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乳化剂在胶粘剂乳液聚合中的应用

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36卷第12期 2014年6月 西部皮革 WESTLEATHER Vo1.36 No.12 Jun.2014 乳化剂在胶粘剂乳液聚合中的应用 杨锋波 ,-,陈宗良 -一,马伟娟1,2 (』.国家皮革制品质量监督检验中心(广州),广东广州510860;2.广州市质量监督检测研究院,广东厂~ 州510860) 摘 要:乳化剂影响着乳液聚合过程和乳液产品性质。介绍了目前胶粘剂行业中使用的各类乳化剂的主 要性能特点、作用机理及应用效果,指出无皂乳液聚合将是胶粘剂生产技术的发展方向。 关键词:乳化剂;胶粘剂;乳液聚合 中图分类号:TQ 423.92 文献标志码:A 文章编号:1671—1602(2014)12—0008—06 Application of Emulsiier fin Emulsion Polymerization for Synthesizing Adhesive YANG Feng-bo ,CHEN Zong-liang ,MA Wei-juan , (1’National Ceterfor Quality Supervision and Testing ofLeather Product(Guangzhou),510860,China; 2.GuangZhou Quality Supervision nd aTestingInstitute,Guangzhou 510860,China) Abstract:Emulsion polymerization process and properties of corresponding products are depended on the employed emulsiifer to a certain extent.In this paper,the characteristics,mechanism and application effect of emulsifier widely used in the adhesive industry at present was described.It is noted that emulsifier-free polymerization would be a promising technique in manufacturing adhesives. Key words:emulsiifer;adhesive;emulsion polymerization 在胶粘剂乳液聚合中,乳化 用。乳化剂用量少、效果显著,能 剂起乳化、分散、增溶单体的作 提高生产效率,减少能源消耗; 还可改进胶粘剂质量,减少生产 过程中可能发生的黏度过高等 问题。近年来环保意识和相关政 1乳化剂的HLB值与用量 对聚合的影响 乳化剂的种类与用量直接 影响引发速度及链增长速率、胶 收稿日期:2014—03-29 策的加强,在胶粘剂工业中,乳 粘剂乳胶粒子的大小和体系的 基金项目:国家质检总局科技计划项目 (2012QK089),广东省科学技术厅项目 (2O12B0914O0061) 化剂的有效使用是衡量制备技 术的重要指标之一,是提高胶粘 剂质量、开发新功能和增加效益 稳定性及胶粘性能。