聚芳硫醚类树脂的研究及其产业化.
2023-03-09
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第34卷增刊塑料工业2006年5月CHINAPI.ASTICSINDUSTRY聚芳硫醚类树脂的研究及其产业化杨杰1-2t『。王孝军3(I.四川大学材料科学技术研究所,四川成都610065;2.四川华通特种工程塑料研究中心,四川成都610041;3.四川大学高分子科学与工程学院,四川成都610065)摘要:主要介绍了几种聚芳硫醚类高性能树脂(聚苯硫醚、聚芳硫醚砜、聚芳硫醚酮、聚芳硫醚酰亚胺以及聚芳硫醚腈)的性能、研究动向以及产业化情况;并对今后聚芳硫醚类树脂的研究、发展趋势进行了预测。关键词:高性能聚合物;聚芳硫醚;聚苯硫醚;产业化StudyandIndustrializationofPolyaryleneSulfideYANGJiel”,WANGXiao—jun3(1.InstituteofMaterialsSei.&Teeh.,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;2.ResearchCenterofSiehuanHuatongSpecialEng.Plastics,Chengdu610041,China;3.CollegeofPolymerSci.&Eng.,SichnanUniversity,Chengdu610065,China)Abstract:Theproperties,trendoftheresearchandstatusoftheindustrializationofseveralkindsofpolyary—lenesulfideresin,includingPPS,PASS,PASK,PASAandPACS,firereported.Thetrendoftheresearchandde・velopmentofpolyarylenesulfideresinisalsoprospected.Keywords:Hi【ghPerformancePolymer;PolyaryleaeSulfide;PolyphenyleneSulfide;Industrialization聚芳硫醚(PolyaryleneSulfide,PAS)树脂是指聚等。此外,除了在PPS的主链结构上引入强极性基团合物分子主链结构为硫与芳基结构交替连接的一类高形成新的PAS树脂外,还有在PPS中苯环结构上引分子聚合物,其分子通式为:[~A—S一]。,由于这入侧基进行改性的PAS树脂。引入侧基改性除可提类聚合物构成的特殊性以及分子链结构的刚性使得它高树脂的性能外还可望获得功能性的PAS树脂,如们普遍都具有优良的耐高温、耐腐蚀、耐辐射、阻在苯环上分别引入腈基和甲基,则可制成聚芳硫醚腈燃、均衡的物理机械性能和极好的尺寸稳定性以及优(PACS)和非晶质PPS。表l是PAS树脂的主要品种良的电性能等特点,并被广泛作为结构性高分子材料及其结构式。使用,如:PAS树脂可以作为高性能复合材料用基体1聚苯硫醚(PPS)【卜3J树脂,通过填充、改性后可广泛用作特种工程塑料;PPS是PAS类树脂中最具代表性的品种,也是同时,PAS还可制成特种纤维、各种功能性的薄膜、PAS树脂中研究最成熟、应用最广泛、人们最熟知的涂层和复合材料使用等LlJ。品种。PPS树脂呈白色或近白色,结晶度最高可达目前,PAS树脂的主要品种有聚苯硫醚(PPS)、70%,是一种硬而脆的聚合物。