[精选]溶剂型丙烯酸树脂的生产工艺课件.pptx

第五章第五章 丙烯酸丙烯酸AA树脂树脂第一节概述第二节丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯单体第三节丙烯酸树脂的配方设计第四节溶剂型丙烯酸树脂第五节水性丙烯酸树脂1 第一节第一节 概概 述述以丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯及苯乙烯等乙烯基类单体为主要原料合成的共聚物称为丙烯酸树脂，以其为成膜基料的涂料称作丙烯酸树脂涂料。该类涂料具有色浅、保色、保光、耐候、耐腐蚀和耐污染等优点，已广泛应用于汽车、飞机、机械、电子、家具、建筑、皮革涂饰、造纸、印染、木材加工、工业塑料及日用品的涂饰。近年来，国内外丙烯酸烯树脂涂料的开展很快，目前已占涂料的/以上，因此，丙烯酸树脂在涂料成膜树脂中居于重要地位。从组成上分，丙烯酸烯树脂包括纯丙树脂、苯丙树脂、硅丙树脂、醋丙树脂、氟丙树脂、叔丙叔碳酸酯-丙烯酸酯树脂等。从涂料剂型上分，主要有溶剂型涂料、水性涂料、高固体组份涂料和粉末涂料。其中水性丙烯酸烯树脂涂料的研制和应用始于年代，年代初得到了迅速开展，与传统的溶剂型涂料相比，水性涂料具有价格低、使用安全，节省资源和能源，减少环境污染和公害等优点，因而已成为当前涂料工业开展的主要方向之一。2涂料用丙烯酸树脂也经常按其成膜特性分为热塑性丙烯酸树脂和热固性丙烯酸树脂。热塑性丙烯酸树脂其成膜主要靠溶剂或分散介质常为水挥发使大分子或大分子颗粒聚集融合成膜，成膜过程中没有化学反响发生，为单组分体系，施工方便，但涂膜的耐溶剂性较差；热固性丙烯酸树脂也称为反响交联型树脂，其成膜过程中伴有几个组分可反响基团的交联反响，因此涂膜具有网状结构，因此其耐溶剂性、耐化学品性好，适合于制备防腐涂料。我国于20世纪60年代开始开发丙烯酸烯树脂涂料，在80年代和90年代，北京、吉林和上海分别引进三套丙烯酸及其酯类生产装置，极大促进了丙烯酸树脂的合成和丙烯酸烯树脂涂料工业的开展。返回3 第二节丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯单体丙烯酸类及甲基丙烯酸类单体是合成丙烯酸树脂的重要单体。该类单体品种多，用途广，活性适中，可均聚也可与其它许多单体共聚。此外，常用的非丙烯酸单体有：苯乙烯、丙烯睛、醋酸乙烯酯、氯乙烯、二乙烯基苯、乙丁二醇二丙烯酸酯等；近年来，随着科学、技术的进步，新的单体尤其是功能单体曾出不穷，而且价格不断下降，推动了丙烯酸树脂的性能提高和价格降低。比较重要的功能单体有：有机硅单体、叔碳酸酯类单体Veova10，Veova9,Veova11、氟单体包括烯类氟单体：三氟氯乙烯、偏二氟乙烯、四氟乙烯、氟丙烯酸单体。、外表活性单体，以及其他自交联功能单体等。4单体名称相对分子质量沸点相对密度d25折光率n25D溶解度份/100份水，25玻璃化温度丙烯酸类及甲基丙烯酸类单体丙烯酸AA72141.6凝固点：131.0511.4185106丙烯酸甲酯MA8680.50.95741.40158丙烯酸乙酯EA1001000.9171.4041.5-22丙烯酸正丁酯n-BA1281470.8941.4160.15-55丙烯酸异丁酯i-BA128626.65kPa0.8841.4120.2-17丙烯酸仲丁酯1281310.8871.41100.21-6丙烯酸叔丁酯1281200.8791.40800.1555丙烯酸正丙酯PA1141140.9041.41001.5-25丙烯酸环己酯CHA154751.46kPa0.97661.46016丙烯酸月桂酯2401293.8kPa0.8811.43320.001-17丙烯酸-2-乙基己酯2-EHA1842130.8801.43320.01-675单