《聚苯乙烯类塑料》课件

聚苯乙烯类塑料聚苯乙烯类塑料是现代工业中最重要的热塑性材料之一，广泛应用于包装、建筑、电子等领域本课程作为高分子材料第五章的专题内容，将深入探讨聚苯乙烯的制备方法、结构性能、改性技术及应用前景随着科技发展和环保要求的提高，聚苯乙烯材料正朝着高性能化、功能化和环保化方向发展我们将通过系统的学习，全面了解这一重要材料的科学原理和技术应用课程目录1聚苯乙烯概述2制备方法3结构与性能基本概念、历史发展和分类体系单体合成和聚合工艺技术分子结构、物理化学性能分析4改性技术5应用与发展物理化学改性方法和新材料开发工业应用领域和未来发展趋势聚苯乙烯概述基本特征发展历程聚苯乙烯是由苯乙烯单体通过加聚反应制得的热塑性树脂，年德国药剂师首次发现苯乙烯聚合现象，经过近一个世纪PS1839具有优异的透明性和刚性其分子主链为碳碳单键，侧链含有苯的研究，年代实现工业化生产苯乙烯单体的分子式为1930环结构，赋予材料独特的性能₈₈，含有乙烯基和苯环的双重反应活性C H全球年产量超过万吨，是五大通用塑料之一，在包装、建现代聚苯乙烯工业已形成完整的产业链体系，技术日趋成熟2000筑、电子等领域有着广泛应用聚苯乙烯的历史发展年11839德国药剂师首次发现和分离苯乙烯聚合物，标Eduard Simon志着聚苯乙烯科学研究的开端2年1930德国巴斯夫公司开始聚苯乙烯的商业化生产，开创了BASF工业应用的新纪元年代31950发泡聚苯乙烯技术成熟，为建筑保温和包装行业带来革EPS命性变化4年代1960高抗冲聚苯乙烯投入市场，大幅提升了材料的韧性和应HIPS用范围年至今52000环保型聚苯乙烯材料研发成为主流，生物基和可降解技术不断突破聚苯乙烯的基本特性

1.0595°C密度玻璃化温度，质轻性好热变形关键参数g/cm³240°C7×10⁻⁵熔点温度膨胀系数加工温度范围°，尺寸稳定性指标/C聚苯乙烯具有无色透明、刚性高、光泽度好的外观特征其优异的光学性能使其成为透明包装材料的理想选择材料的玻璃化转变温度决定了其使用温度范围，而线膨胀系数则影响制品的尺寸稳定性这些基本物性参数为材料的应用设计提供了重要依据聚苯乙烯的分类发泡聚苯乙烯高抗冲聚苯乙烯，轻质保温，苯乙烯共聚物EPS/XPS建筑和包装的重要材料，韧性优异，电器等，综合HIPS AS/ABS/SAN外壳和玩具的主要材料性能优异的工程塑料通用级聚苯乙烯增强型聚苯乙烯，透明性好，刚性GPPS高，广泛用于包装和日添加填料或纤维，力学用品性能显著提升单体制备方法

（一）实验室制备采用苯甲醛与醋酸酐及醋酸钠的加热反应路线，反应条件温和，操作相对简单该方法主要用于小规模制备和研究用途，产率通常为65-75%纯度控制实验室制备的苯乙烯单体需要严格的纯度控制，通常要求纯度杂质的存在会严重影响后续聚合反应的进行和产品质量

