高抗沖聚苯乙烯HIPS的蜂窩狀結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理
化學(xué)先生 / 2019-09-27
HIPS的形態(tài)結(jié)構(gòu)為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。蜂窩狀結(jié)構(gòu)的分散相不是單一組分， 而是在分散相內(nèi)還包含著由連續(xù)相成分構(gòu)成的小顆粒，因此其形態(tài)類(lèi)似蜂窩(香腸或細(xì)胞)結(jié)構(gòu)。大都分接枝共聚物都具有這種相態(tài)結(jié)構(gòu)。
接枝共聚HIPS中連續(xù)相為PS,微區(qū)由聚丁二烯橡膠構(gòu)成細(xì)胞壁，PS構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)(包容物)，接枝共聚聚物PB-g-PS分布于兩相的界面。HZPS的體系中含橡膠僅6%，但橡膠相微區(qū)的體積分?jǐn)?shù)卻高達(dá)22% ，少量橡膠發(fā)揮著較大橡相體積分?jǐn)?shù)的作用，大大強(qiáng)化了橡膠的增韌效果。同時(shí)由于橡膠相中包藏著PS，使分散相的模量比純橡膠模量明品提高，這樣得到的HIPS模量不會(huì)因橡膠的引人而降低過(guò)多。因此，組成和含量都相同的接枝共聚物比機(jī)械共混物的改性效果好。
HIPS為什么會(huì)形成這種特殊的相態(tài)結(jié)構(gòu)呢?下面從聚合反成歷程來(lái)分析這種特殊結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理。
我們借助于苯乙烯-聚丁二烯聚苯乙烯三元體系相圖(見(jiàn)圖8-17) 來(lái)考察聚合過(guò)程的相態(tài)變化。
該體系起始的組成是6%的PB溶解于St單體形成的溶液(相圖中的M點(diǎn))。整個(gè)聚合過(guò)程是St單體轉(zhuǎn)為PS的過(guò)程，PB的含量不變，所以總組成應(yīng)循相圖中的MS線變化。當(dāng)有2%左右的St聚合成PS時(shí)，總組成達(dá)到雙節(jié)線(N點(diǎn))時(shí)，體系開(kāi)始分相。至P點(diǎn)，體系的兩相分別為P＇和P"，P＇相是PB與St組成的溶液，P"是PS與St組成的溶液。由杠桿原理可知，此時(shí)橡膠溶液相P＇的體積分?jǐn)?shù)大于P",因而此時(shí)PB溶液仍處于連續(xù)相，PS溶液為分散相。隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，兩相組成分別循箭頭指向沿雙節(jié)線而變化，單體的濃度逐漸降低，每相的 聚合物濃度都在增大，而且PS/St相的體積也在不斷增大。當(dāng)達(dá)到Q點(diǎn)，兩相的體積分?jǐn)?shù)接近相等(這時(shí)St的轉(zhuǎn)化率約為9%一12%)，此時(shí)，PS 溶液相可從分散相轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相，面PB溶液則由連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾?，即體系發(fā)生相反轉(zhuǎn)。這以后連續(xù)相和分散相中的St含量仍相當(dāng)高，當(dāng)然將繼續(xù)進(jìn)行聚合反應(yīng)。因此，分散相中仍會(huì)不斷生成PS，由于體系的黏度愈來(lái)愈高，并且聚合過(guò)程形成的接枝共聚物集中于橡膠相粒子的表面，給分散相中的PS向連續(xù)相遷移造成了困難。隨著橡膠相中的PS含量逐漸增大，當(dāng)包容的PS超過(guò)了均相的濃度極限時(shí)，分散相中的PS便進(jìn)而發(fā)生相分離，最終形成PS被橡膠網(wǎng)絡(luò)分制的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。
需要著重指出的是，聚合過(guò)程必須具有足夠的剪切作用，假如在無(wú)攪拌作用的靜止條件下進(jìn)行反應(yīng)，那么直至苯乙媚全部轉(zhuǎn)化為PS,上述的相反轉(zhuǎn)現(xiàn)象也不可能發(fā)生。因?yàn)橄鹉z相的黏度高，再加上反應(yīng)后期橡膠分子間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，原來(lái)處于連續(xù)相的橡膠分子盡管質(zhì)量和體積都低于PS，沒(méi)有足夠的外力作用，橡膠仍將處于連續(xù)相，只是這時(shí)的橡膠變成了連續(xù)的網(wǎng)膜，將PS/St 溶液分制成許多小區(qū)城，這種橡膠網(wǎng)絡(luò)處于連續(xù)相的體系是一種海綿狀物，難以加工，無(wú)實(shí)用價(jià)值。
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