第42卷第9期 2012年9月 涂料工业 PAINT&C0ATINGS INDUSTRY Vo1.42 No.9 Sep.2012 稳定高固含量阳离子丙烯酸酯乳液的合成 何笑凡,邱藤,何立几,张胜文,李效玉 (北京化工大学材料学院乳液聚合研究室 有机无机复合材料国家重点实验室碳纤维和功能高分子教育部重点实验室,北京100029) 摘要:通过加入可聚合功能单体甲基丙烯酰氧乙基二甲基辛基溴化铵(ADMOAB),制得了具有良好稳定性的高固 含量(42%)阳离子聚丙烯酸酯乳液,并考察了聚合工艺、pH、种壳中乳化剂分配、ADMOAB添加量、引发剂的类型及用量 对乳液稳定性的影响。结果表明:采用种子预乳化法,使用偶氮二异丁基咪盐酸盐(AIBA)和偶氮二异丁腈(AIBN)复合 引发体系,用量分别为单体总量的0.1%,当ADMOAB添加量为总单体质量的2%时,乳液各项稳定性优异。 关键词:阳离子乳液;ixi烯酸酯;功能单体;高固含量;稳定性 中图分类号:TQ 630.4 3 文献标识码:A 文章编号:0253—4312(2012)09—0040—05 Synthesis of Stable Cationic Acrylate Emulsion with High Solid Content He Xiaofan,Qiu Teng,He Lifan,Zhang Shengwen,Li Xiaoyu (School of Materials Science and Engineering State Key Laboratory of Organic— Inorganic Composite,Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers,Ministry of Education,Being University of Chemical Technology,Bering 100029,China) Abstract:The cationic acrylate emulsion with high solid content(42%)and good stability was synthe— sized by adding reactive functional monomer methacryloyloxyethyl dimethyloctyl ammonium bromide f AD. MOAB).The influence of polymerization process,pH value,the emulsiifer amount ratio at core and shell stage,the amount of ADMOAB,species and content of initiator on emulsion stability was studied.The results suggested that the emulsion with optimum stability was made by seed pre——emulsification polymerization with 2,2 一azobis(2一methylpropionamide)dihydrochloride (AIBA) and az0diis0butyronitrile (AIBN) con1一 pound initiator system.The optimum amount was 0.1%of the total monomers both for AIBA and AIBN.and the optimum amount of ADMOAB was 2%. Key Words:cationic emulsion;acrylate;functional monomer;high solid content;stability 丙烯酸酯类水性木器涂料是一种环境友好的材料,相比 于传统的溶剂型涂料,使用水性涂料可以大量减少挥发性有 机化合物(voc)的排放,保护环境 。阳离子乳液聚合物 带有正电荷,能够与木材中的酯基、羟基等官能团产生强相互 作用,应用于木器封闭底漆时可起到良好的封油效果,同时能 使木材的天然纹路与本色得到凸现 ,因此阳离子聚丙烯 酸酯乳液的合成越来越受到人们的关注 J。