相对密度为1.36g/聚芳硫醚砜(PASS)、聚芳硫醚酮(PASK)、聚芳硫cm3,熔点280—290℃,玻璃化温度在90℃左右,醚砜酰亚胺(PASSI)、聚芳硫醚酰胺(PASA)等,空气中430~460℃以上才开始分解。在氮气中,500它们都可以看成是在PPS的主链结构上引入强极性基℃以下的没有明显的质量损失,即使在1000℃的高团后形成的高性能树脂,且普遍都达到了提高PPS树温下,仍能保持其原质量的40%,其阻燃等级为UL.脂耐热性的目的。根据基团的不同,PAS树脂中有与94V.0级,在200oC以下不溶于绝大多数有机溶剂。PPS一样为结晶性树脂的,如PASK;也有完全变成另外PPS具有优异的绝缘性,其强度和硬度均较高,非晶性树脂的,如PASS;有在研究中发现具有部分可用多种成型方法进行加工,而且可精密成型。同液晶现象,可望发展为液晶树脂的PASA;还有处于时,PPS与无机填料、增强纤维的亲和性以及与其它研究开发阶段,结合了部分聚酰亚胺优点的PASSI高分子材料的相容性好,因而可制成不同的增强填充作者简介:杨杰,男,教授,主要从事高分子材料方面的研究。wangxiaojun522@163.eom塑料工业2006年品种及高分子合金。PPS是迄今为止世界上性价比最高的特种工程塑料,已成为特种工程塑料的第一大品种。在通用工程塑料的排行中,PPS排在聚碳酸酯、聚酯、聚甲醛、尼龙和聚苯醚之后,产量居第6位。PPS的用途十分广泛,主要应用于汽车、电子电气、机械行业、石油化工、制药业、轻工业以及军工、航空航天等特殊领域。表1PAS树脂分子结构示意图树脂简称结构式聚苯硫醚PPSt兮s士O蒸蠢硫PASSPPSSt兮玲s士惹蚕硫PASK或PPSKfp5弋>s士鍪藿硫醚PASA酰胺t兮bH弋>s士蓑蠢璧震PASSI七◇蛩一≮汪。:≤≯K:呤s壬磊芳硫醚PAcst◇s士CN尽管PPs具有相当多的优点,但其纯树脂还存在一些不足:1)脆性较大,延伸率低;由PPS的化学结构可得知,其分子链呈刚性,最大结晶度可达70%,因而韧性较差,而且其熔接强度也不好,这就限制了其作为耐冲击部件的使用;2)成本高,与通用工程塑料相比价格高出1。2倍左右;3)由于PPS具有优异的耐化学药品性,所以其涂装性与着色性不理想;4)熔点高,在熔融过程中易与空气中的氧发生热氧化交联反应而导致流动性降低。另外,未改性的PPS强度属于中等,因此一般在使用前对PPS都要进行改性,故对PPS的各种改性研究是当前的研究热点。目前对PPS的改性主要有以下几个方向:1)提高PPS的强度HJ:未改性的PPS强度属于中等,通过复合增强改性后,就有了极好的强度和刚性,成为综合性能极为优异的工程塑料,可以和部分金属媲美,并可在实际应用中取代部分金属制件;2)提高PPS的抗冲击性[5。oJ:如上所诉,PPS的韧性一般较差,通过橡胶增韧可以有效改善PPS的韧性;另外随着纳米技术的不断发展,利用刚性纳米粒子对PPS增韧也成为改善PPS韧性的方便有效的方法;3)提高PPs材料的润滑性i11,12J:PPs作为摩擦材料,其加工性好、耐热性高、对填料的粘接力强、力学性能优良,但其纯树脂的耐磨性并不好,可以通过添加摩擦改性填充剂来改善PPS的摩擦行为,从而得到综合性能优异的摩擦材料;4)改善电性能以及研制具有特殊性能的共混物材料u3J:PPS是高性能的结构材料,与无机功能性填料的相容性好,且共混料的成型加工方式多样、容易实现,因此向PPS中掺加功能性填料,能够制得具有优良的力学、化学、电学、光学和热学性能的结构功能一体化的PPS材料,从而大大丰富PPS的使用性能和应用范围,满足高性能结构材料向结构功能一体化发展的趋势。目前全球PPS树脂的生产能力已经超过5万t/a,成为特种工程塑料的第一大品种和第六大工程塑料品种。