99.5%储存保护苯乙烯单体在储存过程中容易发生自聚合，需要添加阻聚剂如对苯二酚，并在低温避光条件下保存运输和使用时需要特别注意安全防护单体制备方法

（二）乙苯制备苯与乙烯在催化剂作用下进行烷基化反应，生成乙苯中间体反应温度°，压力150-200C2-3MPa催化脱氢乙苯在°高温下催化脱氢生成苯乙烯使用氧化铁、氧化600-650C锌、氧化铬等复合催化剂体系分离纯化通过精馏分离苯乙烯产品，除去未反应的乙苯和副产物该工艺占全球苯乙烯产量的以上90%循环利用未反应的乙苯返回脱氢装置循环使用，提高原料利用率整个工艺流程连续化程度高，生产效率优异聚苯乙烯的聚合机理自由基聚合最常用的聚合机理，通过引发剂产生自由基，引发苯乙烯单体聚合反应速度快，操作简便，适合工业化生产产物分子量分布较宽，立体规整性较差阴离子聚合在低温条件下使用有机锂等引发剂进行聚合可以精确控制分子量和分子量分布，制备嵌段共聚物主要用于制备特殊规格的聚苯乙烯产品阳离子聚合使用路易斯酸作为引发剂，在低温下进行聚合反应速度极快，但难以控制，主要用于研究目的产物分子量相对较低，应用范围有限配位聚合使用茂金属等配位催化剂，可以制备立体规整的聚苯乙烯反应条件温和，产物性能优异，但催化剂成本较高，工业化应用受限聚苯乙烯的工业制备方法本体聚合法悬浮聚合法乳液聚合法在单体中直接进行聚合，工单体以微小液滴分散在水中在乳化剂存在下进行聚合，艺简单，产品纯度高，但温聚合，热量易于控制，产品反应速度快，分子量高主度控制困难主要用于生产呈珠状颗粒适合生产发泡要用于生产胶乳制品和特殊通用级聚苯乙烯，占工业产级聚苯乙烯，颗粒形状均匀，用途的聚苯乙烯产品需要量的以上设备投资相发泡性能好需要使用分散凝聚、洗涤和干燥等后处理60%对较少，操作维护简便剂和稳定剂工序溶液聚合法在有机溶剂中进行聚合，分子量可调节，但溶剂回收成本高主要用于生产特殊规格的产品和苯乙烯共聚物环保要求严格，设备投资较大本体聚合法产品优势透明度高，杂质含量低工艺特点设备投资少，流程简单技术难点聚合热散发困难，温度控制要求高应用范围主要生产通用级产品GPPS转化效率单体转化率可达95-98%本体聚合法是工业上生产聚苯乙烯最重要的方法之一该工艺在纯单体中进行聚合反应，无需溶剂或分散介质，因此产品纯度极高，透明性优异由于聚合过程放出大量热量，需要精确的温度控制系统来确保产品质量和生产安全悬浮聚合法分散体系单体在水中形成稳定的液滴悬浮体系分散剂选择聚乙烯醇、磷酸钙等保护胶体反应控制温度°，时间小时80-95C6-10产品特性珠状颗粒，粒径均匀悬浮聚合法通过机械搅拌将苯乙烯单体分散成微小液滴，在水相中进行聚合该方法的最大优势是聚合热容易通过水相移除，温度控制相对容易生产的珠状聚苯乙烯颗粒形状规整，特别适合用于发泡制品的生产分散剂的选择对产品质量和工艺稳定性至关重要乳液聚合法乳化体系快速聚合乳化剂形成胶束，单体在其中溶解聚合聚合速度快，分子量可达10⁶应用拓展产品分离主要用于、等共聚物生产凝聚、洗涤、干燥获得固体产品ABS SBR乳液聚合法在表面活性剂存在下进行，单体在胶束中聚合，具有反应速度快、分子量高且分布窄的特点该方法特别适合生产苯乙烯共聚物如树脂乳化剂的选择和用量对聚合过程和产品性能有重要影响，常用十二烷基硫酸钠等阴离子表面活性剂ABS溶液聚合法溶剂选择甲苯、二甲苯等芳香烃溶剂反应控制分子量可调，热量易控制溶剂回收精馏回收，成本相对较高产品应用特殊规格和共聚物PS溶液聚合法在有机溶剂中进行聚合反应，具有热量容易控制、产品分子量可调节的优点溶剂的存在稀释了反应体系，使得温度控制更加容易，但也带来了溶剂回收的问题该方法主要用于生产特殊规格的聚苯乙烯产品和各种苯乙烯共聚物，虽然成本较高但产品附加值也相对较高随着环保要求的提高，溶剂的选择和回收技术显得尤为重要聚苯乙烯的分子结构主链结构侧基特征聚苯乙烯具有线性大分子结构，主链由碳碳单键连接而成主链每个重复单元含有一个苯环侧基，苯环的存在赋予材料刚性和透的柔性相对较差，分子链段运动受到限制侧链苯环的存在增加明性苯环间的相互作用增强了分子间力，提高了材料的π-π了分子间的相互作用力玻璃化转变温度分子链的立体规整性对材料性能有重要影响，工业产品多为无规立体异构性包括无规、间规、等规三种形式，影响材料的结晶性立构聚苯乙烯和力学性能聚苯乙烯的物理性能性能指标数值范围测试标准拉伸强度35-50MPa ASTM D638弯曲强度70-100MPa ASTM D790弯曲模量2800-3500MPa ASTMD790邵氏硬度D75-80ASTMD2240冲击强度

