1.1 生产技术现状
目前,SBC的生产方法主要有采用单锂引发剂的三步加料法、两步混合加料法、偶联法以及采用双锂引发剂的二步加料法等。
1.1.1 三步加料法
以正丁基锂或仲丁基锂等单锂有机化合物为引发剂,在非极性溶剂中于情性气体保护下进行聚合反应。首先将原料及各种组分进行精制,然后先向反应器中加入规定量 1/2的苯乙烯(质量),接着然后加入引发剂溶液,升温到 50℃左右,维持0.5-1小时;第二步是待苯乙烯完全转化后降温至35℃左右,加入丁二烯再升温至50-70℃并维持 2小时左右。为使丁二烯转化完全,可接着将温度升至70-80 ℃再维持20-30分钟;第三步是加入另一半苯乙烯,在70-80 ℃下反应1小时。聚合结束后向聚合物溶液中加入含有稳定剂的环已烷溶液,并加入分散剂(如硬脂酸钙)在90℃以上进行凝聚,再经挤压脱水、挤压干燥后得产品,最后将产品包装入库。使用三步加料法虽然能制得质量较好的SBC产品,但生产工艺步骤较多,特别是第三步容易将微量有害杂质带入聚合体系,从而生成少量双嵌段SB共聚物而影响产品的物理机械性能。
1.1.2 两步混合加料法
两步混合加料法是在第二步加入丁二烯的同时把另一半苯乙烯也加入到聚合釜中,其基本原理是基于聚苯乙烯基锂活性链端引发丁二烯聚合的能力高于引发苯乙烯聚合的能力,两者的竞聚率与链增长速率常数相差较大,在第二步反应时丁二烯首先聚合,在丁二烯基本转化完全之后苯乙烯才开始聚合。两步混合加料法的主要优点是减少了单体加料次数,因而可以减少杂质进人聚合系统的机会,减少二嵌段共聚物生成的机会。但在丁二烯和苯乙烯同时存在时,特别是在丁二烯聚合后期,由于苯乙烯相对浓度较大,有时可能会生成少量苯乙烯与丁二烯的无规链段而影响产品的物理机械性能。
1.1.3偶联法
偶联法是先用单锂引发剂制成双嵌段SBLi,再加入偶联剂制成线型三嵌段SBC或星型多臂SBC。偶联法是合成SBC的有效方法,与上述其它方法相比,偶联法的突出特点是加料次数比三步法少,杂质进入的机会少,所制得聚合物的链段微观结构比两步混合加料法更为理想。与双锂引发剂二步法相比,偶联法的引发剂制备比较简单,不需要极性溶剂。此外,还适用于单体A的活性链能引发单体B,而单体B的活性链不能引发单体A的聚合体系。偶联法的工艺过程和生产控制与上述方法基本相似。制备线型SBC常用的偶联剂为双官能团化合物,如二氯乙烷、二溴乙烷以及二碘甲烷等。制备星型SBC常用的偶联剂为多官能团化合物,如三氯硅烷和四氯硅烷等。
1.1.4 二步加料法
采用二步加料法合成线型SBC时,一般采用双锂引发剂。由于双锂引发剂在烃类溶剂中的溶解度很小,需要加入部分极性溶剂,而极性溶剂对聚合物中聚丁二烯部分的微观结构有一定影响。所用溶剂的性质与种类不同可制得链段微观结构(主要是聚丁二烯部分的乙烯基结构)不同而性能也不相同的产品。二步加料法的工艺过程及控制方法与三步法基本相同。通常与溶液丁苯橡胶在同一套装置上生产,其基本生产工艺包括原料精制、催化剂制备、配料、聚合、胶液掺混、凝聚、脱水干燥和压块包装等过程,一般采用间歇聚合工艺。各公司SBC生产装置所用的工艺大体相近。如比利时Petrofina公司的装置使用美国phillips公司的间歇聚合技术路线,同时生产溶液丁苯橡胶和SBC,该装置使用丁基锂为引发剂,环已烷与已烷混合溶剂,生产装置有三条生产线,采用间歇聚合工艺,其中两条线采用三台30m3的聚合釜,另一条线采用两台 50m3的聚合釜,多台聚合釜并联操作,没有备用釜,每条线能力为2.5-3.0万吨/年,聚合釜内有四层挡板,搅拌器为折叶桨,四叶三层,采用双釜凝聚,后处理采用挤压脱水与膨胀干燥机组;日本JSR公司使用自己开发的技术,生产工艺为单釜间歇聚合,引发剂为丁基锂,环己烷(90%)与庚烷(10%)的混合物为溶剂,四氢呋喃为活化剂.聚合釜容积为20m3,有五层浆式搅拌,胶液浓度为 15%,一共四台聚合釜,双釜凝聚,使用安德森的挤压脱水与膨胀干燥机组;日本旭化成公司的装置使用美国Firestone公司的连续聚合技术路线,用于生产溶液丁苯橡胶和SBC等多种锂系橡胶,该装置采用单釜连续聚合,有三条生产线,聚合釜容积为 20m3。