其生产情况是:目前只有美国、日本和我国掌握了PPS树脂的工业化生产制造技术,拥有生产能力和产品;俄罗斯、印度正在积极进行PPS树脂工业化生产技术的研发,而德国拜耳却因为各种原因退出了PPS树脂的生产。美国Chevron.Phillips化学公司、日本吴羽化学工业公司(包括FortronIndustries公司)和大日本油墨化学公司是目前全球最主要的三大PPS树脂生产商。现今,国内从事PPS研究和开发最主要和最成功的单位有四川大学和四川华拓实业发展股份有限公司。其中,四川大学材料科学技术研究所(四川大学聚苯硫醚工程技术研究中心)对PPS的研究和开发贯穿了我国PPS的发展历史,是国内最全面、权威的PPS研究中心,并长期承担国家项目,在PPS的合成及工艺路线、工业化放大、结构与性能、产品加工与制品开发等各领域进行全方位地研究和开发,在国内外有着广泛的影响;而四川华拓实业发展股份有限公司虽然从事PPS研究和开发的时间不长,但在PPS生产企业中却发展得最为顺利和成功,短短数年时间便发展成为我国PPS产业的龙头企业,并在工艺技术进步、新产品研发等方面取得了令人瞩目的成绩:于2002年底在四川德阳建成了千吨级的PPS产业化装置并试车成功,于2003年以四川I得阳科技股份有限公司的名义开始了PPS树脂的正式生产和复合材料的销售,成为了几乎是唯一的国产PPS树脂生产与供应商,且大批量出口到国外,其60多个品种牌号的复合改性品种以及PPS纤维也已经成为供不应求的产第34卷增刊杨杰等:聚芳硫醚类树脂的研究及其产业化晶。受华拓公司PPS产业化成功的鼓舞,国内已有多家单位正计划建设新的千吨级PPS产业化装置,而华拓公司已经在开工新建五千吨/年的PPS树脂生产线,以进一步扩大PPS树脂生产,应对目前国内外PPS供应紧缺的形势。#2聚芳硫醚砜(PASS)【““21]聚芳硫醚砜(PASS)或称为聚苯硫醚砜(PPSS),是由美国PhillipsPetroleum公司1988年开发成功的一种新型热塑性无定形耐高温树脂。PASS具有优良的力学、电学性能以及耐化学腐蚀性、耐辐射、阻燃等性能;由于分子主链结构中具有强极性的砜基(一S02一)和芳基结构,使其玻璃化温度(r。)高达215—226oC,成为了优良的耐热高分子材料。PASS复合增强料在高温下有远优于PPS的强度保持率,同时,PASS的阻燃性能也优于PPS,比PPS更适合用作耐高温复合材料;PASS的溶解性优于PPS,可溶于特定的有机搭剂中,但由于其树脂结构又使其耐腐蚀性优于大多数非晶性树脂,因而具有比PPS更独特的性能和更广泛的用途;PASS还是部分结晶性树脂和非晶性树脂的相容剂,适合用作制备性能优良的高分子合金,此外,PASS薄膜还是很好的耐高温、耐腐蚀分离膜。目前对PASS的研究还主要集中在合成方法的不断改进以及应用领域的继续拓展方面。产业化方面,PASS首先由美国PhillipsPetroleum公司实现商品化,其商品名为RytonS,国内四川大学在20世纪70年代开始了PASS的合成研究,该工作在被列人了国家十五“863”计划后取得了极大的进展,目前已在常压下稳定合成了高摩尔质量的PASS树脂,并制得了高性能的耐高温、耐腐蚀分离膜及中空纤维,现正进行PASS树脂的中试放大工作。3聚芳硫醚酮(PASK)[22,23】聚芳硫醚酮(PASK)也称为聚苯硫醚酮(PP.SK),是一种新型的耐高温、耐腐蚀高分子材料,同PPS一样,都为结晶性树脂,但由于分子主链结构中的刚性芳基结构和强极性的羰基(一CO一),使其熔点高达310—380oC,耐热性比PPS大为增加,其性能接近于聚醚醚酮(PEEK),但是成本却较PEEK低,是一种优良的耐热高分子材料。