精 细 石 油 化 工26 进 展 第7卷第6期 ADVANCES IN FINE PETR0CHEMICALS 聚丙烯固相接枝改性研究新进展 王 刚 王 鉴 沈昌乐 (1.大庆石油学院化学化工学院,大庆163318;2.中国石油大庆石化公司化工一厂,大庆163714) 摘要综述了聚丙烯(PP)固相接枝技术的最新进展,重点介绍了PP固相接枝机理,讨论了 接枝单体、引发剂、界面剂、反应温度、催化剂等对接枝效果的影响。PP固相接枝改性具有广阔的 应用前景。 关键词 聚丙烯 固相接枝改性接枝机理 聚丙烯(PP)是一种重要的通用树脂,价格低 间相互缠结,链段不能在整个大分子内部自由迁 廉,性能优良,应用面广。但它是非极性聚合物, 表面活化能低,与极性材料的相容性很差,了 移,而只能在其附近作微弱的振动和伸缩运动。 因此,在接枝聚合过程中大分子自由基不易发生 双基偶合或双基歧化终止,自由基终止主要是大 分子自由基的单基终止。基于这一假设,詹晓力 PP的推广应用。接枝改性是改善PP极性的一个 重要途径。 目前,聚丙烯改性的方法主要有两类:一类是 等【H)提出了相应的自由基固相接枝聚合机理。 2.2共单体接枝机理 聚丙烯与其他聚合物进行共混改性,另一类是将 聚丙烯与其他化合物进行化学改性。在PP的化 学改性中,接枝是一种简单而又经济可行的方法。 其方法主要有熔融接枝【卜引、溶液接枝【引、辐射接 枝【 、固相接枝【 。 】等。固相接枝是20世纪90 不少研究者研究了PP接枝反应时加入第二 单体(即共单体)时的接枝反应机理。他们提出加 入第二单体提高第一单体的接枝率必须满足下列 条件:一是第二单体进攻PP大分子自由基的速率 须超过第一单体进攻PP大分子自由基的速率;二 是第一单体能与形成的第二单体大分子自由基发 生共聚反应。 马来酸酐(MAI1),甲基丙烯酸缩水甘油酯 年代兴起的一种接枝方法。与其他接枝方法相 比,它具有反应温度低、副反应较少、无溶剂污染、 后处理简单等优点。 1 PP固相接枝改性基础 首先,PP固相反应发生在其微孔内,通过扩 散和吸附作用,改性剂分子到达微孔中与PP粒子 (GMA)等固相接枝PP时,添加给电子体苯乙烯 (st)作为共接枝单体可以明显提高接枝率并能有 效地减少口大分子剪切,从而降低PP的降解,这已 被许多研究者证实(1o,11】。固相共聚接枝是由于受 电子体和给电子体形成电子转移络合物的缘故。 张立峰等【7 】采用St/醋酸乙烯酯(VAc)/异 氰脲酸三烯丙酯(TAlC)作为第二单体与MAH共 发生固相反应。由于聚合物晶区内的吸附和扩散 作用可以忽略,因此,PP的固相改性仅发生在无 定形区域。其次,在惰性条件下直接将PP粉末从 聚合反应器转移到改性反应器。这样避免PP被 空气中的氧气所氧化,当存在残留的聚合催化剂 时,这种氧化作用非常明显。再者,PP固相改性 聚接枝PP,其接枝率比只用其中任意一种接枝单 体固相接枝PP反应都要高,而且接枝PP的降解 程度也远低于后者。通过对接枝率、接枝共聚物 FTIR谱图以及接枝产物熔体指数的分析,提出了 共单体固相接枝PP的反应机理,认为反应体系中 加入带给电子基团的第二单体(M,),不但反应活 反应减少了由于温度高而引起的断链反应,从而 可减少改性过程中由于降解而导致的PP相对分 子质量的大幅降低。 2 PP固相接枝聚合机理 2.1单一单体接枝机理 性高于第一单体(M ),更易与PP大分子自由基 收稿日期:2006-03-08。 作者简介:,在读硕士研究生,主要研究方向为有机 合成。 固相接枝聚合通常发生在聚丙烯表层的非晶 相区和晶区微陷处,接枝聚合温度一般在100 140 ̄C,在此温度下聚丙烯仍为固相,大分子链段 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年6月 王 刚等.聚丙烯固相接枝改性研究新进展 27 发生反应,形成比PP—M.大分子自由基更加稳定 的PP_M,大分子自由基,而且可与带吸电子基团 的第一单体形成反应活性较高的比较稳定的过渡 态中间产物,从而更易与增长链自由基反应实现 接枝链增长。 3聚丙烯固相接枝改性的影响因素 3.1单体的影响 作为PP固相接枝的单体有MAH、GMA、St、甲 基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸 (AA)等,单体用量与接枝率密切相关。同样条件 下,单体用量少则不能满足自由基引发的需要,很 多自由基未引发反应就发生藕合终止或歧化终 止,降低引发效率;单体用量太多,则很多单体未 能参加接枝而容易发生均聚,降低接枝率。