体名称相对分子质量沸点相对密度d25折光率n25D溶解度份/100份水，25玻璃化温度丙烯酸类及甲基丙烯酸类单体甲基丙烯酸MAA86101凝固点：151.0511.4185130甲基丙烯酸甲酯MMA1001150.9401.4121.59105甲基丙烯酸乙酯1141600.9111.41150.0865甲基丙烯酸正丁酯n-BMA1421680.8891.421527甲基丙烯酸-2-乙基己酯2-EHMA1981016.65kPa0.8841.43980.14-10甲基丙烯酸异冰片酯IBOMA2221200.9760.9961.4770.15155甲基丙烯酸月桂酯LMA2541600.938kPa0.8721.455-656单体名称相对分子质量沸点相对密度d25折光率n25D溶解度份/100份水，25玻璃化温度乙烯基类单体苯乙烯104145.20.9011.54410.03100丙烯睛5377.4790.8061.38887.35125醋酸乙烯酯8672.50.93421.39522.530丙烯酰胺71熔点：84.51.122215165Veova101901932300.8830.8881.4390.5-3Veova91841852000.8700.900687单体名称相对分子质量沸点相对密度d25折光率n25D溶解度份/100份水，25玻璃化温度功能单体丙烯酸-2-羟基乙酯HEA11682655Pa1.1381.427-15丙烯酸-2-羟基丙酯HPA13077655Pa1.0571.445-7甲基丙烯酸-2-羟基乙酯2-HEMA130951.33kPa1.0771.45155甲基丙烯酸-2-羟基丙酯2-HPMA144.1961.33kPa1.0271.44613.426甲基丙烯酸三氟乙酯1681071.1811.3590.0482甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA1421891.0731.44942.0446N-羟甲基丙烯酰胺101熔点：74751.10153N-丁氧基甲基丙烯酰胺1571250.960.001二乙烯基苯130.18199.50.93乙烯基三甲氧基硅烷1481230.9601.3920-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷2482551.0451.42958依据单体对涂膜性能的影响常可将单体进行如下分类，以方便应用。单体名称功能甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸乙酯苯乙烯丙烯睛提高硬度，称之为硬单体。丙烯酸乙酯丙烯酸正丁酯丙烯酸月桂酯丙烯酸-2-乙基己酯甲基丙烯酸月桂酯甲基丙烯酸正辛酯提高柔韧性，促进成膜，称之为软单体。丙烯酸-2-羟基乙酯丙烯酸-2-羟基丙酯甲基丙烯酸-2-羟基乙酯甲基丙烯酸-2-羟基丙酯甲基丙烯酸缩水甘油酯丙烯酰胺N-羟甲基丙烯酰胺N-丁氧甲基甲基丙烯酰胺二丙酮丙烯酰胺DAAM甲基丙烯酸乙酰乙酸乙酯AAEM二乙烯基苯乙烯基三甲氧基硅烷乙烯基三乙氧基硅烷乙烯基三异丙氧基硅烷-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷引入官能团或交联点，提高附着力，称之为交联单体。9丙烯酸与甲基丙烯酸的低级烷基酯苯乙烯抗污染性甲基丙烯酸甲酯苯乙烯甲基丙烯酸月桂酯丙烯酸-2-乙基己酯耐水性丙烯睛甲基丙烯酸丁酯甲基丙烯酸月桂酯耐溶剂性丙烯酸乙酯丙烯酸正丁酯丙烯酸-2-乙基己酯甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸丁酯保光、保色性丙烯酸甲基丙烯酸亚甲基丁二酸衣康酸苯乙烯磺酸乙烯基磺酸钠AMPS实现水溶性，增加附着力，称之为水溶性单体、外表活性单体。