高透明导光聚苯乙烯的开发

戴莹莹，王 艳，宋立臣

（1.内蒙古化工职业学院，内蒙古自治区呼和浩特市 010070；2. 中化泉州石化有限公司，福建省泉州市 362103）

高透明导光聚苯乙烯的开发

戴莹莹1，王 艳1，宋立臣2

（1.内蒙古化工职业学院，内蒙古自治区呼和浩特市 010070；2. 中化泉州石化有限公司，福建省泉州市 362103）

综述了高透明导光聚苯乙烯开发的全过程，并以市场调研为基础，通过光导纤维导光原理分析，结合聚苯乙烯装置工艺特点，设计出高透明导光聚苯乙烯的工艺参数，确定了产品开发的工艺流程，制定了原材料的选择标准和产品的性能指标。结果表明：适合的工艺控制指标为乙苯质量分数9.5%～10.5%，苯乙烯进料速率7.0 t/h，反应时间6.2 h，脱挥器温度230～235 ℃，引发剂用量300×10-6。经过工业化试生产，开发了高透明导光聚苯乙烯。

聚苯乙烯 导光 透光率 工艺参数

随着国内经济的发展，聚苯乙烯（PS）的应用领域越来越广，同行业竞争日益加剧［1］。近年来，为适应市场需求，国内相关企业已成功开发了系列牌号，但产品的市场占有率并没有提高，因此制约了装置的可持续发展。2005年，经过市场调研，发现一种高透明导光PS被广泛应用于光导照明、光通信、透明标识以及夜视仪表板等领域。因其纯净度高，生产难度大，目前主要依靠进口。针对这种市场需求，技术人员试图开发这种高透明导光PS。本工作以市场调研为基础，通过光纤导光原理分析，结合聚苯乙烯装置工艺特点，开发了适合于生产光导板和光纤专用的高透明导光PS，确定了产品的工艺流程，制定了原材料的选择标准和产品的性能指标。

1 光导材料市场情况

1.1 光纤

光纤的纤芯和包层全部采用树脂制造，主要用于装饰和光导照明及近距离的光通信。所用树脂主要是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），PS，聚碳酸酯（PC）。塑料光纤的研究始于20世纪60年代。1968年，美国杜邦公司以PMMA为芯材制备了塑料光纤，但光损耗大。1974年，日本三菱人造丝公司以PMMA和PS为芯材、低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤，光损耗很大，为3 500 dB/km，难以用于通信。20世纪90年代初，采用普通级PS作芯层，使光纤的价格大幅降低，广泛用于生产光纤花、圣诞树以及节日礼品等。PS制作的光纤芯层和光纤花见图1。

图1 PS制作的光纤芯层及光纤花Fig.1 PS for optical fiber layer and flower

1.2 光导板

光导板是一种多层、板面状的功能性材料，采用全反射光导原理将光线从入射端传输到任意所需泄露界面，并可在弯曲状态下传导光线，其本质是光纤的板面化。光导板是使用多种无定形高透明聚合物，高、低折射率相匹配的原料，采用多层共挤一次成型连续生产工艺制作而成。板材有3层和3层以上结构，其中，90%以上的原料是采用普通级PS。光导板可以广泛用于显示、指示和装饰领域（如广告招牌、橱窗广告、壁画屏风、吊顶天花、路标以及需夜间显示的操作台仪表板等）。与霓虹灯、灯箱相比，光导板具有诸多优势：光导板只需要5 V电压就能工作，节省了电能；厚度只有5～10 mm，质量轻、易加工、易安装；寿命长达10万小时以上；价格与灯箱相近。因此，光导板市场潜力很大，将成为一种新型的装饰材料。

2 光纤及光导板导光原理剖析

光纤由PS纤芯、包层和护套组成，见图2。

图2 光纤结构示意Fig.2 Structure of PS optical fiber

光纤导光利用全反射定理，芯层折射率为n1，包层折射率为n2，n1＞n2，从图3可以看出：光纤端面的光线以一定的入射角（θ0）射入光纤后，只要n1大于n2，光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播［2］。

图3 光在光纤中的全反射示意Fig.3 Light total reflection in optical fiber

3 PS生产工艺

某PS装置采用美国道化学公司的生产工艺，连续本体聚合，设计PS年产能为50 kt。苯乙烯、矿物油、乙苯等原料按比例配比后，经过预热器进行预热后，物料依次通过3台串联的反应器，通过不同温度的导热油控制3台反应器的温度，使物料按设定的反应速率进行聚合，形成PS熔融物；然后升温至220～230 ℃，进入脱挥器中进行闪蒸，将一些没有反应的单体及绝大部分小分子分离，分别作为焦油和循环液来处理和循环使用；经过脱挥后的PS熔融物由2台齿轮泵挤出，再拉伸、冷却和切断，制成PS颗粒送到成品料仓。生产工艺流程示意见图4。

