高固含量无皂乳液聚合技术研究进展温度探头

高固含量无皂乳液聚合技术研究进展

乳化剂在乳液聚合中起着关键性的作用。可是，乳化剂一般为亲水性小分子化合物，残留在乳液中使胶膜出现孔隙而不完整，因而造成耐水性、耐污性和光泽差。乳化剂易迁移和吸附在界面而影响涂膜的附着力和光泽，乳化剂有起泡性，因而制成的产品易产生泡沫okmart.com。为了克服以上弊端，国内外一直致力于开发无皂乳液聚合技术。无皂乳液聚合是指不加乳化剂(更确切地说不加常规小分子乳化剂)或加入微量乳化剂(小于其临界胶束浓度)的乳液聚合过程。涂料和胶粘剂用乳液要求固含量较高，电解质等水溶性物质含量低，稳定性好。无皂乳液稳定性差，合成固含量高的无皂乳液十分困难。为了提高无皂乳液及其聚合的稳定性，国内外进行了大量的研究。提出了许多方法，如采用水溶性单体共聚，采用反应性表面活性剂或大分子乳化剂，加人难溶无机固体粉末或有机溶剂等。但笔者认为具有工业应用前景的方法主要是前3种。本文将介绍这3种方法.1 采用水溶性单体共聚 所用水溶性单体包括羧酸类单体、酰胺类单体、羟基类单体、磺酸类单体和一些阳离子单体。通过共聚，水溶性单体被键合在乳胶粒表面，形成亲水性水化膜而产生立体效应来维持乳液的稳定，水化膜的形成也降低了乳胶粒和水之间的界面张力。离子型水溶性单体还使胶粒表面产生电荷，通过静电斥力来维持乳液的稳定。所用羧酸类单体主要有(甲基)丙烯酸、衣康酸、富马酸以及马来酸；丙烯酰胺类单体有(甲基)丙烯酰胺、N-羟甲基(甲基)丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺等；羟基类单体主要有甲基丙烯酸羟乙(丙)酯；磺酸类单体主要有苯乙烯磺酸钠、(甲基)丙烯酸乙酯磺酸钠、2-甲基烯丙基磺酸钠、丙烯酰胺甲基丙烷磺酸钠等。水溶性单体的亲水性、种类、用量、加料方式和羧基单体的中和度对聚合及乳液的稳定性均有影响。单体的水溶性太大，易在水相发生均聚，生成水溶性电解质，反之，易埋在胶粒内，均不利于无皂乳液聚合。苯乙烯的无皂乳液聚合研究结果表明，用Na2HC03作为羧基单体的中和剂，中和程度严重影响聚合速率、乳胶粒大小、乳液的稳定性及水相中形成的低聚物自由基的水溶性。中和程度在0.80-0.87时有利于提高乳液的稳定性及聚合速率。采用水溶性单体共聚，可制得较高固含量的无皂乳液.Chen等采用HEMA(甲基丙烯酸-2 -羟乙酯)和St(苯乙烯)进行无皂乳液聚合，所得的乳液固含量为18％-45％，且稳定性好. Cuo等利用HEMA进行MMA(甲基丙烯酸甲酯)-BA(丙烯酸丁酯)的无皂乳液聚合，由于加入HEMA作为非离子共聚单体，聚合稳定性得到改善，制得的乳液固含量高达50％。郝海涓等同时采用AA(丙烯酸)和HEMA，采用分步控温种子乳液聚合法制备出固含量高达45％的无皂乳液，采用该方法制得的无皂乳液不仅固含量较高，聚合稳定性和储存稳定性较好，而且乳胶粒径较小，分布更均匀。唐广粮等采用3-烯丙氧基-2-羟基-丙烷磺酸钠(AHPS)、β-丙烯酰氧基丙烯酸(AOPA)和烯烃基甘油醚磺酸盐(AGES)合成出固含量为60％的稳定无皂丙烯酸乳液。尽管采用合适的水溶性单体可制得稳定的较高固含量的无皂乳液，但该类乳液存在如下问题：粒径较大，多数在500nm左右，而常规乳液的粒径一般为100～200nm。