目前阳离子聚丙 1 实验部分 1.1 实验材料 甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA):工业级,北京 东方化工厂;甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA):_T业级, 北京乐泰科技有限公司;非离子乳化剂PE6100(100%):巴斯 夫;十六烷基三甲基氯化铵(CTAC):分析纯,天津福晨化学试 烯酸酯乳液的固含量受到乳液稳定性因素的限制,高固含量 的阳离子乳液稳定性普遍较差,无法满足生产贮藏需要;而乳 液的固含量过低,则会影响乳胶膜的丰满度等性能 。高固 剂厂;溴代正辛烷(98%):北京中胜华腾科技有限公司;过硫 酸铵(APS)、亚硫酸氢钠(SBS):分析纯,北京化学试剂厂;偶 含量且有良好聚合稳定性和机械稳定性的阳离子聚丙烯酸酯 乳液合成未见报道。本研究采用种子预乳化法,合成出具有 良好稳定性的高固含量阳离子型聚丙烯酸酯乳液,同时考察 了pH、种壳乳化剂分配、可聚合功能单体添加量、引发剂类型 及用量等对阳离子乳液各项稳定性能的影响。 氮二异丁腈(AIBN):分析纯,天津光复精细化工研究所;偶氮 二异丁基咪盐酸盐(AIBA):分析纯,阿拉丁;盐酸、无水氯化 钙:分析纯,北京化工厂;去离子水。 1.2功能性单体ADMOAB的合成 将适量甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和溴代正辛 烷加入三口烧瓶中,加入2倍于反应物体积的环己烷作为溶 何笑凡等:稳定高固含量阳离子丙烯酸酯乳液的合成 剂,置于40℃的水浴恒温槽中,搅拌反应72 h。降温抽滤. 所示。产率为76%。经测试,熔点为89℃,25℃下测试临界 40℃真空干燥48 h,得到白色固体(ADMOAB),反应如式(1) 胶束浓度(CMC)为0.14 moL/L,具有表面活性剂的特性。 一 40℃ C8H17Br——— 。::一 +一 1.3种子预乳化合成方法 在装有搅拌器,冷凝管和温度计的1 四口烧瓶中加入一定 量的乳化剂、去离子水和混合单体,将剩余乳化剂、去离子水、 混合单体和一部分引发剂置于2 四口烧瓶中,H Z.. H 调整pH,加以搅 拌,预乳化一段时间。将1 烧瓶置于恒温水浴锅中,通过玻璃 辞 划 管通人N:20 min,加热到反应温度,加入一定量的引发剂,反应 20 min,当形成明显蓝光种子乳液后,将2 烧瓶中的预乳化液缓 慢滴加到1 烧瓶中,在1 h左右滴完,保温2 h,降温出料。 1.4测试与表征 (1)红外光谱分析:采用德国Bruker公司Tensor 37傅里 波数/cm 叶红外光谱仪分析。 图1 ADMOAB的红外光谱 (2)粒径及Zeta电位测定:采用英国马尔文公司ZETA H Fig.1 The infrared spectrum of ADMOAB SIZER型粒径分析仪进行测定。C●●C — 外谱图可定性确定该化合物是目标产物。 (3)固含量测定:o 取一铝箔皿,C 一称质量m ,加入质量为m 2.2阳离子乳液合成 的乳液样品于铝箔皿中,— 烘干到恒质量,得到m ,则固含量如 式(2)所示。 o A 2.2.1乳液聚合工艺比较 固含量=(m 一m )/m ×100% 式(2) 分别采用间歇法(A);种子引发,后滴加单体(B)和种子 (4)单体转化率:用称量法进行测定,— B 《l 按式(3)进行计算。 引发,后滴加预乳化液(C)3种不同聚合工艺合成42%的阳离 转化率=实际固含量/设计固含量×100% 式(3) 子丙烯酸酯乳液,如表1。 (5)聚合稳定性:收集瓶壁、一 ● 搅拌棒和过滤网上的凝聚物, 表1 不同聚合工艺对阳离子乳液合成的影响 烘干到恒质量并称量,计算凝出物占总干物质量的百分数。 Table 1 The influence of different polymerization process on emulsion synthesis (6)机械稳定性:先将乳液试样用滤网过滤,然后采用上 一 海现代环境工程技术研究所SFJ一400砂磨分散多用机(转盘 直径5.5 em)高速分散30 min,然后用滤网过滤,若不出现凝 粒径/nm 131 93 105 胶颗粒,则乳液的机械稳定性通过。