10常用的乙烯基硅氧烷类单体已在上表中列出，其中乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三2-甲氧基乙氧基硅烷、-甲基丙稀酰氧基丙基三甲氧基硅烷，-甲基丙稀酰氧基丙基三-三甲氧基乙氧基硅烷，乙烯基硅氧烷类单体活性较大，很容易水解和交链，因此用量要少，而且最好在聚合过程的保温阶段参加。乙烯基三异丙氧基硅烷由于异丙基的空间位阻效应，水解活性较低，可以用来合成合成高硅单体含量10%的硅丙乳液，而且单体可以预先混合，这样也有利于大分子链中硅单元的均匀分布。乙烯基硅氧烷类单体可用如下通式表示：-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的结构式为：-甲基丙稀酰氧基丙基三-三甲氧基乙氧基硅烷的结构式为：11另外，硅偶联剂可以作为外加交联剂应用。如：-3，4-环氧环己基乙基三乙氧基硅烷：-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷：-氨丙基三乙氧基硅烷：硅偶联剂一般含有两个官能团，其中的环氧基可同树脂上的羟基、羧基或氨基反响，烷氧基硅局部在水解后通过缩聚而交链。通常作为外加交联剂冷拼使用。另一类较重要的单体为叔碳酸乙烯酯。叔碳酸是-C上带有三个烷基取代基的高度支链化的饱和酸，其结构式如下：12叔碳酸缩水甘油酯具有低粘度、高沸点、气味淡等特点。其主要特性为：环氧当量：244256；密度20：09580968gml；粘度25：071cPas；沸点：251278；蒸汽压378：899.9Pa；闪点：126；凝固点60。叔碳酸缩水甘油酯的环氧基有很强的反响性。对涂料用树脂最有用的反响是其与羟基、羧基和胺基的反响。环氧基的反响性使之能在常规温度下进入聚酯、醇酸树脂、丙烯酸树脂大分子链中，反响几乎是定量的，副反响很少，这就为制备分子量分布窄和低粘度的高固体份涂料树脂提供了原料支持。叔碳酸乙烯酯最早由壳牌公司开发，商品名Veova或简称为VV，主要用途是与醋酸乙烯酯丙烯酸丁酯等单体共聚制成乳液，配制乳胶漆。这种乳胶漆在我国应用较少，但是在欧洲却是极为普遍的产品，叔醋乳液占西欧建筑乳液市场的近30。13由于叔碳酸乙烯酯上有三个支链，一个甲基，至少还有一个大于C4的长链，因此空间位阻特别大，不仅自身单元难以水解，而且对于共聚物大分子链上邻近的醋酸乙烯酯单元也有很强的屏蔽作用，使整体抗水解性、耐碱性得到很大的改善，同时，正是由于此屏蔽作用，使叔碳酸乙烯酯共聚物漆膜具有很好的抗氧化性及耐紫外线性能。叔碳酸基团的屏蔽作用可如以下图示意表示：据推测，一个叔碳酸基团可以保护23个乙酸乙烯酯单元。叔碳酸乙烯酯-醋酸乙烯酯共聚物乳液配制的乳胶漆，性价比很高，综合性能不低于纯丙乳液；纯丙乳胶漆目前存在耐水解性、耐温变性较差等缺点，与叔碳酸乙烯酯共聚，可以大大提高丙烯酸树脂的耐候性、耐碱性等，不仅可以作为内墙涂料也可用作外墙涂料。返回14 第三节第三节 丙烯酸树脂的配方设计丙烯酸树脂的配方设计丙烯酸树脂及其涂料应用范围很广，如可用于金属、塑料及木材等基材。金属包括铁、铝、铜、锌、不锈钢等；塑料包括PP、HDPE、PC、ABS、PVC、HIPS、PET等。所涂饰的产品包括飞机、火车、汽车工程机械、家用电器、五金制品、玩具、家具等，因此其配方设计是非常复杂的。基本原则是首先要针对不同基材和产品确定树脂剂型溶剂型或水剂型；然后根据性能要求确定单体组成、玻璃化温度Tg、溶剂组成、引发剂类型及用量和聚合工艺；最终通过实验进行检验、修正，以确定最正确的产品工艺和配方。其中单体的选择是配方设计的核心内容。一、单体的选择为方便应用，通常将聚合单体分为硬单体、软单体和功能单体三大类。甲基丙烯酸甲酯MMA、苯乙烯ST、丙烯睛AN是最常用的硬单体，丙烯酸乙酯EA、丙烯酸丁酯BA、丙烯酸异辛酯2-EHA为最常用的软单体。