乳液的粒径愈大，其成膜性能愈差，所得涂膜的光泽及耐水性愈差；由该类乳液制得的涂膜拉伸强度较高，但延伸率较低，因而膜的耐冲击性不好；采用水溶性磺酸盐类单体制得的无皂乳液，因水溶性单体的亲水性太强而造成膜的耐水性较差。由于以上原因，采用水溶性单体共聚制备无皂乳液的方法还未获得工业应用。2 采用反应性表面活性剂 反应性表面活性剂是指带有反应基团的表面活性剂，它能与所吸附的基体发生化学反应，从而永久地键合到基体表面，对基体起表面活性作用，同时也成了基体的一部分。用于乳液聚合的反应性表面活性剂按其在乳液聚合中的作用可分为可聚合乳化剂、表面活性引发剂和表面活性链转移剂。2.1 可聚合乳化剂(Surfmers) 可聚合乳化剂是指分子结构中含有双键，可参与聚合的反应性表面活性剂。可聚合乳化剂的种类很多，包括阴离子型、阳离子型、非离子型及两性可聚合表面活性剂。其中主要是烯丙醇的衍生物，苯乙烯的衍生物，马来酸、衣康酸和富马酸等的衍生物，丙烯酰胺的衍生物，(甲基)丙烯酸及其酯的衍生物和十一-烯酸及其衍生物等。采用合适的可聚合乳化剂可制得稳定的高固含量无皂乳液。Unzue等分别利用阴离子可聚合乳化剂11-甲基丙烯酰氧基十一烷基硫酸钠(MET)、11-巴豆酰氧基十一烷基硫酸钠(CRO)和丙烷基十四烷基马来酸酯磺酸钠(M14)制备出固含量50％～55％的稳定无皂苯丙乳液。Guillaume等用丙烯酰胺基十一酸钠(NaAU)制备出固含量高达10％稳定的羧基乳液。张茂根等，用磺化十二醇烯丙基甘油丁二酸酯钠盐制备出固含量达40％以上的稳定乳液。文献正同时采用阴离子和非离子反应性乳化剂Adecaliasoap SEl0N制备出固含量为40％的稳定无皂丙烯酸乳液。文献采用反应性乳化剂Eleminol JS-2和AdekaReasoapNEl0制备出固含量为50％的稳定无皂丙烯酸核壳乳液。文献采用反应性乳化剂NewfrontierA229E制备出固含量为42.3％的微凝胶无皂丙烯酸乳液。可聚合乳化剂易埋在胶粒内，影响乳液的稳定性，不利于制备高固含量的乳液。为了克服这一现象，可聚合乳化剂应具有适当的聚合活性和亲水性。可聚合乳化剂聚合活性太高，它在聚合过程的早期就会和其它单体共聚而易埋在颗粒内部，聚合活性太低，则它在聚合过程的后期才与其它单体共聚，不易埋在颗粒内而位于颗粒的表面，但聚合活性太小，它就难以键合到乳胶粒上，例如，用烯丙基可聚合乳化剂进行醋酸乙烯的聚合，聚合在胶粒上的只有50％-60％，其余都以低聚物存在于水中。用11-甲基丙烯酰氧基十一烷基硫酸钠(MET)、11-巴豆酰氧基十一烷基硫酸钠(CRO)和丙烷基十四烷基马来酸酯磺酸钠(M14)作苯丙乳液的可聚合乳化剂，由于MET活性太大，易被埋在胶粒内部，聚合稳定性不好，聚合过程中生成的凝聚物量高达24％，而CRO的活性太低，与St/BA没有完全键合。M14活性适中，聚合效果最好。可聚合乳化剂还应和聚合体系中的主单体具有良好的共聚合性。亲水性太小的可聚合乳化剂也易埋在颗粒内，但太大可能会在水相聚合，形成水溶性聚合物。可聚合基团的位置对聚合过程及乳液的稳定性有较大的影响。双键位于疏水端的可聚合乳化剂易聚合，位于亲水端的因亲水端之间的排斥作用，阻止双键相互靠近而难聚合，即使能聚合到乳胶粒表面，也因疏水基位于胶粒表面而使制得的乳液稳定性差。