聚苯乙烯塑料的生产工艺_环境科学/食品科学_工程科技_专业资料。聚苯乙烯塑料的生产工艺 聚苯乙烯[1](PS)是一种无色透明的热塑性树脂。PS 具有良好的光学性能及电气性能，容易加工成型，着色 性能好。由于它具有良好的性能，因此，现在已经成为世界上应用最广的热塑性
聚苯乙烯塑料的生产工艺 聚苯乙烯[1](PS)是一种无色透明的热塑性树脂。PS 具有良好的光学性能及电气性能，容易加工成型，着色 性能好。由于它具有良好的性能，因此，现在已经成为世界上应用最广的热塑性树脂，是通用塑料的五大品种 之一。PS 注射成型是PS 制品的主要加工方法。PS 是由苯乙烯单体加聚反应得到的无定形聚合物。苯乙烯的聚 合方很多，主要有本体聚合、悬浮聚合和乳液聚合等。文章以PS GP-525 制造工艺马为例，对成型技术进行了研 究。 1 PS 塑料成型特性分析 1.1 工艺特性 (1)熔点不明显：聚苯乙烯为无定形聚合物，熔融温度范围较宽，且热稳定性较好，约在95 ℃左右开始软 化，在190 ℃成为熔体，在270 ℃以上开始出现分解。 (2)比热较低：加热流动和冷却固化速度快，熔体粘度适中，且流动性好，塑化效率较高，易于成型；在模 具冷却硬化也比较快，故模塑周期短。 (3)受温度和压力影响较大：成型温度和压力的增加，对聚苯乙烯熔体的流动性有明显增长，其中温度比压 力的影响更大，在成型过程中，可以通过改变温度和压力，来调节熔体流动性。 (4)吸水性较低：聚苯乙烯的吸水性＜0.05 %，成型中所允许的水分含量通常为0.1 %，因此一般无需进行预 干燥处理。 (5)收缩率较低：聚苯乙烯的收缩率一般在0.4 %左右，制品成型稳定性好。 1.2 注塑机工作原理及结构[2] (1)注塑机工作原理：注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，它是借助螺杆(或柱塞)的推力，将已塑化好 的熔融状态(即粘流态)的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。注射成型是一个循环 的过程，每一周期主要包括：定量加料—熔融塑化—施压注射—充模冷却—启模取件。取出件后又再闭模，然 后再进行下一个循环。 (2)注塑机结构，如图1 所示。 图1 注塑机结构图 Fig.1 Structure of injection machine 1.3 制品与模具的设计 (1)制品的壁厚：制品的壁厚应根据树脂情况进行选择。为减少制品的内应力，有利于物料的均匀收缩，在 考虑制品的壁厚时，应注意壁厚的均匀性，要求相差不要太大，并避免缺口、尖角的存在，转角、厚薄连接处 等部位采取圆弧进行过渡。 (2)顶出系统的设计：要设计适当的脱模锥度，较高的型芯光洁度和较大面积的顶出部位，以防止强行脱模 产生脱模应力。 (3)模具的要求：对厚壁制品，浇口应开设在制品的厚壁部位；模具的关键部位应有效地设置冷却水道，保 证模具的冷却对消除或减少收缩起着很好的效果；对于不同厚度塑料制品，其模温要求不同，对于厚壁制品其 模温要适当高一些。 (4)原料准备。注塑用的PS 树脂，一般为无色到蓝色颗粒。 PS 树脂吸水性较低，一般无需进行预干燥处理。 1.4 成型工艺 (1)注塑温度：PS 的注射温度可在较宽的范围内选取，但注射温度过高会降低制品的机械性能，而过低又会 影响制品的透明度，因此一般控制在180～245 ℃之间。可视机台能力大小和使用状态进行加工温度范围调整。 (2)注射压力：PS 的注射压力可在60～150 MPa 范围内选取。一般说来，大浇口、厚壁制品的注射压力可低 些，而薄壁、长流程、形状复杂的制品的注射压力则应高些。 (3)注射速度：注射速度越快，越容易造成分子链的取向程度增加，从而引起更大的取向应力。但注射速度 过低，塑料熔体进入模腔后，可能先后分层而形成熔化痕，产生应力集中线，易产生应力开裂。所以注射速度 以适中为宜。最好采用变速注射，在速度逐渐减小下结束充模。 (4)模具温度：模具温度最好控制在60～80 ℃之间。 (5)注意事项：生产应连续进行，若停机，应排空料筒中残存料，以避免再升温时材料分解及产品黑点产生；再 开机时，应先排料，以清洗料筒。 2 典型PS 塑料制品的加工 2.1 原材料及设备 PS：GP-525，汕头海洋第一聚苯树脂有限公司。 注塑机：海天650。 2.2 PS 制品的形状 图2 是某PS 制品的照片，该产品的结构特点：材料为PS， 外观为无色透明，表面要求为无水纹、无划伤、无黑点、无飞 边等缺陷。产品外形上面为马，下面为底座。产品的尺寸为： 110 mm× 40 mm× 115 mm。质量要求见表1。 图2 某PS 制品照片 Fig.2 Photo of certain PS product 表1 PS 制品质量要求Tab.1 Quality standard of PS product 检验项目质量标准 外观 无色透明，不允许变形、杂物、气泡、水纹、飞边 尺寸 依照技术标准 跌落试验制品从1.2 m 高跌到水泥平地上，不允许有损坏、断裂等现 象 实验 聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)因隔热、隔音、防潮、防震、质轻价廉等优良特性，广泛应用于家 电、仪表、电子、食品等工业?。但EPS$0品大部分在一次使用之后作为废弃物直接丢弃，且 密度小、体积大、运输闲难、不易自然降解和生物降解，因此累积了大量的废弃塑料。EPS~I品 的大量使用和废弃物累积，已经构成了“白色污染”的重要组成部分，引起了人们的关注 ]。 国家已将废弃塑料列为2 1世纪在环保领域要控制的三大重点之一。 对废聚苯乙烯泡沫塑料(WPS)进行资源回收利用，是有效缓解当前资源短缺和抑制“白色污 染”的重要手段。目前，国内外对WPS的资源化利用方法主要有掩埋焚烧法、物理再生 、生物 降解法 ]、裂解回收法 _9]、化学改性法n “ 等。其中，通过裂解法回收WPS，不但能有效解 决WPS的污染问题，还能得到大量的裂解油等能源物质以及苯乙烯等化工原料产品，具有很好的 社会效益和经济效益，被认为是最有前途的回收方法 J。本T作根据石油裂化原理，采用氯化 铝、氧化铝和氧化钙3种催化剂，对WPS进行了催化裂解研究，考察了相应的裂解条件，并对裂 解油成分进行了GC分析，以期为塑料裂解的工业应用提供参考。 l 实验部分 1．1 材料、试剂和仪器 WPS：电器包装用白色泡沫塑料，去除表面 杂质，并切成小块备用。 氧化铝、氯化铝、氧化钙：分析纯。 TYHw型调压恒温电热套：郑州博大仪器有 限公司；GC一14C型气相色谱仪： 日本岛津公司； SDTQ一600型热重综合分析仪：美国TA公司。 1．2 实验方法 准确称取25．0 g经热熔消泡后的WPS颗粒，加 入三口圆底烧瓶中，再加入一定量的催化剂(固定 催化剂用量为wPS加人量的2％(w))，连接好回流 反应装置，开始加热升温，并于设定温度下进行裂 解反应，直至WPS裂解完全。冷却后收集裂解油称 重，计算收率。裂解时间的计时从第一滴液态馏分 出现开始，至WPS全部转化为液态物质为止。 1-3 分析方法 1．3．1 WPS的热分析 取2 mg左右的WPS试样，采用热重综合分析 仪，测量TG，DTG，DSC曲线。操作条件：升 温速率l0 oC／min，温度范围26～600℃，N，流量40 mL／min。 1．3．2 裂解油产率的计算 WPS催化裂解可得到固体物质、液体WPS催化裂解可得到固体物质、液体物质(裂 解油)和气体物质，裂解油产率(】，，％)见式(1)： 】，= × 100％ (1) m 0一， 式中：m。为WPS的加入量，g；m 为WPS裂解得到 的固体物质的质量，g；m，为WPS裂解得到的液态 物质的质量，g。 1．3．3 裂解油产物的GC分析 对裂解油产物进行GC分析。操作条件：CBP1一 M25—025毛细管柱，氢火焰离子化检测器，检测温 度250 oC， (气化室)进样器260℃，载气流量200 mL／min，氢气流量50 mL／min，空气流量50 mL／ rain，进样量0．