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第34卷第4期 湖南大学学报(自然科学版) VoI.34.No.4 Apr.2 0 0 7 2 0 0 7年4月 Journal of Hunan University(Natural Sciences) 文章编号:1000.2472(2007)04.0064.04 非离子型乳化剂对聚丙烯酸酯乳液性能的影响 张心亚 ,傅和青,黄 洪,沈慧芳,陈焕钦 (华南理工大学化工与能源学院化学工程研究所,广东广州510641) 摘要:在非离子型表面活性剂用量和聚氧乙烯(EO)链长数目变化的条件下制备了纯 丙烯酸酯聚合物乳液(简称纯丙乳液),考查了非离子型乳化剂用量和EO链长对乳液聚合 稳定性及乳液冻融稳定性,Ca2 稳定性,玻璃化温度(丁 ),粒径和黏度的影响.实验结果表 明,非离子乳化剂用量和EO链长的增加,有助于乳液聚合反应的平稳进行,得到的乳液粒 径较小,黏度较大,丁 较低,乳液的冻融稳定性和Ca2 稳定性显著提高. 关键词:非离子型表面活性剂;聚氧乙烯链;聚丙烯酸酯乳液;乳液聚合 中图分类号:TQ433 文献标识码:A Influence of Nonionic Emulsifiers on the Properties of Pure Poly(acrylate)Latexes ZHANG Xin—ya十FU He.qin,HUANG Hong,SHEN Hui.fang,CHEN Huan.qin ,(Research Institue of Chemical Engineering,South China Univ of Technology,Guangzhou,Guangdong 510641,China) Abstract:Pure poly(acrylate)latexes were prepared under various conditions of the nonionic surfactant amount and its Ethylene Oxide(EO)chain length.The influence of the nonionic surfactant amount and the EO chain length on the latexes properties,such as the emulsion polymerization stability,the freezing thawing stabili・ ty,the Ca2 stability,particle size and viscosity,and Glass Transfer Temperature(Tg),was presented.The ex・ perimental results show that the increasing nonionic emulsifier amount and EO chain length makes the emulsion olpymerization processes more stable,and the resulted poly(acrylate)latexes have smaller particls,hiegher vis— eosities,lower Tg,excellent freezing・thawing stability and Ca stability. Key words:nonionic surfactant;ethylene oxide chain;poly(acrylate)latexes;emulsion polymerization 丙烯酸酯共聚物乳液已经广泛应用于涂料工业 长不同的共聚物,常作为非离子乳化剂用于乳液聚 合中.本文主要讨论AEO用量和EO链长的变化对 乳液聚合过程稳定性和纯丙乳液性能的影响. 中【1.3],共聚物乳液的性能受单体组成、聚合物的 交联和分子量、乳化剂、引发剂和聚合过程影响.纯 丙乳液作为涂料的成膜基料必须满足机械剪切稳定 性的苛刻要求,已有研究显示保护胶和非离子乳化 剂共同作用可使纯丙乳液满足这些要求【4 J.其主要 1 实验 1.1实验配方 机理是在乳液中,非离子乳化剂分子中水溶性基团 扩散到水相中形成粘滞层,阻碍了其他颗粒的接近, 从而使乳胶粒子保持静态的稳定. 脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)是聚氧乙烯(EO)链 聚丙烯酸酯乳液的配方如表1所示. 1.2乳液合成 进行两个系列的实验,设定阴离子乳化剂用量 为单体总量的1%(质量分数,下同)不变.