1.5-

2.5kJ/m²ASTMD256聚苯乙烯表现出典型的刚性塑料特征，具有较高的拉伸强度和弯曲模量材料的脆性较大，冲击强度相对较低，这是限制其应用的主要因素之一通过改性可以显著改善其韧性，扩大应用范围聚苯乙烯的热性能热变形温度在负荷下，热变形温度为°，决定了材料的使用温度上

0.45MPa70-95C限该温度接近玻璃化转变温度，超过此温度材料会发生显著变形长期使用温度连续使用温度应控制在°以下，以确保材料的尺寸稳定性和力学性能70C短时间可耐受更高温度，但会影响材料的使用寿命导热性能导热系数为，属于热的不良导体这一特性使其适合

0.08-

0.12W/m·K用作保温材料，特别是发泡聚苯乙烯在建筑保温中的应用熔融指数根据分子量不同，熔融指数在范围内变化熔融指数是评1-25g/10min价材料加工流动性的重要指标，直接影响注塑和挤出等成型工艺聚苯乙烯的电性能

2.510¹⁶介电常数体积电阻率频率下的典型值，优异的绝缘性能1MHzΩ·cm

22.

50.0003击穿电压耗散因子，电气安全保障下的能量损失kV/mm1MHz聚苯乙烯具有优异的电绝缘性能，介电常数低且稳定，体积电阻率和表面电阻都很高这些特性使其成为电子电器行业的重要绝缘材料在高频应用中，其低耗散因子特性尤为重要，能够减少信号传输中的能量损失击穿电压高达，为电器设备提供了可靠的安全保障20-25kV/mm聚苯乙烯的化学性能耐酸碱性对大多数酸、碱具有良好的化学稳定性，可用于化学实验器具和容器在常温下能够抵抗稀酸稀碱的侵蚀，但强氧化性酸会造成材料降解溶剂敏感性易溶于芳香烃、酯类、酮类等有机溶剂，这是加工和应用中需要注意的问题在溶剂选择时要避免使用能够溶解聚苯乙烯的溶剂，以防制品变形或损坏抗老化性能在紫外光照射下容易发生黄变和性能劣化，需要添加抗氧化剂和紫外线吸收剂长期暴露在阳光下会导致分子链断裂和交联，影响材料的力学性能聚苯乙烯的缺陷阻隔性差脆性大对氧气、水蒸气等小分子的阻隔性能较差，氧气透过率高达材料韧性不足，抗冲击性能差，缺口冲击强度仅为300-