该树脂可采用传统的加工方法进行成型加工,还可制成PASK纤维和薄膜,有良好的应用前景。自从1968年第一篇合成专利报道以来,经过近20年的研发,国外对PASK的研究已较深入,El本和美国已在工业化方面取得了成功,其中,日本吴羽化学工业公司于终于在1987年获得了成功,实现了PASK树脂的工业化生产。截至目前,从事PASK树脂研发的还有美国的PhillipsPetroleum公司及我国的四川大学和山东工业大学。4聚芳硫醚酰胺(PASA)[24。271PASA是PPS结构改性家族中的重要一员,其结构相当于在PPS分子主链结构中引入了一个强极性的酰胺基,从而在保持PPS优良特性的基础上改善其热稳定性和溶解性,并导致了该树脂具有某些高分子液晶的功能及现象,这是一种具有广泛研究价值和发展前途的新型材料。PASA相对于PPS来说有更好的加工性能,可以加工成制成注塑部件、薄膜、纤维,也可以溶于浓硫酸、NMP/LiCI等极性有机溶剂,铸塑成琥珀色的透明薄膜。1988年日本Tosoh公司的石川明宏首先采用Na2S・xH20与4,4一二卤代二苯基酰胺为原料,在极性有机溶剂中缩聚的方法合成出了PASA。在国内,四川大学的周祚万、伍齐贤等人分别采用Na2S・xn20、硫磺和硫脲为硫源与4,4.二卤代二苯基酰胺缩聚,成功合成了PASA,并对其结构与性能进行了较为深入的研究。对于PASA的研究,目前还主要停留在合成及应用研究阶段,对于PASA的产业化方面,国内外还均未见相关报道。5聚芳硫醚砜酰亚胺(PASSI)【鸽】为进一步提高PPS的耐热性能,四川大学的研究工作者设想将刚性的酰亚胺环引入PPS的主链结构中,希望通过先进行酰亚胺化的方法制备一种含完全酰亚胺环的单体,然后再与Na2S进行聚合反应,合成结合聚芳硫醚砜和聚酰亚胺树脂优点于一身的全新聚芳硫醚树脂,为此,进行了这方面的探索工作,选择并合成了一种含完全酰亚胺环的二氯代化合物作为进一步反应的单体,然后与Na2S进行缩聚反应,从而制得了一种新型的耐热聚合物一PASSI,成功地在聚芳硫醚分子主链中引入了刚性的酰亚胺环。PASSI树脂的耐热性很好,其玻璃化转变温度高达252.4oC,起始分解温度为484.9oC。尽管目前仍然处于研究阶段,树脂PASSI的摩尔质量和稳定性都还有待于进一步提高,但采用在聚芳硫醚主链结构中引入酰亚胺环的方法合成新型的聚芳硫醚酰亚胺类树脂仍然是一个值得重视的发展方向,这对新型耐高温树脂的合成与开发以及聚合物结构与性能研究都具有非常重要的意义。6聚芳硫醚腈(PACS)[29・301塑料工业2006矩PACS是日本的研究工作者Tetsuya于1983年首先合成的。前面所述的各种聚芳硫醚树脂与PPS在结构上的差异体现在主链结构中各个结构单元的不同上,它们都是在PPs的主链上引人强极性基团后制成的聚合物,属于PPS树脂的主链结构改性产品。从理论上讲,除了在主链上导入极性基团以外,在苯环上导入极性侧基对改善PPS的热性能也应该有效。PACS树2006参考文献l杨杰.聚芳硫醚树脂及其应用.北京:化学工业出版社,2金国珍主编.工程塑料.北京:化学工业出版社,20013杨杰,王华东,龙盛如等.工程塑料应用,2003,31(4):634杨杰,龙盛如,李光宪.工程塑料应用,2003,31(5):55王华东,杨杰,邹萍等.高分子材料科学与工程,2004,脂正是这样一种聚合物,它与PPS树脂的主链结构基本一样,差别体现在PACS树脂结构单元中的苯环上多了一个强极性的腈基,属于PPS树脂的侧基改性产品,但就是这样一个苯环上多出的腈基,使得PACS树脂的性能与PPS树脂相比发生了相当大的变化。