在第一系 收稿日期:2006-01_07 基金项目:广东省科技厅科技计划项目(2003BlO5O6) 作者简介:张心亚(1974一),男,湖北黄梅人,华南理工大学讲师,博士 十通讯联系人,E.mail:cexyzh@¥cut.edu.ca 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 张心亚等:非离子型乳化剂对聚丙烯酸酯乳液性能的影响 65 列实验中,AEO的量在单体量的1.0%~5.0%间变 化;在第二系列实验中,对EO链长的影响进行研 的比例与乳液混合,静置48 h后,观察是否有漂油、 聚结、分层现象. 究。EO链长分别为3,9,15,20,25,35. 表1纯丙乳液的配方 Tab.1 Basic recipe for poly(acrylate}latexes 将乳化剂,pH值缓冲剂溶于去离子水中,加入到 带搅拌器、控温仪、冷凝器和进料口的反应瓶中,匀速 搅拌,设定初始反应温度为65℃.当温度达到65℃时, 将单体按预定的比例充分混合,用分液漏斗在15 min 内加入混合单体总量的10%和占总量20%的 ̄o(SFS) =2%溶液到反应瓶中,使反应在65℃,强烈搅拌的条 件下反应15 min.用两个分开的进料口开始滴加剩余 单体混合物和SFS溶液,控制滴加速度在4 h内滴完, 在滴加过程中维持反应温度为65℃.在单体和弓I发剂 加完后,恒温反应30 min,再补加部分rB}{I)0和SFS 溶液恒温反应30 min.冷却乳液到室温,调节乳液的pH 值为7~8,过滤出料. 1.3乳液性能测试 1)凝聚率 .聚合反应的稳定性用 ̄Mc表示,由 称重法获得.在聚合反应结束后收集聚合体系中的 凝聚物。烘至恒重,按下式计算: : ×100% (1) 2m 式中押z 为凝聚物的质量,单位为g;栉z 。为单体的 总质量,单位为g. ,值越小,表示乳液聚合反应过 程的稳定性越好. 2)粒径及其分布.采用英国Homywell公司的Mi. crotrace UPA 150型粒度仪进行测定,温度为25℃. 3)黏度.采用Brookfield RVDL一Ⅱ+黏度仪测 定,选用2号转子,转速60 r/min,温度为25℃. 4)冻融稳定性.将待测乳液装入500 ml的瓶子 中,在一18±1℃冷冻18 h,在20℃下熔化6 h,操 作重复5次,每一次冻融后测定所生成的凝胶量和 乳液的黏度变化,凝胶量和黏度变化代表了乳液的 冻融稳定性. 5)Ca2 稳定性.配制5%的Ca2 溶液,以4:1 6) .采用德国N】 公司制造的差示量热 扫描仪测量,升温速率10℃/rain,环境气氛为N2. 2结果分析与讨论 2.1对聚合过程稳定性的影响 乳液聚合过程的稳定性对乳液制备有重要影 响.单独采用非离子乳化剂,反应温度会显著影响聚 合反应的稳定性,当温度升高时,水分子的布朗运动 加快,水合作用减小,水合保护层遭破坏,聚合物乳 液粒子便聚集成更大的粒子而沉降;单独采用阴离 子乳化剂,得到的聚合物乳液有较好的机械稳定性, 但对电解质的稳定性较差;采用非离子乳化剂与阴 离子乳化剂联合使用,可使阴离子乳化剂的电荷稳 定和非离子乳化剂的空间位阻作用产生协同效应, 4 提高乳液聚合过程的稳定性和乳胶粒的稳定性【5】. 实验采用DSB和AEO作复合乳化剂,不同的 AEO用量对聚合稳定性的影响如图1所示.由图1 可见,当AEO用量较少时,体系中形成的胶束数目 较少,粒度增大,最终生成大粒子,体系的凝聚率大, 稳定性差;而随AEO用量的增加,体系中形成的胶 束数目增多,弓f发和反应速度加快,粒径变小,粒子 的比表面积增大,粒子问相互作用力增大,粒子流动 的阻力也增大,造成体系的黏度增大,聚合反应的凝 聚率降低,有利于聚合反应的稳定进行.但当AEO 用量达到一定值后,凝聚率曲线趋向平缓,不可只增 大AEO量来提高聚合反应稳定性. \ { 、 。\~一.一一.一. 1 2 3 4 5 m g 图1 AEO用量对聚合稳定性的影响 Fig.1 Effect of the AE0 amount on the polymerization processes stability 改变EO链长的实验结果如图2所示:EO链长 增加得到的乳液粒径小,聚合稳定.随EO链长增 加,AEO分子中水溶性基团扩散到水相中越多,形 成粘滞层阻碍了其他颗粒的接近,从而使乳胶粒子 3维普资讯 http://www.cqvip.com
66 湖南大学学报(自然科学版) 2007年 保持静态稳定,有利于乳液聚合反应的稳定性. 4 3 善2 l 。 O 5 10 l5 25 30 35 4o 。 图2 EO链长对聚合稳定性的影响 似 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ Fig.2 Effect of the EO chaiI_—暑_,n日访。己巳嗣jd n length on the polymerization processes stability 实验中还发现,对化学稳定性不好的乳液,增加 AEO用量及EO链长,可减少反应容器内壁结皮等现象. 2.2对粒径和黏度的影响 ^∞.