另外, 接枝到一定阶段,基体表面的接枝链阻碍了接枝 单体的进一步溶胀扩散,越来越多的单体被游离 自由基引发未接枝聚合。接枝单体使用较多的是 MAH,但是MAH位阻大,难以自聚,接枝率低,支 链短,且易升华污染环境。于是,许多研究者开展 了两种或三种单体在PP上接枝的反应。 在多组分固相共聚接枝中,添加少量的共单 体,即可大幅度提高共聚物的接枝效率和接枝率, 还可减弱PP的降解[ ]。对于单体的共聚反应, 其决定因素是两单体的竟聚率。通过Alfrey— Price半经验公式可计算两种共聚单体的竞聚率 l和 2: Ql r。= exp[ (eI-e2)] Q2r = exp[ (e2-eI)] 式中:Q——单体的共轭效应; e——单体的极性效应。 若两种单体的Q值比较接近,则说明这两种 单体比较容易发生共聚。表1列出了一些单体的 p,e值。 表1一些单体的Q。e值 注:HEMA为甲基丙烯酸一2一羟基乙醑。 从表1中可看出,接枝单体GMA和MAH与 苯乙烯的Q值十分接近。因此,当在固相接枝体 系中加入st,在形成苯乙烯基大分子自由基后, GMA和MAH单体均能很容易地与苯乙烯基大分 子自由基进行共聚反应。这样就使更多的接枝单 体通过st接枝到PP的长链上,从而接枝率大幅 度的提高。仰大勇等【l 用Q值相近的GMA与st 固相共聚接枝PP,并计算了两单体的竞聚率。试 验表明,加入Q值相近的共单体st的接枝率明显 高于单单体接枝反应,且相应的数均相对分子质 量和重均相对分子质量均明显增大,说明共单体 的加入能促进GMA的接枝反应,提高GMA的接 枝率。Lu Hui等【l 通过固相接枝MAH和st,对 等规PP进行改性。结果表明,采用双单体接枝得 到的接枝共聚物其接枝率明显高于PP单接枝 MAH。因此,合适的共单体应满足两个条件,一是 本身具有较强的稳定PP大分子自由基的作用,如 苯乙烯等;二是共单体与接枝单体的Q值较接 近。如果选择的共单体仅能满足第一条件,但其 Q值却与接枝单体的Q值相差很大,则虽然能有 效抑制PP的降解,同时也会导致接枝单体的接枝 率下降[ 。 贾德民等【10,11 ̄研究的PP与多单体固相接枝 共聚物具有接枝率高、支链长、并且支链结构可调 等优点,在PP填充和共混改性中具有良好的使用 效果。姚瑜等【l 8J采用亲水性的丙烯酸(AA)为接 枝单体,st为共聚单体固相接枝PP,接枝率比未 加St的接枝率有明显提高。并且水接触角明显 改观,亲水性能得到改善。DSC及TGA分析表 明,接枝改性PP的结晶速率比纯PP高,同时其结 晶温度略微上升,熔融温度略有下降。 3.2引发剂的影响 原则上,能热分解成自由基并引发自由基反 应的偶氮化合物和过氧化物都可以作为固相接枝 的引发剂,比如偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧化苯 甲酰(BPO)、过氧化异丙苯(DCP)等。引发剂必须 具有非氧化性、取代氢的能力以及在相应接枝条 件下具有合适的半衰期。其半衰期应与接枝聚合 时间同数量级或相当,同时还要考虑适宜的分解 温度和其引发接枝的效率。固相反应温度一般在 100—120℃,AIBN在这个温度范围反应太快,不 适合作固相接枝的引发剂,且偶氮类引发剂分解 后形成碳自由基缺乏脱氢能力;DCP在这个温度 维普资讯 http://www.cqvip.com
精 细 石 油 化 工 进28 展 第7卷第6期 ADVANCES IN兀NE PETROCHEMICALS 范围内分解速率相对较慢,也不适合作为固相接 枝的引发剂,DCP更多用来引发熔融接枝;而BPO 在这个温度范围内分解速率适中,普遍用作固相 接枝的引发剂。张立峰等【1 】研究发现,随着引发 剂含量增加,MAH接枝率开始快速增加,然后趋 于平缓;当引发剂用量超过6%时,由于笼蔽效应 等其他副反应发生的可能性也增加,导致引发效 率下降。多数研究【 0 】表明,PP固相接枝反应 的接枝率随引发剂用量的增加呈先升后降的变化 趋势。究其原因,人们认为当体系中引发剂量少 时,自由基浓度低,接枝率低,随着引发剂浓度提 高,形成的自由基数目增加,有利于接枝率的提 高;当引发剂浓度继续上升,由于接枝反应与单体 均聚反应是一对竞争反应,体系内自由基浓度过- 高,自由基偶合终止速率加快,单体均聚程度加 剧,导致接枝率下降。顾辉等 】采用复合引发剂 引发接枝,接枝率不如使用单引发剂引发。张广 平等【24】考察不同温度下含水和不含水的BPO对 接枝率的影响。