1.5-

2.5kJ/m²这限制了其在食品包装等对阻隔性要求较在低温环境下脆性更加明显，容易发生脆性断裂，限制了户外应用400cm³/m²·d·atm高领域的应用耐候性差耐化学性有限在紫外光作用下容易发生光氧化反应，导致材料黄变、粉化和性能对油脂、某些有机溶剂的耐受性差，在接触这些介质时会发生溶胀下降长期户外使用需要添加稳定剂和抗氧化剂进行保护或溶解这限制了其在某些化工环境中的应用UV改性聚苯乙烯概述改性目的改性方法克服纯聚苯乙烯的性能缺陷，拓展应用物理改性、化学改性、复合改性等多种领域途径性能提升市场价值韧性、耐热性、阻燃性等关键性能显著改性产品附加值高，市场需求持续增长改善聚苯乙烯改性技术的发展极大地扩展了其应用范围通过物理共混、化学共聚、填充增强等多种手段，可以有效改善材料的韧性、耐热性、阻燃性等关键性能改性聚苯乙烯不仅保持了原有的优良特性，还获得了新的功能，成为现代工程塑料的重要组成部分物理改性方法填充改性增强改性共混改性添加碳酸钙、滑石粉、云母使用玻璃纤维、碳纤维等进与、、等其他树脂PE PPPC等无机填料，可以降低成本、行增强，显著提高材料的强共混，通过优势互补改善综提高刚性和尺寸稳定性填度和模量纤维含量合性能需要使用相容剂提15-料含量通常为，时可使拉伸强度提高高不同聚合物间的相容性，10-40%30%需要良好的分散技术确保性，但会降低材料常用马来酸酐接枝物作相容50-100%能均匀的透明性剂发泡改性通过物理或化学发泡制备泡沫塑料，大幅降低密度，提高隔热保温性能发泡倍率可达倍，广泛用于20-50包装和建筑保温领域化学改性方法共聚改性与丙烯腈、丁二烯、马来酸酐等单体共聚，制备性能优异的共聚物通过调节共聚单体种类和比例，可以精确调控材料性能接枝改性在聚苯乙烯分子链上接枝功能性聚合物链段，赋予材料新的功能接枝率控制在范围内，可以改善材料的相容性和界面性能5-20%交联改性通过化学交联形成三维网状结构，显著提高材料的耐热性和机械性能交联度需要精确控制，过度交联会导致材料脆性增加官能团修饰引入羟基、羧基、氨基等特殊官能团，提高材料的极性和粘接性能通过表面处理或化学反应可以实现官能团的引入高抗冲聚苯乙烯HIPS结构特征性能优势采用橡胶分散相结构，聚丁二烯橡胶颗粒均匀分散在聚苯抗冲击强度可达，比普通提高倍材料保HIPS8-15kJ/m²PS4-7乙烯连续相中橡胶颗粒直径通常为，形成海岛结持了良好的加工流动性和尺寸稳定性，广泛用于家电外壳、玩具

0.5-5μm构这种结构有效阻止裂纹扩展，大幅提高材料韧性等领域橡胶含量控制在范围内，随橡胶含量增加，抗冲击性能具有良好的着色性能和表面光泽度，可以满足不同外观要求电3-15%提高但刚性有所下降性能优异，适合电器零部件应用的制备方法HIPS1机械共混法将聚丁二烯橡胶与聚苯乙烯在高温下机械混合工艺简单但橡胶分散不均匀，产品性能一般主要用于低端产品的生产2本体接枝共聚法在苯乙烯单体中溶解橡胶后进行聚合橡胶分散均匀，产品性能优异，是目前主流的工业生产方法转化率高，产品质量稳定3悬浮接枝共聚法在水相中进行接枝共聚反应热量控制容易，适合大规模连续生产产品呈珠状颗粒，便于后续加工处理4乳液接枝共聚法利用乳液聚合技术制备反应速度快，分子量分布窄，但需要HIPS复杂的分离纯化工序主要用于特殊规格产品的生产发泡聚苯乙烯EPS6%20发泡剂含量密度正戊烷、异戊烷含量，超轻质材料kg/m³

0.03595%导热系数闭孔率，优异保温性能高闭孔率确保保温效果W/m·K发泡聚苯乙烯是通过在聚苯乙烯珠粒中加入发泡剂制备的轻质泡沫材料其制备过程包括预发泡、熟化和成型三个阶段预发泡时珠粒体积可膨胀倍，形成充满气体的泡20-50沫结构具有优异的保温隔热性能、良好的抗压强度和低吸水率，是建筑保温和包装领域的重要材料EPS挤塑聚苯乙烯泡沫XPS挤出发泡采用挤出机连续生产，在高温高压下将发泡剂注入熔融的聚苯乙烯中挤出过程中压力突然释放，发泡剂气化形成泡沫结构生产效率高，产品质量稳定结构特征具有更加均匀细密的泡沫结构，闭孔率达到以上泡孔尺XPS99%寸小且分布均匀，赋予材料优异的保温性能和机械强度抗压强度可达以上250kPa性能优势与相比，具有更低的吸水率（）、更高的抗压强EPS XPS