式 凝廖鹤 丢| 2,32|曩|| 。 a 11 (7)钙离子稳定性:在20 mL刻度试管中,加入16 mL乳 乳液外观 乳白色 乳白透亮,泛蓝光 乳白色,泛蓝光 液试样,滴加4 mL氯化钙溶液(W=0.5%)后摇匀,静置48 h, 无凝胶和分层现象代表钙离子稳定性通过。 对3种不同乳液聚合工艺的比较发现,间歇法制得的乳 2结果与讨论 液粒径较大,为131 flln,而种子法所得的乳液粒径在100 nm左 右。这是因为,种子法中在种子引发时,形成的增溶胶束较 2.1 功能性单体ADMOAB的红外表征 多,而间歇法工艺引发时乳化剂较多附着在大单体液滴的表 面,增溶胶束形成较少。从后滴加单体和预乳化液的比较来 用红外光谱仪测得ADMOAB的红外光谱,如图1所示。 看,采用后滴加预乳化液的工艺,凝胶率低,聚合稳定性好。 从图1可以看出,在2 900 em 附近有2个吸收峰,且该 吸收峰较强,这是甲基和亚甲基的特征吸收峰,体现了ADMO— 2.2.2 pH对乳液稳定性的影响 AB的结构特性;在1 720 elll 附近处有强吸收峰,这是共轭羰 一般来讲,阳离子乳液在酸性环境中稳定性较好。图2 基的吸收峰;1 630 Cnl 处的吸收峰是产物结构中碳碳双键的 是阳离子乳液在不同pH下的Zeta电位图。 吸收峰,由于是不饱和碳碳双键与羰基产生的共轭,因此使吸 从图2可以看出,pH从5变化到1,乳液的Zeta电位迅速 收峰从原来1 660 cm 向低波段移至此处,证明了产物结构中 下降,体系变得不稳定。从酸性到碱性的变化中,Zeta电位有小 有碳碳共轭双键存在;在1 470 cm 处附近的吸收峰是季铵根 幅下降。当乳液的pH为5时,乳液的Zeta电位最高。因此在 的特征吸收;在1 160 cm 处是酯基的强特征吸收峰。故从红 弱酸性(pH=5)的条件下阳离子乳液稳定性相对较好。 何笑凡等:稳定高固含量阳离子丙烯酸酯乳液的合成 从表3可以看到,随着种子中乳化剂占乳化剂总用量的质量 分数从10%增加到50%,得到的乳液的粒径逐渐从160 nm减小 到98 nm。因为当种子部分乳化剂量较多时,能形成较多的增溶 胶束,引发后成核较多,最终形成的乳胶粒子的粒径较小。从机 》 g 械稳定性的对比可以看到,当ADMOAB的加入量一定时,粒径较 小的乳液试样,在20 min后均出现破乳。而126 Bill以上的乳液 则通过了测试。因为ADMOAB的加入量一定,随着粒径的减小, N 乳胶粒子总表面积增大,乳胶粒子表面结合的ADMOAB基团密 度下降,在强烈的机械搅拌下,粒子出现团聚,较小粒径乳液出现 了破乳。从转化率看,变化不大,均能达到9r7%以上的高转化率。 2.2.5 ADM0AB添加量 pH 使用传统的阳离子乳化剂制得的乳液是一种物理的吸 附,通常不稳定,利用共价键使乳化剂或功能性单体连接到反 图2乳液在不同pH下的Zeta电位 Fig.2 The effect of pH value on Zeta potential 应单体上,使其不会解吸附 ,能提高阳离子乳液的稳定 2.2.3 阳离子/非离子乳化剂比例 通常阳离子乳化剂能有效降低粒径,非离子乳化剂则能 通过空间位阻作用提供稳定性,2种类型的乳化剂按一定比例 协同作用乳液稳定性更好 …。表2是在乳化剂总量3%不变 性。固定种子中乳化剂为乳化剂总用量的50%,使用AIBA引 发,总用量为单体质量的0.1%,通过调节可聚合阳离子功能 单体ADMOAB的添加量,合成一系列固含量为42%阳离子乳 液,同时考察阳离子乳液稳定性如表4。 表4 ADMOAB添加量对乳液稳定-陛的影响 Table 4 The effect of the amount of ADMOAB on emulsion stability 情况下,调节阳离子乳化剂和非离子乳化剂的比例,考察其对 乳液合成的影响。 表2 阳离子/非离子乳化剂比例对乳液合成的影响 Table 2 The effect of the cationic/nonionic emulsiifer amount ratio on synthesis of the emulsion 粒径/nm 105 106 108 104 115 多分散系数0 凝胶率/% /rim O.014 O。