在物料配比、反应条件均相同的 情况下,由不含水的BPO引发接枝反应所获得的 产物比含水BPO得到的产物的接枝率要高得多。 顾凯荣等【 】考察加入方式对接枝率的影响,与一 次性加入相比,接枝率从2.58%上升到2.78%。 3.3界面剂的影响 有不少学者研究了界面剂对接枝反应的影 响,林志勇等 】考察了不同界面剂对丙烯酸 (AA)固相接枝PP的影响,结果见表2。 表2不同界面剂对接枝率的影响 研究发现,当界面剂为PP的良溶剂时,接枝 率较高;当界面剂为PP的不良溶剂时,接枝率较 低。二甲苯作为界面剂时,接枝率最高。一般认 为,界面剂在PP固相接枝反应中起到浸蚀和溶胀 PP表面、为接枝反应提供场所、有利于单体向PP 内部扩散及有利于接枝聚合反应热的移出等作 用。但是溶剂不能过多,太多的溶剂不但会在PP 表面形成覆盖膜而且会溶解大量单体,隔绝单体 与PP大分子链的接触,单体的自由基未与PP的 大分子链作用形成接枝链就发生终止反应,降低 r接枝率。 3.4反应温度的影响 固相接枝的反应温度一般在PP的软化点附 近(约120℃)【2 。该温度既能较好地溶胀PP,又 提供适宜的反应速率。反应温度太低,溶剂不能 有效地溶胀基体,影响单体在基体中扩散,导致接 枝率低;反应温度太高,虽然溶剂溶胀效果好,但 是自由基分解速度太快,超过了接枝反应速率,自 由基终止反应加剧,同时副反应增多,导致接枝率 下降。近年来出现了光固相接枝技术【2引,反应温 度在常温或几十摄氏度下就能够进行接枝,如顾 辉等(29,30】自制沸腾床式固相光接枝反应器和滚 筒式固相光接枝反应器进行MAH接枝PP,所需 温度低于50℃。 3.5催化剂的影响 催化剂一般起到增加自由基的形成,稳定自 由基和降低接枝活化能的作用。Lee等【31]考察了 以TAlC为催化剂对PP固相接枝MAH的影响。 研究发现,当反应体系中加入少量TAlC时,MAH 在PP表面的接枝率明显提高。他们认为这是由 于TAlC具有3个烯丙基官能团,其化学活性很 高,起到增加自由基的形成,并稳定自由基、阻止 PP大分子自由基的降解和降低接枝反应活化能 的作用。张广平等【27】在考察PP粒度对MAH接 枝率的影响时,加入5%的TAlC后,接枝率大幅 增加。因为加入TAlC后,PP粉体不团聚,流动性 好,有利于提高接枝率。 3.6其他因素的影响 PP粉料的结晶度越高,单体在基体中的吸收 扩散能力越差,相应的接枝率越低;颗粒越细微, 表面能越大,接枝率越高( , ;PP的相对分子质 量越低,越容易被单体溶胀,接枝率越高;采用分 批加料的进料方式有利于接枝率的提高。固相接 枝反应时,随反应时间的增加,接枝率开始快速上 升,之后接枝率随时间的延长基本保持不变甚至 有所下降【1 ,3 。一般认为反应时间以所用引发 剂在反应温度下半衰期的4—6倍为宜。另外,华 侨大学开展利用超声波促进固相接枝反应,研究 了从接枝PP的反应条件。结果表明,超声波能 有效地促进固相接枝反应的进行。杜慷慨 等【弘, 】利用超声波对固相接枝反应的促进作用, 系统研究了AA,MAH,St三种单体分别接枝PP的 最佳反应条件。随着超声波作用时间的增长,接 枝率不断增加,但当作用时间超过一定时间后,接 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年6月 王 刚等.聚丙烯固相接枝改性研究新进展 29 枝率没有明显增加。这是因为在界面剂甲苯的存 在条件下,超声波促进单体和引发剂在PP表面上 分散,但不能进入PP的内部,因此,当单体接枝达 到一定的程度后无法继续增加。 4结语 PP固相接枝共聚是一种高效节能的方法,尤 其是多单体共聚技术,近年来研究非常活跃,它改 善了PP与极性单体不能相容的缺点,拓宽了PP 的应用领域。因此,PP固相接枝改性的研究在今 后将成为国内外关注的热点,接枝产物的应用领 域也将不断扩大。 参考文献 l Moad G.the Synthesis of Polyolefin Graft Copolymers by Reactive Ex- trusion.ProgPdym Sci,1999,24(1):81—142 2 White J L,Sasaki A.Free Radical Graft Polymerization.Poly.,一 Plast Technol,2003,42(5):711—735 3 Guldogan Y,E S,Rzaev Z M O,et a1.Comparison of Maleic Anhy- dride Grafting onto Powder and Granular Polypropylene in the Melt by Reactive Extrusion.,伽z Polm sc ,2004,92(6):3675—3684 4 Tan Lin,Deng Jinaping,Yang Wanta1.A Facile Approach to Surface Graft Vinyl Acetate onto Polyolefin Articles.Polym Ads Technol, 20O4,15:523—527 5 Shim J K。