PACS的热稳定性较PPS、PASS、PASK都有很大的提高,其熔点达到440~460oC,但是该聚合物的溶解性极差,不溶于一般的有机溶剂,目前还没有发现除浓硫酸以外的其他溶剂,由于腈基是耐油性功能基团,也使得该聚合物具有优良的耐油性。其在汽车、电子器件、精密仪器、光电通讯以及航空航天等领域都有广阔的应用前景。PACS树脂合成制备工作主要集中在日本,国内尚无相关的研究报道。与PASA相似,对PACS的研究也处在合成及应用研究阶段,目前还没有相关产业化方面的报道。7聚芳硫醚类树脂的研究与发展趋势当前及相当一段时间内,国内PAS的发展趋势可体现在以下几个方面:1)耐热等级更高、性能更优的新型PAS类材料的研究与开发,以满足高新技术对新材料的需求;2)PPS新合成方法的研发,将可能在未来导致PPS树脂合成方法的革命,即可能在常温、常压下合成高纯度、高性能的PPS树脂;3)PPS各种专用树脂如:纤维级、薄膜级、挤出级以及高性能复合材料用树脂的研发与工业化生产;4)新型PAS纤维、薄膜以及各种功能材料的研究与开发;5)万吨级PPS树脂生产线的建设,以进一步降低生产成本,满足市场需求,扩大应用领域。预计未来5年内,全球PPS的需求量仍将以年均10%以上的增长率持续增长。当前PPS生产与需求矛盾在全球都已非常紧张,随着社会的发展,汽车、电子以及新型高新技术产业对PPS的需求量还将进一步扩大,这将给全球的PPS树脂生产商进一步扩大生产提供了机会,同时,也为我国的PPS产业带来了新的发展机遇。67王孝军,杨杰.工程塑料应用,2002,30(10):478王孝军,杨杰.2003年全国高分子年会论文集,2003:9王孝军,杨杰.第三届东亚高分子年会论文集,2004:25410杨杰,杜宗英,龙盛如等.CN,ZL11杨杰,龙盛如,佟伟等.CN,ZL12佟伟,杨杰,龙盛如.化学研究与应用,2002,14(6):13陈广玲,杨杰,肖炜等.功能材料,2004,35(9):79914杨杰,陈永荣.高分子材料科学与工程,1996,12(2):15王华东,杨杰.高分子材料科学与工程,2003,19(3):1617杨杰,王华东.CN,ZL18杨杰,许双喜,龙盛如等.CN,200410040365.3.200419杨杰,王孝军,李光宪等.CN,200410040366.8.200420杨杰,陈全兴,龙盛如等.CN,200510021105.6.20052122许双喜,杨杰,龙盛如等.高分子材料科学与工程,2324石川明宏.日公开特许公报,昭63—1126252526周祚万,伍齐贤.高分子材料科学与工程,1998,142728陈全兴,龙盛如,杨杰等.高分子材料科学与工程,29伍齐贤,陈永荣,周祚万.高分子材料科学与工程,3020(1):ZouH,XuW,FuQ.JApplPolymSci,2005,(accepted)B10702113841.9.200502128143.2.20047185254YangJ,WangHD.JPolymResearch,2005,12(4):3170203841.2005WangHD,YangJ.PolymDegradStab,2004,83(2):2292005,(9):250XuSX,YangJ,kngSR,cta1.PolymBulletin,2005,54:251HIKAWATOMOHIRO,KR9606414。(4):125WuQX,ChenYR.ChineseJpolymSci,1995,13(2):1362005,21(4):871992,8(1):7TetsuyaW.EP,0292279.1988