1.2 生产技术进展
经过50多年的研究开发与生产,SBC生产技术获得了快速的发展。当前SBC的技术进展主要呈现以下几个主要特点:(1)产品的高功能化和多样化,是当前SBC科研开发的热点和生长增长点。如日本Daicel公司开发的环氧化SBC(即E-SBC),提高了SBC的耐油性、耐热性和粘接性;Shell公司以SEBS为基础与聚异戊二烯相结合合成了SEBIS,是饱和型或非饱和型热塑性弹性体用于粘接剂领域内的最佳性能组合,其粘接性能优于SIS。(2)以茂金属为催化剂的SBC低压氢化工艺实现工业化。该工艺是继1972年Shell公司采用Ziegler-Natta催化剂为加氢催化体系在生产工艺上的重大突破。20世纪80年代日本可乐丽公司率先开发以茂金属为催化剂的SIS低压加氢工艺,1990年实现工业化。西班牙Repsol公司于1998年也实现了SBC的氢化工业化;2001年意大利埃尼化学公司和我国台湾省合成橡胶公司先后实施工业化,并建成万吨级规模生产装置。目前以茂金属为催化剂的SBC低压加氢的总生产能力已经达到约12万吨/年,超过了以Ziegler-Natta为催化剂的高压加氢工艺10万吨/年的生产能力。茂金属加氢催化剂的特点是用量少和加氢度高于98%,其总生产成本较高压法低4%-5%,是一条很有发展前途的加氢工艺路线。目前,韩国、美国、德国、日本和我国有关科研和生产单位正在加大该领域的研究开发工作。(3)SBC的辐射固化技术正在兴起。Shell公司早在20世纪80年代就推出了辐射固化产品,该产品对电子束很敏感,使分子链中形成共价键网络结构,容易固化,可用作热熔粘接剂,有较佳耐热和抗溶剂性能。20世纪90年代以来,Shell公司又开发了Kraton液体聚合物(KLP)。该产物不含苯乙烯嵌段,相对分子质量小于10000,在分子链上含有羟基或环氧基管能团,经紫外线或电子束固化后得到透明的粘接性能优异的无毒液体状产物,主要用于粘接剂领域。辐射固化工艺设备投入只有溶剂型热熔胶粘剂的1/4,具有对环境友好、产率高、固化能力强和产品质量高等特点,发展前景光明。(4)新引发体系和工艺的节能化。目前SBC工业生产装置多采用以单锂(R-Li)为引发剂的顺序加料法和偶连法的聚合工艺,但此工艺生产的产品存在二嵌段(SB)含量高(5%-10%)、产品耐老化性能相对差的不足。为此,Dow、Dexco、Polymer、Buna、Phillips和国内SINOPEC等SBS各主要生产厂家,相继进行了双锂(Li-R-Li)及多锂引发体系聚合工艺的开发。此体系可以减少SBS聚合过程中的第3步加料,产品不含或含微量二嵌段物,均聚物含量很少,产品的耐老化性能得到改善,并可生产单锂所无法生产的多臂产品,完全可以在原有单锂SBS生产装置上实施。如能有效地降低引发剂的成本,此体系将是未来的开发热点。在节能方面,将着重于能量的综合利用及新的节能工艺的开发。目前大部分SBS工业装置凝聚釜顶约100℃左右的溶剂和蒸汽混合气热能没有得到充分利用。燕山石化公司利用自己开发的吸收式热泵工业成套技术(AHT)成功地回收了SBS凝聚过程中的低温废热,3万吨/年SBS工业装置实施结果表明:ATH技术可回收此部分40%的热能,每吨SBS将减少低压蒸汽消耗约1.5吨。在新工艺开发方面,为大幅度降低蒸汽消耗,将向直接干燥法方向发展,在传统的蒸汽汽提工艺中,由于汽液平衡所决定,每蒸发1吨溶剂需要携带1吨多的蒸汽,为节省这1吨的消耗,可以通过直接干燥的方式加以解决,即将从聚合釜出来的胶液,经过闪蒸和浓缩,直接进入排气式双螺杆挤出机,此工艺可以取消凝聚单元,大幅度降低蒸汽消耗,但需要解决SBS成品中残余催化剂杂质的脱除,以及在干燥过程中物料的热老化降解等技术问题。