Na H S,Lee Y M,et a1.Surface Modiifcation of Polypropy- lene Membranes by Gamma—ray Induced Graft Copolymerization and Their Solute Permeation Characteristies.J Membrane scf,2001,190 (2):215—226 6 Wu Chunlei,Zhang Mingqiu,Rong Minzhi,et a1.Functionallaztion of Polypropylene by Solid Phase Graft Polymerization and Its Effect on the Mechanical Properties of Silica Nanocompesites.Plast Rub Corn- pos,2003,32(1O):445—450 7张立峰,郭宝华,张增民.双单体固相共聚改性聚丙烯技术及 其机理研究.高等学校化学学报,2001,22(8):1406~1409 8张立峰,郭宝华,张增民.固相共聚接枝合成功能化聚丙烯及 机理研究.高分子学报,2001,(3):338~341 9 Zl'mng Lifeng,Guo Baohua,Zhang Zengmin.Synthesis of Multifunc-, tional Polypropylene via oSlid Phase Cograhing and Its Grafting Mech- naism.JapptPotm Sd,2002,84(5):929—935 l0 Jia Detain,Luo Yuanfang,Li Yanmei,et a1.Synthesis and Characteri- aztlon of oSlid—phase Graft Copolmyer of Polypropylene wiht Styrene nad Maleic Anhydride.J卸z Polym sc ,20OO,78(14):2482~2487 11贾德民,罗远芳,何慧等.聚烯烃与三单体固相接枝共聚物的 制备方法及其应用.CN 00117390.2004 l2 Lu Hui,Luo Yuanfang,Fu Weiwen,et a1.Synthesis nad Characteriza. tion of oSlid hPase Graft Copolymefiaztion by Styrene nad Maleic An- hydride onto Polypropylene.Journa/of South China University of Technology(Natural&/ence),1999,27(6):46~51 13 Patel A C,Brahmbhatt R B,Rao PV C,et a1.SolidPhase Grafting of Various Monomers on Hydropemxidized Polypropylene.Euro Pol ̄m J,2000,36:2477—2484 l4詹晓力,杨小波,陈丰秋.聚丙烯固相接枝丙烯酸聚合动力学 及其接枝聚合速率模型.化工学报,2004,55(1):110~115 15 Zhao Jianqing,Cao Yuping,Huang Tan,et a1.Novel Technology for PP Solid Phase Graft Polymeriaztion.Chian Synthetic Rubber Indus- try,1999,22(6):37l l6仰大勇,毛联波,吴进高等.甲基丙烯酸缩水甘油酯/苯乙烯 固相接枝聚丙烯.化学研究与应用,2005,17(1):30—32 l7赵敏,高俊刚,邓奎林等.改性聚丙烯新材料.