5 L，分流比30：1，尾吹20 mL／ rain，柱温160℃。程序升温：初始柱温ll0℃，保 温0 rain，升温速率6~C／min，终止柱温160 ，保 温1 min。用面积归一法进行定量分析。 2 结果与讨论 2．1 WPS的热分析结果 为了了解WPS的热裂解特征，对WPS试样进 行了热分析。50～190 oC范罔内WPS试样的DSC曲 线。WPS试样的热分析曲线 oC左右出现一个吸热峰，对 应WPS的玻璃化转变过程，表明其玻璃化转变温度 约为107℃；吸热峰的峰型较宽，可能是由于升温 速率过快，导致热流效应分辨不明显。 由图2可见：DSC曲线 oC之间出 现一个大的吸热峰，对应WPS的裂解吸热反应； TG曲线 oC时WPs开始失 重，超过335 cC时失重加快开始裂解，温度升 至398 oC时有50％的WPS裂解，434 oC时有95％ 的WPS裂解，最终有5％的WPS炭化不再失重； DTG曲线 左右裂解速率最快，与文献[12]报道的数据接 近。综合考虑热分析结果，WPs熔融消泡温度 应选择在107℃左右，催化裂解温度应选择在 280-430 oC范围内。 2．2 反应条件对WPS裂解油产率的影响 裂解温度和催化剂种类对WPS裂解油产率的 影响见图3。由图3可见：裂解温度越高，裂解油 产率越高；低于380 oC时，催化剂裂解制油能力大 小的顺序为：氧化钙氯化铝氧化铝；高于400 oC 时，3种催化剂的活性相近，裂解油产率均在85％ 以上。这是因为，在不同催化剂作用下，可能存在 不同的聚苯乙烯(PS)裂解机制，裂解温度低，催 化剂活性的差别体现出来；而在较高的裂解温度 下，PS碳链受热充分，碳链断裂速率加快，解聚 反应彻底，裂解油产率都接近各自的最大值。综 合考虑，氧化钙的催化活性优于氯化铝和氧化铝， 催化裂解最佳温度应控制在380 oC附近，这与文献 E2]报道的结果一致。 裂解 图4。由图4可见：随裂解温度的升高，3种催化剂 的裂解时间均缩短，这是因为裂解温度升高，PS 碳链断裂速率加快， 自然裂解完全所需的时间缩 短；但裂解时间缩短的快慢不同，氧化钙和氯化铝 明显快于氧化铝。 裂 2．4 反应条件对苯乙烯回收率的影响 催化裂解WPS回收苯乙烯单体，是WPS资源 化利用的重要课题。裂解温度和催化剂种类对苯乙 烯回收率的影响见图5。由图5可见，裂解温度和催 化剂种类对苯乙烯回收率均有较大影响。当裂解温 度低于380℃时，随裂解温度的升高，苯乙烯回收 率均呈增大趋势，3种催化剂活性高低的顺序为： 氧化钙氯化铝氧化铝。当裂解温度达到380 oC 时，苯乙烯回收率均达到最大值，且氧化钙催化裂 解时苯乙烯回收率超过70％。随裂解温度的进一步 升高，3种催化剂催化裂解WPS时，苯乙烯回收率 均急剧下降。因此，选择裂解温度为380 cC。 综合 考虑裂解油产率、裂解时间、裂解油产物纯度及苯乙烯单体选择性，得出在本实验条件下， WPS催化裂解的最佳催化剂为氯化铝，在380℃下催化裂解25 min时，裂解油产率可达 85．48％，裂解油中苯乙烯含量为80．66％(w)，且副产物较少。 3 结论 a)WPS熔融消泡温度应选择在107℃左右，催化裂解温度应控制在280-430℃范围内。 b)随裂解温度的升高，氯化铝、氧化铝和氧化钙3种催化剂的裂解油产率均增加，裂解时间均缩 短。裂解温度升至430 时，裂解油产率均在85％以上。 c)当裂解温度低于380℃时，随温度的升高，3种催化剂催化裂解的苯乙烯回收率均呈增大趋 势；当进一步升高裂解温度时，苯乙烯回收率均急剧下降。 d)裂解温度越高，裂解油中苯乙烯含量越低，副产物含量越高，裂解油成分越复杂，苯乙烯 选择性越低。 e)在本实验条件下，WPS催化裂解的最佳催化剂为氯化铝，在380 cI=下催化裂解25 min时， 裂解产油率可达85．48％，裂解油中苯乙烯含量为80．66％(w)，且副产物较少。