矗 —葛 、 Iso ∞_ 随AEO用量从1.0%增大到5.0%,乳液粒径 减小且分布变窄.在剪切速率D为18 S 时测量乳 如 如 o 液的黏度急剧增加,如图3所示. 3000 2,00 _ I翌 2000 目 I500 o 兽1000 似 ∞ ∞ m—g ∞ ∞ ∞ 图3 AE0用量对乳液黏度和粒径的影响 量、n同 。l。I置 Fig.3 Effect of the AE0 amount on the viscosity and particles size 改变EO链长也可观察到类似的结果,如图4 所示.EO链长增加得到粒径较小、黏度较高的乳 液.随AEO用量增加,乳化剂稳定的表面积增加,由 于质量平衡而得到较小的颗粒,显然含大量小颗粒 的乳液比含少量小颗粒的乳液表现出的黏度大. 2.3对冻融稳定性的影响 聚合物乳液的冻融稳定性指聚合物乳液对低温 放置下乳液冻结时产生作用的抵御能力.AEO用量 不同对乳液冻融稳定性的影响如表2所示,在最初 范围内,乳液冻融稳定性随AEO用量的增大而提 高;当达到一定值时,乳液的冻融稳定性就不随 AEO量的增大而改变.这是因为AEO带有EO链。 不带电荷,根据双电层保护稳定理论,在乳胶粒表面 的乳化剂吸附率达到饱和以前,乳胶粒表面吸附的 乳化剂有助于乳胶粒的冻融稳定性,冻融稳定性随 乳化剂用量增大而增加,达饱和后不再随乳化剂用 量增加而变化[61. 2 0 5 l0 似 ∞ ∞ l5 20 I—_暑_,n— 晶oI。∞ ∞ ∞ 芦曾口【1 。 图4 EO链长对乳液黏度和粒径的影响 Fig.4 EffectoftheEO chainlength onthe viscosity and particles size 表2 AEO用量对冻融稳定性的影响 Tab.2 Effect of the AEO amount on the freezing and thawing stability AEO用量/%0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 注:①按1~1O顺序数值判定的冻融稳定性指数表明冻融稳定 性逐步提高. 乳液的冻融稳定性随EO链长的变化如表3所示, 随EO链长的增加,乳液的冻融稳定性有显著提高. 表3 EO链长对乳液冻融稳定性的影响 Tab.3 Effect ofthe EO chain length on the freezing and thawing stability EO链长 3 9 15 20 25 35 注:①按1~1O顺序数值判定的冻融稳定性指数表明冻融稳定 性逐步提高. 2.4对Ca2 稳定性的影响 聚合物乳液的化学稳定性,又称之为电解质稳 定性,指聚合物乳液对添加各种化学药品产生的冲 击作用的稳定性,常用对ca 稳定性来表示. 乳化剂类型对聚合物乳液的电解质稳定性有显 著的影响.非离子乳化剂和阴离子乳化剂复合使用 比使用单一乳化剂取得更好的乳化效果.这是因为 复合使用时,两种乳化剂分子交替地吸附于乳胶粒 的表面,相当于在阴离子乳化剂分子之间楔入了非 离子乳化剂分子,降低了在同一乳胶粒上吸附的牢 度;加之非离子乳化剂对乳胶粒的保护作用,产生协 同效应,使乳胶粒的稳定性提高.不同的用量AEO 对Ca2 稳定性如表4所示.对同一非离子乳化剂, 在一定范围内其用量越大,乳胶粒表面覆盖量越多, 乳胶粒所具有的静电或立体稳定作用越强,聚合物 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 张心亚等:非离子型乳化剂对聚丙烯酸酯乳液性能的影响 67 乳液的电解质稳定性越高[’ ].但当乳化剂用量过 大时,形成的乳胶粒过小,界面能太大,乳液的耐电 解质稳定性下降. 表4 AEO用量对乳液Ca 稳定性的影响 Tab.4 Effect of AEO amount on the Ca2 stability \ \ \ \ \ 一\ 乳化剂用量/%Ca2 稳定性①0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 4 7 10 9 6 注:①按1~10顺序数值判定的ca 稳定性指数表明电解质稳 定性逐步提高. 如表5所示,当用具有较长Eo链的AEO时, 可赋予乳胶粒子较高的立体稳定作用,提高聚合物 乳液的电解质稳定性.乳液聚合过程中,阴、非离子 乳化剂交替吸附于乳胶粒表面,阴离子乳化剂赋予 粒子表面负电荷,分散在水中带负电荷的聚合物粒 子通过吸引体系中的反离子产生保持乳胶粒稳定的 p 双电层;吸附于乳胶粒表面的非离子乳化剂的立体 ∞ 嚣 ∞ 稳定作用则使电解质的相反离子对乳胶粒的双电层 压缩作用减小.因而提高乳液Ca”稳定性可采用 EO链较长的非离子乳化剂或与阴离子乳化剂并用 来提高乳胶粒子保护层厚度,形成水合力大的乳化 剂或水溶聚合物的保护层来达到目的 J. 