023 0.028 0.022 0.O3l 0.08 O.11 0.27 O.33 6 1.94 108 0.58 :105 5.64 3.10 l l凝胶率/% 震 Zeta电位/mV 47.4 35.8 28.8 —20.4 机械稳定性j 不通过 不通过不通过不通过 通过 钙离子稳定性 通过 通过 通过 通过 通过 从表2可以看出,加入阳离子乳化剂CTAC得到的乳液 Zeta电位为正值,显示为阳离子乳液,而且随着CTAC量的增 加,Zeta电位显著上升,当CTAC与PE6100的质量比是2:1 时,乳液的凝胶率最小,为0.58%,聚合稳定性好。 从表4可以看出,随着ADMOAB加入量的增加,凝胶率有 小幅上升,当加入量增加到2.5%时,聚合过程中有大量凝胶, 不能得到产品。ADMOAB的亲水性较强,加入量过多时,易在 水相共聚或形成相对分子质量较大的富含亲水基团的水溶性 聚合物,且吸附乳胶粒,增大乳胶粒径,凝胶增多,甚至不能得 2.2.4种壳雩L化齐0分西己 在乳化剂CTAC和PE6100总量各为混合单体的2%和 到稳定的乳液产品。而当加入量小于混合单体的2%时,乳胶 粒子表面结合的ADMOAB基团密度不够,乳液不能通过机械 稳定性测试。加入量为2%时通过了机械稳定性的测试,为 ADMOAB最合适添加量。 图3为ADMOAB添加量对Zeta电位和乳液表面张力的 影响。 l%,种子单体量为10%,调节种子和壳层中乳化剂分配,AD— MOAB的添加量为混合单体质量的1%,固含量42%,得到一 系列乳液如表3。 表3种壳乳化剂分配对乳液稳定性的影响 Table 3 The effect of the emulsiier amount ratio at core and fshell stage on emulsion stability 从图3发现,随着ADMOAB添加量从0增加到2.0%,乳 液的Zeta电位从19.8 mV升高到30.7 mV,说明阳离子乳液 的稳定性逐渐增加,ADMOAB带有正电荷,共聚过程中,由于 单体转化率/%97.9 98.0 98.3 98.4 97.8 97.7 粒径/nm 机械稳定性 ADMOAB的水溶性强,正电荷会倾向在乳胶粒和水的界面上, 98 0o。 108曩量26 通过141 l60 通过通过 从而增加了乳胶粒子问的静电作用,使阳离子乳液的稳定性 增强。另一方面,ADMOAB具有表面活性剂的特性,可以在一 定范围内降低乳液的表面张力,从图中看到,随着加入量从0 增加到2.0%,乳液的表面张力从42 mN/m减小到35 mN/m。 钙离子稳定性通过 毒通过i 通过 通过≯ 通过通过 何笑凡等:稳定高固含量阳离子丙烯酸酯乳液的合成 从表6中看到,APS/SBS和AIBN单独作为引发剂均不能 得到稳定的阳离子乳液,其中APS/SBS是氧化还原的引发体 , 系,S O 分解为・s0 后,会与正电荷发生中和” 。随着反 应的进行,乳胶粒子团聚越来越严重,在反应后期产生大量的 毫 旨 ● Z 吕 凝胶,无法得到产品;AIBN作为一种油溶性的偶氮引发剂,由 于其能与混合单体相容,加热到引发温度后,不但引发增溶胶 恒 束中的单体,对乳化液中的大液滴也111l发,引发后不久就产 生大量凝胶。 AIBA是一种水溶性的偶氮引发剂,其分解产生的碎片 ・C(CH ) C (NH ):带有正电荷,结合在乳胶粒表面有利于 w(ADMOAB)/% 阳离子乳液的稳定,产品凝胶较少,但价格较贵;如果使用AI— ・一一zeta电位; 一一表面张力 BA和AIBN复合引发剂,分别在种子和后滴加部分加入,后滴 图3 ADMOAB添加量对Zeta电位和乳液表面张力的影响 加单体在种子上聚合,由于单体与AIBN互容,提高了引发效 Fig.3 The effect of the amount of ADMOAB on Zeta potential and sur- face tension 率,单体转化率高,同时节约了成本。 2.2.6 引发剂用量和类型 3 结 语 以种子预乳化法,ADMOAB添加量为2%,改变AIBA的 用量,考察其对乳液稳定性的影响,结果如表5所示。 