选择乳化剂 时,应首先考虑其亲油亲水平衡 值(HLB),当乳化剂的HLB值偏 低时,对水相的亲和力小,聚合 时的链增长速度快,粒径大,聚 第一作者简介:杨锋波(1985~),男,硕士, 从事皮革及纺织品制品质量监督检验工作。 E—maih258403807@qq.con。 的重要措施,受到世界各国的重 视 8 第12期 杨锋波,等:乳化剂在胶粘剂乳液聚合中的应用 l 霾 合转化率低,容易凝聚,甚至破 乳,乳化效果较差;当乳化剂的 HLB值偏高时,乳化剂对被乳化 物质的亲和力较小,聚合时链增 长速度慢,粒径小,聚合转化率 低,乳化的效果也差。用途不同 的乳液,所需乳化剂HLB值不同 【lI。式中:m ——乳液所需的 易被过氧化物引发剂氧化发生 HLB值;HLBA——乳化剂A的 HLB值;HLBR——乳化剂B的 HLB值; ——乳化剂A的质 量; ——乳化剂B的质量。 式(2)对乳化剂的实际应用 具有指导意义,可类推得出几种 副反应,在胶粘剂制备中很少使 用。 2.1.1阴离子型乳化剂的应用 阴离子型乳化剂,较非离子 型乳化剂具有更低的临界胶束 浓度(CMC),生成的乳液粒子 根据Smith和Ewart理论,在 复配乳化剂的最佳用量比和乳 液HLB值。 小、乳液机械稳定性好、聚合过 程中很少产生凝胶现象等优点, 目前应用最为广泛。阴离子型乳 乳液聚合体系中乳胶粒数目』v 与乳化剂总表面积 、乳化剂浓 2不同种类乳化剂的应用 2.1离子型乳化剂的应用 度S、自由基形成速率P、聚合 物乳胶体积增加速率 有如下 式(1)关系f2_: Ⅳ=K(卫) (a‘・S) r1、 、 化剂商品主要有油酸三乙醇胺 盐类、十二烷基磺酸盐(SDS)、十 选择乳液聚合的乳化剂一 般优先考虑离子型。这是因为一 方面乳化剂离子带电荷,产生一 二烷基硫酸钠等。十二烷基硫酸 钠的HLB值为40,亲水性较强, 在胶粘剂的聚合时最常使用,用 量为1%~5%,如果用量过大,体 式(1)中K为常数。由式(1) 定程度的水化作用,在乳胶粒间 产生静电斥力和水化层空间位 表明,乳化剂浓度的大小,不仅 系产生泡沫较多,聚合物的水敏 感性增加,乳液的耐电解质稳定 性降低。 关系到形成胶束的多少,也直接 影响乳胶粒的粒径和乳液的黏 阻双重作用,使聚合物乳液更加 稳定;另一方面离子型乳化剂一 般比非离子型乳化剂相对分子 质量小得多,加入相同质量的乳 度。此外,乳化剂的需要量还取 决于本身的稳定性、粒径和产品 的黏度、成本以及最终用途。在 实践中一般是根据乳化剂的 夏赤丹等I4_探讨了SDS对甲 苯二异氰酸酯(TDI)在水基体系 化剂,离子型乳化剂所产生的胶 束数目较多,成核几率较大,更 有利于乳液聚合反应的进行【 。 离子型乳化剂只有在一定的pH 中交联聚乙烯醇(PVA)反应的影 响,结果表明SDS加入量少时在 乳液界面形成紧密的定向排列, 改变了TDI界面的亲水和亲油 性能,有助于TDI在PVA的水溶 HLB值、临界胶团浓度(CMC)与 所使用的单体确定,用半经验的 方法配制乳化剂、单体和水的不 同比例混合液,在试管中用力摇 匀放置,若在0.5 h以上不分层 的,基本上能保证所用的乳化剂 能生产出较稳定的乳液。根据最 值条件下才能起到有效的乳化 作用,通常需要加入pH缓冲剂, 将pH值控制在所要求的范围 内。 液中较好地分散,但加入量不宜 过大,在2%左右为宜。汪明雨等吲 报道了SDS加水乳化后,在N 保护下加入到含有引发剂和链 不同离子类型在胶粘剂聚 佳用量比和各种乳化剂的H1 B 值(由手册查得或由基团重量法 合中用量及效果不同。阳离子型 乳化剂,具有不怕硬水、抗菌、抗 转移剂的MMA、BA、AANa混合 单体中,反应2~3 h,即可制得单 体转化率达90%的离聚体胶粘 算得),可按下式(2)计算出乳液 所需的HLB值范围…。 