2.2 表面活性引发剂 表面活性引发剂是指分子中既含有表面活性基团又存在能产生自由基的结构单元的化合物。表面活性引发剂按自由基生成基的结构可分为偶氮类化合物和过氧类化合物。这类反应性乳化剂的研究和应用在俄罗斯比较受重视。影响引发剂自由基生成速率的因素对表面活性引发剂也有类似的影响，不同的是分子的表面活性基和自由基生成基之间有强烈的相互作用。表面活性引发剂最大的优点是可以减少乳液聚合的组分，因而可以降低乳液中电解质的含量，减少泡沫的形成及产品中的杂质。据报道使用表面活性引发剂还可提高总聚合速率和聚合物的相对分子质量。表面活性引发剂的最大缺点是引发的效率低。采用表面活性引发剂可制备出固含量为35％～60％的稳定无皂乳液。文献[21)用自由基活性乳化剂latemulSl80，制备出固含量53％的乳液，用它制得的涂料具有良好的保光性和耐水性。2.3 表面活性链转移剂 表面活性链转移剂是指含有链转移基团-巯基的表面活性剂。用它进行无皂乳液聚合，可制备较高固含量的稳定的乳液，并能改善最终聚合物产品的物理和化学性能。 10多年来，反应性表面活性剂的研究和应用越来越受到重视，特别是日本，有关专利特别多，不少公司推出了工业用产品。但涉及到表面活性链转移剂的很少。3 采用大分子乳化剂 大分子乳化剂的迁移性远低于小分子乳化剂，在聚合过程中还可能与乳胶粒发生接枝作用，因而采用大分子乳化剂或水溶性聚合物代替小分子乳化剂可克服乳化剂易迁移，易起泡的缺陷，乳液成膜后它们成为涂膜的一部分。大分子乳化剂通过在胶粒表面形成亲水性保护层而产生空间稳定效应，离子性大分子还通过静电斥力产生稳定作用。用于乳液聚合的大分子乳化剂包括：嵌段共聚物，如聚醋酸乙烯-聚氧乙烯，氢化聚丁二烯-聚苯乙烯磺酸盐，聚苯乙烯-聚氧乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-聚氧乙烯，PMMA-丙烯酸盐等；接枝共聚物，如聚(对-甲基苯乙烯)-聚氧乙烯；其他的聚合物，如丙烯酸酯水溶性共聚物，聚(羟甲基)丙烯酰胺，顺酐化聚丁二烯，水性聚氨酯等。大分子乳化剂的稳定性取决于锚结基与稳定基分别对聚合物分散相和分散介质的相容性及其质量相对的大小。相容性越好，稳定效果越好。用PMMA-POE(聚氧乙烯)共聚物分别进行MMA、St醋酸乙烯酯(VAc)的乳液聚合，结果表明它们对MMA聚合的稳定效果最好，对St次之，对VAc最差，而聚异丁烯(PIB)-POE-PIB嵌段共聚物对三者有相同的稳定效果，原因是极性的PMMA对非极性的PSt的相容性不如对PMMA相容性，因而能有效地锚结PMMA，不能有效地锚结PSt，PIB对三者的相容性都很好，对三者都能形成有效的锚结，因而对三者的稳定性均很好。大分子乳化剂相对分子质量太大或太小都会使稳定效果减弱甚至失去。太小，要么锚结无效，要么稳定无效，或者两者均无效；太大，则两嵌端的溶解性变差，以及所形成的胶束与单分子乳化剂之间的平衡都会导致稳定作用的丧失。用PSt-POE嵌段共聚物作苯乙烯乳液聚合的乳化剂，相对分子质量在4000-10000之间，且HLB为3～9时可制得粒径约80nm的稳定乳液，当相对分子质量小于4000或大于10000，且HLB<3时，不能制得稳定乳液，HLB

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