图4 PS生产工艺流程示意Fig.4 Process of PS production

4 聚合条件的确定

4.1 原料的选择

4.1.1 苯乙烯

导光PS的透光率要求达89%以上，这就要求原料苯乙烯的纯度≥99.7%，并且不含阻聚剂等杂质。高纯度的苯乙烯可以降低材料本身的本征损耗，从而减少成品光纤的光损耗。

4.1.2 乙苯

原料中的乙苯起到链转移剂的作用，是调整熔体流动速率（MFR）的有效手段。随着乙苯用量的增加，PS的MFR增加。为提高产品的相对分子质量，链转移剂用量应相应的减少；但乙苯用量，进料速率、反应温度等共同决定聚合物的相对分子质量和MFR。在其他条件稳定的情况下，乙苯是一个较为灵活的调整因素。经研究，确定乙苯质量分数为9.5%～10.5%。

4.1.3 引发剂

PS的物性与其相对分子质量及其分布密切相关，相对分子质量愈大、相对分子质量分布愈窄，则其MFR越小，反之亦然［3］。采用引发剂引发可以抑制齐聚物的生成，且反应平稳，易于控制。引发剂叔丁基过氧过氢用量过大，反应过于剧烈，容易引起爆聚；引发剂用量过少，聚合不易发生，需提高聚合温度，使装置能耗增加。因此，确定引发剂用量为300×10-6。

4.1.4 增塑剂

增塑剂矿物油对产品的维卡软化温度影响很大，矿物油含量高会降低产品的耐热性能，为提高产品的软化温度，确定在导光PS生产过程中不加矿物油，以提高产品的耐热性能。

4.1.5 硬脂酸锌

硬脂酸锌用于改善产品的脱膜性能，但因这种物质的分子结构较大，为防止在聚合过程中生成大分子物质而影响产品的透光性，确定在生产导光PS过程中不加硬脂酸锌。

4.2 工艺条件的设计

4.2.1 进料速率

在容量一定的反应系统中，进料速率其实质是一个反应时间问题，参照PS装置的某牌号，其设计的最大负荷进料速率为9.5 t/h，即反应时间为4.6 h。要想提高聚合物的相对分子质量，必须降低反应温度，这样就会降低反应速率，为不影响最终转化率，必须延长反应时间。对于导光PS的生产，同样要采取延长反应时间，即以减少进料速率的方法来获得。因此，拟定导光PS的进料速率为7.0 t/h，反应时间为6.2 h。

4.2.2 反应温度

聚合物的相对分子质量与反应温度条件紧密相关，且温度越高反应速度越快［4］。PS装置反应系统按容积划分8个区，其中，第2区的容积是其他区的2倍，1～8区的温度是逐渐升高的，每个反应区圴有各自的温度控制回路，这样得到的聚合物就是在不同温度条件下生成的相对分子质量不同的混合物，且最终聚合物的相对分子质量＝Σ（某组分相对分子质量×该组分在产品中的份数）。

8个区的温度分布也至关重要，关系到溶液浓度和相对分子质量分布。若提高前几区（如2，3，4区）的温度，一种可能是使最终产品的相对分子质量降低，即黏度降低。这是因为前几区温度升高（但仍是反应系统的低温部分），可降低在前几区生成组分的相对分子质量，虽然该组分在产品中的含量有所上升，但因为反应速率加快，转化率升高，最终结果使产品的相对分子质量降低；也有另一种可能，即提高前几区的温度，导致最终产品相对分子质量提高、黏度升高。这是因为前几区温度升高，转化率增加，而前几区温度始终是低于后几区温度，低温区的生成物始终是产品中的高相对分子质量部分，该部分产品的提高，弥补了其相对分子质量降低所造成的影响，所以使最终产品的相对分子质量提高、黏度升高。

以上分析的两种趋势同时存在，根据生产经验，第二种解释的实际效果明显。为此，对于导光PS生产而言，可适当提高前几区温度，防止形成大分子链段，影响产品透光性能，并适当降低后几区温度，以保证导光PS有较窄的相对分子质量分布。

4.2.3 其他工艺条件的设计

针对导光PS相对分子质量高，熔融黏度大的特点，为保证其残留单体的脱除和流动性，脱挥系统和切粒系统的温度相对于装置原来生产的牌号有所提高，脱挥器的温度定为230～235 ℃。综合以上因素，确定了导光PS生产的工艺参数，见表1。