HLBo= (2) 腐蚀以及抗静电,一般在pH<7 的条件下使用,最好低于5.5。但 价格高、生产设备要求苛刻、常 用的胺类化合物具有自聚作用, 剂。张心亚等l6J报道了采用磷酸 酯作乳化剂,发现在盐状态下的 磷酸酯在乳液聚合中是高效的 9 麓 薄 糠 西部皮革 第36卷 阴离子乳化剂,可以提供典型的 粒径控制、低凝胶量以及良好的 乳液稳定性。 乳化剂在乳液成膜过程中 一丙烯腈(AN)核一壳结构聚合 学等 睬:用复配的非离子乳化剂 研制涤纶长丝纸管胶粘剂,得到 性能优良的产品。 2.3复配乳化剂的应用 两种或两种以上不同HLB 物乳液聚合过程的影响,结果表 明使用MS一1具有较高的聚合速 度和较好的乳液稳定性,在聚合 后加人OP一10,可提高胶乳的化 无法像溶剂一样脱离体系,而是 逐渐迁移到胶膜表面,形成低分 学机械稳定性。两性乳化剂的使 用关键是控制好乳液pH值,根 据pH控制聚合反应的速率、乳 胶粒的大小等,得到分子质量分 布广、稳定性和浸润性好的聚合 值乳化剂复配,使混合体系的 子的弱界面层,降低粘接强度, 因此需要尽可能地减少其用量, 但是用量太少又会导致乳液部 分凝胶。胡孝勇等l 7l研制导静电 HLB值与被乳化物质HLB值相 近,以确保乳液的转化率最大, 粒径最小,黏度最大,稳定性最 好。目前使用最多的是阴离子乳 PVC地板胶粘剂时,适量加大亲 水性单体AA和HMAM的用量, 混合物,降低胶粘剂胶膜内聚强 度,有利于粘接。但是由于两性 乳化剂价格较昂贵,目前应用较 少。 化剂与非离子乳化剂的复配。一 般阴离子乳化剂用量为总单体 质量的1%~4%,非离子型乳化 剂稍高,为2%~6%;两者复配 时,阴离子型乳化剂与非离子型 乳化剂质量比为1:2效果较 佳。曾宪家_l4研究乳化剂体系对 乳液压敏胶粘剂性能的影响时, 使聚合物分子具有自乳化功能, 减少了SDS的用量,实验表明该 法是可行的。叶楚平_8j采用保护 性胶体聚乙烯醇兼作乳化剂,得 到性能较稳定的乳液。唐星华等  l9j发现单纯采用聚乙烯醇难以稳 定丙烯酸一甲基丙烯酸正丁 2.2非离子型乳化剂的应用 非离子型乳化剂分子结构 中带有长链疏水烷基链和亲水 羧基或醚键,具有亲油、亲水功 能,优点是不怕硬水,对电解质 用复配乳化剂解决了单纯用磺 酯一醋酸乙烯酯j元共聚乳液, 改用阴离子型和非离子型混合 或只用非离子型乳化剂。刘景民 等Il(】]将聚乙烯醇缩醛化,封闭部 等的化学稳定性良好,分子中亲 水基和亲油基的比例易于调节, 可适用于较宽的pH值范围,获 得的乳液的电解质稳定性、冻融 酸盐型阴离子乳化剂制备的乳 液存在稳定性较差的问题。吴清 华等 艮道了阴离子、非离子及 复配乳化剂对五元共聚丙烯酸 酯乳液压敏胶粘剂的剥离强度 分亲水性的羟基,同时减少阴离 子和非离子复配乳化剂用量,提 稳定性好。缺点是单独使用非离 子型乳化剂mtgL胶粒子易凝块; 影响,指出单独使用任何一种都 不能使反应顺利进行,而复配后 反应过程稳定。金鲜英等I I总结 高了乳液聚合稳定性、低温贮存 稳定性和抗冻性。 2.I.2两性乳化剂的应用 且当温度提高时,水合力减弱, 乳化效力降低,聚合速度慢、乳 液粒子粗,可能导致乳液不稳 定。林畅等lI2睬用聚醚类OP一10 乳化剂,表明其加入量3%、乳化 时间15 min、剪切乳化速率4000 出,在丙烯酸酯的微乳液聚合 中,常用乳化剂为阴离子和非离 子复配体系,并选择阴离子型 两性乳化剂分子结构中带 有酸性基团和碱性基团,在不同 pH条件下显示出不同的带电现 (SDS、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠 AES)、阳离子型乳化剂(十六烷 基三甲基溴化铵DTAB)、非离子 型乳化剂(脂肪醇聚氧乙烯醚 AEO系列、烷基酚聚氧乙烯醚 象。