表5 EO链长对电解质稳定性的影响 Tab.5 Effect of the EO chain length on the Ca stability BO链长 3 9 15 20 25 3O Ca2 稳定性0 注:①按1~10顺序数值判定的ca 稳定性指数表明电解质稳 定性逐步提高. 2.5对 的影响 如图5所示,纯丙共聚物乳液的 随AEO用量 的增大而降低,EO链长变大时也有相同的趋势,如图6 所示.这是因为含EO链长的AEO可起内增塑的作用; 且AEO中的EO链越长,对乳液Tg的降低越有效. 30 28 \一 \ 26 \ p \ 24 \ \ 一\ 20 I 2 3 4 5 m g 图5 AEO用量对乳液T 的影响 Fig.5 Effect of the AEO amount on Tg 0 5 10 15 2O 25 30 35 40 图6 EO链长对乳液T 的影响 Fig.6 Effect of the EO chain length on T 3 结 论 研究了AEo用量和EO链长对纯丙乳液聚合 过程及性能的影响,结论如下: 1)随 用量和EO链长的增加,有利于纯丙乳 液的聚合过程稳定性,可得到粒径较小、黏度较大的乳 液,并且聚合物乳液的冻融稳定性有显著的提高. 2)随AEo用量和Eo链长的增加,聚合物乳液 的电解质稳定性提高;但当AEo用量过大时,聚合 物乳液的电解质稳定性反而会降低. 3)纯丙共聚物乳液的T 随AEo用量的增加、 Eo链长变大而降低,Eo链越长,对纯丙乳液T 的降低就越有效. 参考文献 [1]URBAN D,TAKAMURA K.Polymer dispersions and their in. dustrila applications[M].Weinheim:Wiley.VCH,2002. [2]LOVELL P A,EL.AASSER M S.Emulsion polmyerization and emulsion polmyers[M].New York:John Wiley and Sons Inc, 1996. [3] TliIl R S,EVREN V.S)mthesis and characterization of pure oply (acrylate)latexes[J].Progress in Organic Coatings,2005,52 (2):144—150. [4]SNUPAREK J.Principles and limits of Volym ̄latex br_噬[J]. Pt ofOrga ̄Coatings,1996,29(1/2/3/4):225—233. [5]张心亚,蓝仁华,陈焕钦.含功能性单体的苯俑乳液聚合稳定 性[J].华南理工大学学报:自然科学版,2004,32(3):15—19. ZHANG X Y,LAN R H,CHEN H Q.Polymerization stability of St・BA・HEMA・AA copolmyerie latex containing functional monomers[J].JoulTlla of South China University of Technology: Natural Sciences,2004,32(3):15—19.(In Chinese) [6] 张心亚,涂伟萍。陈焕钦.等.乳液聚合中乳化剂对聚合物乳液 稳定性的影响[J].粘接,2002,23(3):16—19. ZHANGXY,TUWP,CHENHQ.ela1.Influenceof emulsifi・ er on the stability of polmyeric latexes in emulsion polmyerization [J].Adhesive,2002,23(3):16—19.(In Chinese) [7] 黄英,刘香鸾,师彤,硅氧烷乳液聚合过程中大颗粒形成机理研 究(I):用离子型乳液的耐电解质稳定性[J].应用化学,1994, 11(2):44—47. HUANGY,LIUXL,SillT.Formationmechanism oflarge emulsion partides in emulskn polymerkatha of hy k1)∞ne I stability of act"JOt'lie emuL4ons towards dectrol ̄es[J].Chinese Journal of Al 矧 Chemistry.1994.11(2):44—47.(In Chinese) [8]刘正乎,刘凤歧,罗晓韬.等.外交联型丙烯酸系共聚乳液的研 究一I合成与性能[J].涂料工业,1992,22(4):6—1O. LIU Z P。UU FQ。LUO X T,el .Study∞external ca ̄linkable acrylic copolymeremulsionISynthesis and ope而 【J].Paint&Coat・ ings Industry,1992。22(4):6—10.(InChin ̄)