5 质量标准的确定

根据质量体系ISO9000标准，确定了导光PS生产的中控分析及检验指标，见表2。

6 工业化试生产及用户试用

由装置现有PS牌号转产导光PS的过程稳定，7 h后成功生产出导光PS，经检验，产品质量完全符合指标要求。目前高透明导光PS生产商主要在国外，采用该工艺有望使装置新的效益增长点，并为装置的可持续发展打下基础。南京春辉科技实业有限公司和深圳春华达光导纤维有限公司对导光PS进行了试用，反映该料在成型性、透光性和韧性几方面达到了要求，拉出的光纤外观清亮透彻，端面较白，工艺性能满足拉制光纤要求。

表1 导光PS生产的工艺参数Tab.1 Process parameters of PS production

表2 导光PS出厂检验性能指标Tab.2 Inspection properties indexes for optical fi ber

7 结论

a）确定了高透明导光PS的生产工艺条件：乙苯质量分数为9.5%～10.5%；苯乙烯进料速率为7.0 t/h，反应时间为6.2 h；脱挥器内温度定为230～235 ℃；引发剂用量为300×10-6。

b）按质量体系ISO9000标准，确定了导光PS生产的质量指标，并进行了工业化试生产，制备的产品符合质量标准。

c）经用户反馈，该高透明导光PS在成型性、透光性和韧性等方面满足拉制光纤要求。

[1] 于志省，李杨. 透明高抗冲聚苯乙烯树脂研究进展［J］. 合成树脂及塑料，2011，28（4）：80-84.

[2] 韩建国，侯庆文.工程光学［M］.北京：中国计量出版社，2005：85-87.

[3] 张开.高分子物理学［M］.北京：化学工业出版社，1992：52.

[4] 潘祖仁.高分子化学［M］.北京：化学工业出版社，1997：41.

中国专利

一种交联聚乙烯绝缘材料及其制备

本发明涉及绝缘材料领域，具体涉及一种交联聚乙烯绝缘材料及其制备。本发明的目的是解决现有交联聚乙烯绝缘材料击穿电压低、易发生老化的问题，提出一种具有良好击穿特性和抗老化的交联聚乙烯绝缘材料。按配比取100 phr低密度聚乙烯、乙烯-乙酸乙烯共聚物、纳米石墨、聚丙烯、交联剂过氧化二异丙苯、抗氧剂300、抗氧剂1010、抗氧剂硫代二丙酸双月桂酯、抗氧剂1024、氟橡胶母料，经过混合、共融、交联反应、干燥制备了交联聚乙烯绝缘材料。该交联聚乙烯材料具有优越的击穿特性，同时又具有良好的导热性，有助于降低绝缘材料工作温度，延长材料使用寿命，适用于制作高压直流输电线路电缆。

公开号 CN 106867077

公开日 2017年6月20日

申请人 哈尔滨理工大学

一种硼酸镁晶须增强聚碳酸酯复合材料的制备

本发明涉及一种硼酸镁晶须增强聚碳酸酯复合材料的制备。以聚碳酸酯为基体，硼酸镁晶须为增强体，包括如下步骤：1）硼酸镁晶须表面改性；2）真空干燥改性硼酸镁晶须和聚碳酸酯；3）在高速混合机中充分混合按一定配比准确称量的改性硼酸镁晶须和聚碳酸酯；4）将混合物料加入双螺杆挤出机进行熔融共混挤出、拉条、水冷、造粒、真空干燥，得到复合材料半成品；5）采用注塑机对半成品进行注塑成型，获得硼酸镁晶须增强聚碳酸酯复合材料。本发明的制备方法工艺简单、成本低廉、无污染，所得复合材料的力学性能显著提高，应用前景非常广阔。

公开号 CN 106832860

公开日 2017年6月13日

申请人 成都理工大学

Development of high-transparent light guide PS

Dai Yingying1，Wang Yan1，Song Lichen2
（1. Mongolia Occupation School，Hohhot 010070，China；2. SINOCHEM Quanzhou Petrochemical Co.，Ltd.，Quanzhou 362103，China）

This paper introduces the development of high-transparent light guide polystyrene（PS）.The process parameters for high-transparent light guide PS are designed on the basis of PS process by means of market investigation and analysis on principles of optical fiber light guide. The process flow of the product development is established as well as the selection criteria of feedstock and performance indicators of products.The results show that the optimal process index include the mass fraction of ethylbenzene in feed is 9.5%-10.5%，feed rate of styrene is 7.0 t/h，reaction time is 6.2 h，the temperature in devolatilizer range from 230 to 235 ℃，and the amount of the initiator is 300×10-6. High-transparent light guide PS has been developed successfully by pilot production.

polystyrene； light guide； light transmittance； process parameter

TQ 325.2

B

1002-1396（2017）05-0057-04

2017-03-29；

2017-06-28。

戴莹莹，女，1981年生，理学硕士，讲师，现主要从事催化化学的研究工作。联系电话：13848513186。