岳冬梅等…】探讨了两性乳化 剂(MS—I)、SDS、十二烷基苯磺 酸钠(SDBS)和非离子型乳化剂 r/min时能得到稳定性较好的乳 液。在反相乳液聚合时为了满足 使用要求,也可以采用多种非离 子乳化剂复配,对提高反相乳液 的稳定性有着重要的作用。徐宝 (OP一10)对制备聚丙烯酸丁酯 (BA)/o【一甲基苯乙烯( 一MS) OP系列)及它们的复配体系应用 10 第12期 杨锋波,等:乳化剂在胶粘剂乳液聚合中的应用 拇萋鹳囊 萎 两 于有机硅改性聚丙烯酸酯微乳 液聚合,发现乳化剂与单体的化 学结构越相似,获得的乳化效果 越好,且总用量需大于4%。 性能逐渐被人们发现,大量反应 性乳化剂被开发并应用到各个 平均粒径小、分散性好,初粘力 大。 方面。使用反应性乳化剂的优点 在选择反应性乳化剂时,需 有:①反应性乳化剂与聚合物单 体通过化学键连接,不会迁移到 胶膜的表面,提高了胶粘剂的剪 切强度、耐高温等性能;②加入 适量时聚合后水相中不存在乳 化剂分子,成膜速度加快;③使 胶膜对水分子的吸附和渗透作 用明显减弱,提高聚合物胶膜的 耐水性;④具有特殊性能,含硅、 要考虑到以下几点[241:①首先应 具备足够的乳化能力;②CMC值 足够低,以避免乳化剂在水相中 均聚产生聚合物电解质影响乳 欧盟EC指令严格烷基 酚聚氧乙烯醚类的使用后,甘。现 了许多替代产品。管蓉等ll7]探讨 了非离子乳化剂OS一15与SDS 复配对BA—MMA系共聚乳液黏 液稳定;③具有很好的稳定作 用,能提供稳定的成核阶段;④ 反应活性不能过高,不能过早地 度的影响,发现不论固定何种乳 化剂的量,改变另一种加人谊, 参与聚合,否则聚合后期乳化剂 分子过多地包埋在乳胶粒之中, 体系的表面张力都下降,制得的 胶粘剂180。剥离强度都增加 孙 氟等链段的反应性乳化剂使聚 合物具有防油、防水性能等。 Harvey等¨191采用含乙烯基酚 聚氧乙烯磺酸盐作反应性乳化 剂,研制出一种抗水漂的压敏 导致乳液不稳定;⑤在单体聚合 后期,反应性乳化剂应完全键合 到乳胶粒的表面上。 道兴等 】在制备硅丙乳液防水织 物胶粘剂中发现DOW fax2A1 (美国进口)与NP或Aerosol一501 3.2高分子乳化剂的应用 (法围进口)与ABS(丙烯腈一丁 目前使用的乳化剂基本都 是小分子的,由于小分子乳化剂 的引入,降低了胶粘剂粘接较弱 的边界层强度,不仅削弱粘接性 能,也影响耐水性能。加入高分 二烯一苯乙烯共聚物)复配使厢, 阴离子与非离子质量比为1: 1~1:3,用量为单体总质量的 3%时,乳化效果较好,其用量只 胶。Tsukiyama等l 2()】采用常规聚合 方法,在聚丙烯酸酯乳液中加入 质量分数少于1%的反应性乳化 剂生产出同含量高于60%的压 有国内常规乳化剂用量的一半。 敏胶,解决了胶膜干燥速度较慢 的问题。Bernard[ -1采用苯乙烯磺 酸钠或乙烯基磺酸钠作反应性 乳化剂开发出易剪切的压敏胶。 国内在这方面的研究起步较晚, 子(聚合物)乳化剂可避免或减 少乳化剂在胶膜内的解析和迁 移,从而提高耐水性。这类乳化 剂是南大量重复的既含亲水基 又含疏水基的结构单元组成,它 3乳化剂的开发及发展方向 3.1反应性乳化剂的应用 如果乳化剂分子结构中含有 双键、羧基、羟基、磺酸基等活性 中科院化学研究所王锋等 报道 了用反应性乳化剂2一丙烯酰胺 基一2一甲基一丙基磺酸盐 (AMPS)研制了一种耐水性较好 的聚丙烯酸酯乳液型压敏胶。