拌速度变化不大。控制适当的搅拌速度，可以使产品抗冲击性能和韧性性能都保持在较好的水平，使产品获得较好的综合性能。同时，根据产品的用途调整搅拌速度，能使产品的某项性能满足要求。

2.2.2橡胶用量对HIPS结构和性能的影响

橡胶的用量对HIPS产品性能有很大影响，随着橡胶用量的增加，HIPS橡胶粒子颗粒更完整，分布更均匀，橡胶粒子逐渐减小。橡胶用量大，反应体系的粘度高，同样搅拌速率下的剪切力大，橡胶粒子变小。

随着橡胶用量的增加，HIPS的断裂伸长率显著增加，熔融指数、维卡软化点、拉伸屈服强度、拉伸断裂强度则随橡胶用量的增加而下降，悬臂梁冲击强度在橡胶含量为5%时最佳，大于或小于此值时冲击性能均不好，这可能和橡胶含量在5%时橡胶相得体积分数最大有关。当橡胶用量继续增加时，由于表观接枝率下降，橡胶相的体积分数（有效橡胶量）反而下降，导致悬臂梁冲击强度下降。

2.2.3抗氧剂的影响

由于聚丁二烯橡胶存在乙烯基，HIPS极易被氧化，抗氧剂的加入能有效地减少HIPS树脂在生产、贮存、加工和使用过程中的老化。抗氧剂的作用是由于其结构中存在活泼的氢原子，它能与HIPS在光、热和氧作用下生成的大分子游离基R？和过氧化游离基ROO？结合而形成稳定的化合物，抗氧剂本身则成为失活的游离基。抗氧剂的种类和用量对HIPS的结构和性能都有不同程度的影响。

2.2.4矿物油的影响

适量的高粘度矿物油能使产品在爆出适度耐热和冲击强度的同时，增加流动性，改善加工性能[4]。

三、结论

由于高分子链结构中的分子结构对高分子性能的影响，不同于普通的通用级聚苯乙烯（GPPS）或者苯乙烯类嵌段共聚如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯热塑性弹性体（SBS） 的加热可以熔融，室温具有弹性等性能。HIPS则具有优异的电性能、力学强度等性能。通过改性来进一步改善高抗冲聚苯乙烯的性能，一直是研究的热点。主要的发展方向有：高光泽高抗冲聚苯乙烯、耐应力开裂高抗冲聚苯乙烯、阻燃高抗冲聚苯乙烯及耐热高抗冲聚苯乙烯等。随着理论研究的不断深入，新设备新工艺的发展，这类具有优异性能的高抗冲聚苯乙烯产品不断涌现，其应用也将更加广泛。

参考文献

[1]何曼君，张红东，陈维孝等.高分子物理[M].第3版 上海复旦大学出版社，2008.26-44

[2] OSELLA M C， RE G， BADINO P， et al. Phosphatidylserine （PS） as a potential nutraceutical for canine brain aging： A review [J]. Journal of Veterinary Behavior： Clinical Applications and Research， 3（2）： 41-51

[3] 曾飞， 赵树高， 张萍， 等. 低顺式聚丁二烯橡胶的性能与应用[J]. 特种橡胶制品， 2003， 24（4）： 52-55.

[4] LIND A， HJORTH C G， H KANSSON U， et al. Evaluation of mock-ups before manufacture of a shield block prototype by powder HIP [J]. Fusion Engineering and Design， 2000， 49-50（2）： 599-604.