北京:化学工业 出版社,2002.99—164 l8姚瑜,张军,王晓琳等.双单体固相接枝制备亲水性PP.现代 塑料加工应用,2005,17(3):1—4 l9张立峰,郭宝华,张增民.马来酸酐接枝聚丙烯的固相合成以 及酸酐含量的测定.清华大学学报(自然科学版),2001,41 (1O):5—8 20阮吉敏,潘泳康,周达飞.PP固相接枝及其接枝性能的研究. 华东理工大学学报,1997,23(6):697—701 2l杜慷慨,林志勇,肖风英.苯乙烯与聚丙烯固相接枝研究.塑 料工业,1999,27(4):4—6 22王静媛,栾继燕,陶俊等.聚丙烯固相接枝PP反应以及接枝 行为的研究.高分子材料科学与工程,1999,15(3):37—40 23顾辉,柴超,张志谦等.PP粉表面固相接枝及其表征.材料工 程,1999,(1):l0一l3 24张广平,孙斌,张翼等.螺带反应器聚丙烯固相接枝马来酸 酐.中国塑料,2002,16(2):69—71 25顾凯荣,刘荧峰,薄颖慧等.聚丙烯悬浮固相接枝丙烯酸.石 油化工,1998,27(12):886~889 26林志勇,颜文礼,胡槐皓等.甲基丙烯酸固相接枝聚丙烯及其 增容研究.塑料工业,1996,(6):67~69 27张广平,张翼,戴干策.聚丙烯连续固相接枝马来酸酐.塑料 工业,2002。30(2):17—19 28 Ma Huiming,Davis R H,Bowman C N.A Novel Sequential Photoln・ duced Liivng Graft Polmyeriaztion.Macromolecules,2OOO。33(2): 33l一335 29顾辉,张志谦,魏月贞.聚丙烯粉料固相光接枝马来酸酐的研 究.高分子学报,1998,(5):603—607 30于志强,顾辉,张志谦.紫外光辐照聚丙烯粉固相接枝及其表 征.材料科学与工艺,2000,8(1):l6~20 31 Lee Sunggyu,Rengarajan Ramesh.Solid hPase Graft Copolmyeriaztion Effcet ofInterfacial Agent.J铆z P0枷scf,1990,41:1891~1894 32张艳中,范志强,刘钊等.球形聚丙烯粒子固相接枝苯乙烯的 研究.高分子学报,2002,(4):432~436 33肖风英,林志勇.聚丙烯固相接枝的研究.实验室研究与探 索,2002,21(5):90~92 34杜慷慨.超声波在丙烯酸固相接枝聚丙烯中的应用.合成树 脂及塑料,2002,19(2):1—3,7 35杜慷慨,吴翠玲,超声波在聚丙烯固相接枝马来酸酐研究中 的应用.塑料工业,2000,28(2):48—5o (下转第34页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
精34 细石油化工进展 ADVANCES IN FINE PETROCHEMICALS 第7卷第6期 处理的钻井液中有效,而且在Ca= 浓度已高达 流变性,故可用于现场钻井液。 2 000 mg/L时,仍能有效控制钻井液的滤失量,表 现出较强的抗温抗钙能力。在钻井液的日常维护 中,同时配合使用了PMC、PSP、SPNHP、JK一97等 常规处理剂,钻井液性能稳定,配伍性能好。 4结论 (3)现场应用表明,低相对分子质量的聚合物 17GX在高钙盐泥浆体系中具有明显的降滤失、抗 温抗盐性能,可使氯化钙钻井液体系保持较好的性 能,在钻进过程中钻井液性能稳定,井壁比较稳定, 钻进中砂样代表性好,无井垮、划眼等复杂事故,完 井电测和作业顺利,钻井机械速度明显提高。 参考文献 1王中华.油田化学品.北京:中国石化出版社,2001:138 153 2杨小华,王中华.AMPS聚合物基钻井液体系的研究与应用.石 油与天然气化工,2001,30(3):138 140 3杨小华,王厚燕.两性离子磺酸盐聚合物处理剂CPS20OOB研 (1)低相对分子质量的聚合物17GX在淡水 泥浆、盐水泥浆、饱和盐水泥浆和复合盐水泥浆中 均具有较强的降滤失作用。抗盐和抗温能力强, 可抗盐至饱和、抗温至150℃。 (2)聚合物17GX与现场常用的处理剂和现 场钻井液具有较好的配伍性,在经过盐污染后的 井浆中仍然可以有效控制滤失量,保证钻井液的 究.