沈 玲等 1采用反应性乳化剂烯丙氧 基壬基酚聚氧乙烯(i0)醚硫酸 铵(DNS一86),用量为单体总量的 也可以分为阴离子、阳离子、非 离子及两性几大类,详细类别及 基团,可作为单体加入到反应体 系中与其他单体进行共聚反J、迈, 其代表物见表1。 1951年Strauss合成含有表 聚合产物对聚烯烃具有持久粘 合力,这种乳化剂就称为反应性 乳化剂,也称聚合型乳化剂。国 外关于反应型乳化剂的研究起 面活性基团的高分子乳化剂(聚 1一十二烷一4一乙烯吡啶溴化 物),与常规的小分子乳化剂相 始于20世纪50~60年代,研究 热潮出现在20世纪末到21世 比,降低表面张力的能力差、成 本偏高。但是随着研究的深入, 高分子乳化剂有了质的飞跃,兼 2.0%时,比用常规制得的苯丙乳 液胶粘剂单体转化率高,乳胶粒 纪初。随着反应性乳化剂的优异 西部皮革 第36卷 表1高分子乳化剂类别 需要满足低分子乳化剂的性能 外,还需满足以下几点:①具有 较小的CMC;②具有较高的分子 质量,渗透能力弱;③具有优良 的成膜性和粘接性;④具有环保 性,无毒、无害、。 3.3无皂乳液聚合技术的应用 无皂乳液聚合是在反应过 程中完全不添加或仅添加微量 的通常意义上的乳化剂(其浓度 小于临界胶束浓度CMC),消除 乳化剂带来的许多负面影响(如 乳化剂消耗大、不能完全从聚合 物中除去,影响产品纯度与性能 等),提高乳液涂膜性能,该聚合 技术在胶粘剂开发中应用较晚, 直到1998年才见有文献报道。 有高分子和乳化剂两者的功能, 已经具有比普通乳化剂更好的 数。鲁德平等[29,30]用丙烯酰胺系 列高分子乳化剂和小分子乳化 最早的无皂乳液聚合是1939年 G Gee等l3】】在乳化剂浓度低于 CMC条件下下制备的聚丁二烯 乳液,直到1960年才有在完全不 含乳化剂的条件下共聚合成了 聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯以 及聚醋酸乙烯酯乳液。无皂乳液 分散、乳化、增稠、稳定及絮凝等 性能,而且无毒、低毒,聚合、改 性容易。 剂制备了丙烯酸酯共聚物乳液, 考察了小分子阴离子乳化剂与 非离子乳化剂复配、小分子阴离 子乳化剂与高分子乳化剂复配 和高分子乳化剂(乳化剂总量占 国内,曹亚等[2 ̄-28]通过研究 羧甲基纤维素与活性大单体烷 基醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯 (AR。 EO )的超声共聚物在溶液 单体总量的3%)对乳胶膜与水 的静态接触角、吸水率和胶粘剂 聚合可以得到表面洁净、单一分 散的乳胶粒,同时也消除了传统 乳液聚合中使用的乳化剂对环 境的污染 】。 中的分子形态,发现共聚物具有 粘接强度的影响,发现完全含高 分子乳化剂的试样黏度、乳液粒 双临界胶束浓度,在低浓度区仍 存在多分子胶束,分子尺寸随 AR EO 支链增长而增大;胶束 粒子随共聚物的疏水性增强而 增大,依靠疏水内核增溶甲苯; 子的粒径、乳液膜与水的接触角 均最大,且其乳液粒子以串接的 纪庆绪等 I曾综述了无皂聚 合理论和聚合工艺的研究进展、 无皂乳胶的制备与应用,无皂乳 液聚合机理由Fitch的“均相成 核”理论,发展到Goodal的“齐聚 形式出现;含高分子和小分子乳 化剂的试样,粒子呈现多边形形 共聚物分子与胶束在水溶液中 均呈棒状结构,在盐溶液中形成 较均一的球状;水溶液的黏度主 态,表面有明暗不同色泽的区 域;含高分子乳化剂的乳液耐水 性优于小分子乳化剂乳液体系。 