0.5%度和更好的尺寸稳定性在潮湿环境中保温性能不会显著下降，使用寿命更长苯乙烯丙烯腈共聚物-SAN丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物--ABS丙烯腈组分丁二烯组分，增强耐热性和化学稳，橡胶相提供韧性和抗冲15-35%5-30%定性击性苯乙烯组分综合性能，提供刚性和加工性能平衡的力学性能和加工特性40-60%1是三元共聚物，结合了三种单体的优点，形成了性能平衡的工程塑料丁二烯橡胶相以微米级颗粒分散在苯乙烯丙烯腈连续相中，这种两相ABS-结构赋予了材料优异的综合性能具有良好的尺寸稳定性、表面光泽度和电镀性能，是家电、汽车、电子等行业的重要材料ABS的性能特点ABS高抗冲击性缺口冲击强度可达，在°低温下仍保持良好的韧性15-40kJ/m²-40C橡胶相有效吸收冲击能量，防止裂纹扩展，使材料具有优异的抗冲击性能优异的加工流动性熔融指数适中，加工温度范围宽，适合注塑、挤出等多种成型工艺加工过程中尺寸稳定性好，收缩率低，制品精度高良好的尺寸稳定性线膨胀系数较小，在温度变化时尺寸变化小吸水率低，在潮湿环境中尺寸稳定性良好，适合精密零部件的制造优秀的电镀性能表面能适中，与金属镀层结合力强经过适当的表面处理，可以获得光亮的电镀表面，广泛用于装饰性零部件苯乙烯马来酸酐共聚物-SMA结构特征应用特点是苯乙烯与马来酸酐的交替共聚物，马来酸酐含量通常为由于其独特的分子结构，在聚合物共混中表现出优异的相SMA SMA马来酸酐的引入使分子链带有极性基团，显著提高了容性，常用作相容剂和增韧剂在涂料工业中用作成膜树脂，提5-25%材料的极性和玻璃化转变温度供良好的附着力和耐久性分子链中的酸酐基团可以与多种极性聚合物发生化学反应，表现制备方法主要包括溶液共聚和本体共聚，反应条件需要精确控制出优异的反应活性以确保产品质量苯乙烯类热塑性弹性体TPES/SBS弹性特性橡胶弹性，可逆变形热塑性加工高温下可塑化成型嵌段结构苯乙烯丁二烯苯乙烯三嵌段--相分离机理4苯乙烯硬段与丁二烯软段分离性能平衡橡胶性能与加工便利性的完美结合热塑性弹性体具有独特的三嵌段共聚物结构，在常温下表现为橡胶特性，加热时可像热塑性塑料一样加工苯乙烯含量为，形成物理交联点这种材料兼具SBS20-30%橡胶的弹性和热塑性塑料的加工便利性，广泛应用于鞋底、胶粘剂、沥青改性等领域增强型聚苯乙烯增强材料玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等高强度纤维填料含量的纤维含量优化性能10-40%性能提升刚性提高，强度显著增加30-200%耐热改善热变形温度提高°15-30C增强型聚苯乙烯通过添加高强度纤维显著提升材料的力学性能和耐热性玻璃纤维是最常用的增强材料，具有良好的性价比纤维的长度、取向和分散状态对增强效果有重要影响虽然增强后透明性降低，但在对强度和刚性要求较高的结构部件中有着重要应用增强工艺包括长纤维增强和短纤维增强两种主要方式阻燃型聚苯乙烯阻燃剂类型阻燃机理添加量氧指数%%溴系阻燃剂气相阻燃8-1528-35磷系阻燃剂凝聚相阻燃10-2026-32无卤阻燃剂稀释隔离+15-2524-30氢氧化镁分解吸热40-6022-28阻燃型聚苯乙烯通过添加阻燃剂将氧指数从提高到以上，达到阻燃要求不同阻燃剂的作用机理和效果各不相同，需要根据具体应用选择合适18%25%的阻燃体系随着环保要求提高，无卤阻燃剂的应用日益增多聚苯乙烯的加工工艺注塑成型吹塑成型挤出成型热成型最主要的加工方法，适合生产各主要用于制备中空制品如瓶类容连续生产管材、板材、片材等型将预热的塑料片材在模具中成型，种形状复杂的制品工艺参数易器工艺简单，适合薄壁制品生材制品生产效率高，适合大批适合薄壁大面积制品工艺简单，于控制，生产效率高，制品精度产需要良好的熔体强度，通常量生产设备投资相对较少，操模具成本低，适合中小批量生产好广泛用于电器外壳、日用品使用高分子量牌号作维护简便等大批量生产发泡成型制备轻质泡沫制品的专用工艺包括物理发泡和化学发泡两种方式，产品密度可调节范围大注塑成型工艺参数。