钻井液与完井液,2002,19(6):9—12 Research and Application of Low Molecular Weight Inorganic—-・organic Polymer 17GX An Jicheng Wei Dianju Shi Kangling2 Xie Aihua3 Yang Xiaohua2 (1.The Drilling Fourth Company,Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau,Qingfeng 457321;2.The Drilling Technology Research Institute,Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau,Puyang 45700 1;3.The Exploration Development Science Research Institute,Zhongyuan Oi eld Branch Company,Puyang 45700 1) Abstract A low molecular weight inorganic—-organic copolymer 1 7GX Wigs synthesized by redox initation using acrylacyloxy butyl sulfoacid,acrylamide,acrylic acid,and inorganic material as raw materialsI1le properties of the . copolymer as drilling fluid auxiliary were evaluated in laboratory.17GX Was applied in Zhongyuan Oil Field.The laboratory and field experiment results showed that inorganic——organic polymer 17GX as drilling fluid filtrate reducer had very good effects of depressing filter loss,heat resistance,and salt tolerance.It Was suitable for all water based mud system. Key Words drilling fluid,inorganic—organic polymer,heat resistance and salt tolerance,depressing filter loss 六六六六六 六六六六六六六六六六六六六六六六六六六六六六 六六六六六六六六六 六六六六六六六六 (上接第29页) Research Progress 0n Solid Phase Graft Modiicatifon of Polypropylene Wang Gang Wang Jin Sheng Chaangle2 (1.Chemistry and Chemical Engineering College,Daqing Petroleum Institute,Daqing 1 633 1 8; 2・Chemical Plant No.1,Daqing Petrochemical Co.,PetroChina Company Limited,Daqing 163714) Abstract The latest advances in solid phase gm polymerization of olpypropylene(PP)were reviewed.The reac. tion mechanism of the solid phase graft Was introduced emphaticallyThe effects of graft monomers,initiators,so1. .vent,reaction temperature,and catlystas on grafting efficiency were discussed.The modification by solid phase gm 0f PP exhibited an extensive application prospect. Key Words polypropylene,solid phase gm ,modification,graft mechanism
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