选择聚合物乳化剂时除了 物胶束”理论,再到Song的“两阶 段成核”模型,指出这些理论仍 无法解释无皂乳液聚合与传统 要取决于分子质量和胶束缔合 12 第12期 杨锋波,等:乳化剂在胶粘剂乳液聚合中的应用 ll i鳔孽 嚣 方法聚合相比的聚合产物胶粒 尚需科研工作者的深入研究。 【4]夏赤丹,陈建莲.十二烷基硫酸钠对 数目少、直径大、相对分子质量 水基中TDI交联PVA反应的影响 低等现象。李福等 利用离子型 4展望 U】.化学与粘合,2003,(3):109—112. 小分子亲水单体和非离子型大 目前我国用于胶粘剂聚合 【5】汪明雨,曾凡涤,赵鑫,等.聚(甲基 分子亲水单体与两亲单体共同参 的乳化剂种类少,功能不够齐 丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯/丙烯酸 与共聚的无皂乳液聚合,制备苯 全,而且价格较昂贵,与国外产 钠)离聚体胶粘剂的聚合研究U】.中 国胶粘剂,1996,6(2):1O一13. 丙乳液,发现:①混合单体若一次 品有较大差距。新技术新产品的 【6】张心亚,陈焕钦.磷酸酯表面活性剂 性投料,则体系不稳定易沉淀分 研究及其应用起步较晚,有待于 层,采用连续法可以解决;②亲水 进一步研究多功能、低成本、使 在乳液形成中的应用U1.日用化学 工业,2003,33(3):147—150. 性单体的用量控制在单体总量的 用方便的环保新型乳化剂。常规 f7】胡孝勇,张心亚,蓝仁华,等.导静电 0.4%~0.8%,亲水基团不足或过多 乳化剂复配使用虽成本低,但存 乳液胶粘剂的研制U】_中国胶粘剂, 都会导致凝胶;③离子型与非离 在乳化剂迁移而降低胶膜粘接 2003,13(6):1—4. 子型单体复配使用可显著提高乳 强度问题;反应性乳化剂与聚合 [8】叶楚平.VAc/AA改性的VAE乳液 液的稳定性;④两亲性单体的溶 物乳化剂解决了乳化剂迁移问 高速接嘴卷烟胶的研制卟中国胶 媒作用降低了油性单体与水性单 题,而且有助于在聚合物中引入 粘剂,2001,11(4):33—35. 体界面能,促进了相互之间的共 特殊基团,赋予胶粘剂更多性能, [9】唐星华,王玉华,黄智敏,等.三元共 聚反应。并用传统的“凝聚成核” 是新世纪的研究热点;虽然迄今 聚改性聚醋酸乙烯乳液研究U】.胶 理论解释反应过程,在反应前期 为止仍然未清楚认识无皂乳液聚 体与聚合物,1999,17(3):4-6. 水溶性引发剂在水相引发水溶性 合的反应机理,但是由于其无污 【1O]刘景民,黄志强,王洛礼,等. 染、胶膜稳定性好、粘接强度高等 vACAA共聚乳液胶粘剂的聚合与 单体聚合,油性单体借助两亲单 性能研究U].胶体与聚合物, 体进入水相参与共聚,形成一个 优点,将是胶粘剂生产聚合技术 1999,17(1):6-9. 个大分子在水中卷曲成核,南于 采用乳化剂的发展方向。 【11】岳冬梅,戚银城,武冠英,等.乳化 粒径在纳米级,所以体系透明。在 剂在制备核一壳结构PBA/P 此阶段粒子的数目一直增加,随 参考文献: (0l—MS—AN)反应中的应用 北 着体系中粒子浓度增大,相互问 [1]曹同玉,刘庆普,胡金生.聚合物乳 京化工大学学报,2000,27(2): 的碰撞频繁及粒子表面电荷不足 液合成原理性能及应用[MI.北京: 22-25. 等原因,新生成的粒子与原有的 化学工业出版社,1997:166-168. 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