通过种子预乳化法,制得稳定的高固含量的阳离子聚丙 表5 AIBA用量对乳液稳定性的影响 烯酸酯乳液。在乳液聚合中,适量加入可聚合单体ADMOAB, Table 5 The effect of AIBA amount on stability 乳液的机械稳定性能显著提高。聚合工艺、pH、种壳中乳化剂 的分配、引发剂的类型及用量等因素均对阳离子乳液合成有 着重要影响。以AIBA和AIBN复合引发体系,AIBA和AIBN 单体转化率/% 98.30 98.61 98.72 99.00 99.02 用量各为单体量的0.1%,ADMOAB添加量为反应单体总量 的2%时,乳液各项性能最佳。 凝胶 % O.86 O.05 0.04 O.07 0.04 参考文献 机械稳定性 通过 通过 通过 通过 通过 [1] NAKAYAMA Y.Polymer blend systems for water—borne paints [J].Progress in Organic Coatings,1998,33:108—116. 从表5可看出,当AIBA的用量为单体量的0.05%时,不 [2] CHEN L J,wu F Q.Preparation and characterization of pure polyac— 能得到稳定的乳液,原因是这时种子引发时产生的自由基较 rylate polymer colloid through emulsion polymerization using a novel 少,因此被增溶胶束捕获的自由基几率也较低,造成种子中成 initiator[J].Colloids and Surfaces A:Physicochem Eng Aspects, 核较少,不能很好地形成乳胶种子,当滴加剩余的预乳化液 2011,392:300—304. [3] MOAYED S H,FATEMI S,POURMAHDIAN S.Synthesis of a latex with 时,乳胶粒径很大,造成聚合过程中团聚并出现大量凝胶。引 bimodal particle size distirbution for coating applications using acrylic 发剂用量从0.1%增加到0.5%,单体的转化率逐步上升,另一 monomers[J].Progress in Organic Coatings,2007,60:312—319. 方面由于AIBA分解碎片结合在乳胶粒子的增加,增加了静电 [4]WANG R M,WANG J F,WANG X W,et a1.Preparation of acrylate 作用,得到的乳液的凝胶率下降,当AIBA的用量为单体质量 —based copolymer emulsion and its humidity controlling mechanism 的0.2%以上时,凝胶率均小于0.1%。 in interior wall coatings[J].Progress in Organic Coatings,2011,71: 以种子预乳化法,ADMOAB添加量为2%,改变引发剂的 369—375. 类型,合成一系列固含量为42%的阳离子乳液,并考察其稳定 [5] 刘国军,胡滨,刘素花,等.高固含量阳离子丙烯酸酯乳液的制备 性如表6所示。 [J].中国涂料,2009,24(1):43—45. LIU G J,HU B,LIU S H,et a1.Preparation of cationic polyacrylate la— 表6 引发剂类型对乳液稳定性的影响 tex of high solid content[J].China Coatings,2009,24(1):43—45. Table 6 The effect of initiator varietie on emulsion stability 『6] RAMOS J.FORCADA J.The role of cationic monomers in emulsion pol— ymerization[J].European Polymer Journal,2010,46:1106—1110. 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