15长链的丙烯酸及甲基丙烯酸酯如月桂酯、十八烷酯具有较好的耐醇性和耐水性。功能性单体有含羟基的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，含羧基的单体有丙烯酸和甲基丙烯酸。羟基的引入可以为溶剂型树脂提供与聚氨酯固化剂、氨基树脂交联用的官能团。其它功能单体有：丙烯酰胺AAM、羟甲基丙烯酰胺NMA、双丙酮丙烯酰胺DAAM和甲基丙烯酸乙酰乙酸乙酯AAEM、甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯DMAEMA、乙烯基硅氧烷类如乙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，乙烯基三2甲氧基乙氧基硅烷，乙烯基三异丙氧基硅烷，-甲基丙稀酰氧基丙基三甲氧基硅烷，-甲基丙稀酰氧基丙基三-三甲氧基乙氧基硅烷单体等。功能单体的用量一般控制在16massratio，不能太多，否则可能会影响树脂或成漆的贮存稳定性。乙烯基三异丙氧基硅烷单体由于异丙基的位阻效应，SiO键水解较慢，在乳液聚合中其用量可以提高到10，有利于提高乳液的耐水、耐候等性能，但是其价格较高。乳液聚合单体中，双丙酮丙烯酰胺DAAM、甲基丙烯酸乙酰乙酸乙酯AAEM分别需要同聚合终了外加的己二酰二肼、己二胺复合使用，水分挥发后可以在大分子链间架桥形成交联膜。16含羧基的单体有丙烯酸和甲基丙烯酸，羧基的引入可以改善树脂对颜、填料的润饰性及对基材的附着力，而且同环氧基团有反响性，对氨基树脂的固化有催化活性。树脂的羧基含量常用酸值A.V.,即中和1g树脂所需KOH的毫克数，单位mgKOH/g固体树脂，一般A.V.控制在10mgKOH/g固体树脂左右，聚氨酯体系用时，A.V.稍低些，氨基树脂用时A.V.可以大些，促进交联。合成羟基型丙烯酸树脂时羟基单体的种类和用量对树脂性能有重要影响。双组分聚氨酯体系的羟基丙烯酸组分常用伯羟基类单体：丙烯酸羟乙酯HEA或甲基丙烯酸羟乙酯HEMA；氨基烘漆的羟基丙烯酸组分常用仲羟基类单体：丙烯酸-羟丙酯HPA或甲基丙烯酸-羟丙酯HPMA。伯羟基类单体活性较高，由其合成的羟丙树脂用作氨基烘漆的羟基组分时影响成漆贮存，可选择仲羟基丙酯单体。近年来也出现了一些新型的羟基单体，如丙烯酸或甲基丙烯酸羟丁酯，甲基丙烯酸羟乙酯与-己内酯的加成物11或12molratio，DowChem公司。17甲基丙烯酸羟乙酯与-己内酯的加成物所合成的树脂粘度较低，而且硬度、柔韧性可以实现很好的平衡。另外，通过羟基型链转移剂如巯基乙醇、巯基丙醇、巯基丙酸-2-羟乙酯可以在大分子链端引入羟基，改善羟基分布，提高硬度，并使分子量分布变窄，降低体系粘度。为提高耐乙醇性要引入苯乙烯、丙烯睛及甲基丙烯酸的高级烷基酯，降低酯基含量。可以考虑二者并用，以平衡耐候性和耐乙醇性。甲基丙烯酸的高级烷基酯有甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸十八醇酯等。涂料用丙树脂常为共聚物，选择单体时必须考虑他们的共聚活性。由于单体结构不同，共聚活性不同，共聚物组成同单体混合物组成通常不同，对于二元、三元共聚，他们通过共聚物组成方程可以关联。对于更多元的共聚，没有很好的关联方程可用，只能通过实验研究，具体问题进行具体分析。实际工作时一般采用单体混合物“饥饿态加料法即单体投料速率树脂水分散体粒径水溶液粒径。从应用看以前两者最为重要。丙烯酸乳液主要用于乳胶漆的基料，在建筑涂料市场占有重要的应用，目前其应用还在不断扩大；近年来丙烯酸树脂水分散体的开发、应用日益引起人们的重视，在工业涂料、民用涂料领域的应用不断拓展。根据单体组成通常分为纯丙乳液、苯丙乳液、醋丙乳液、硅丙乳液、叔醋叔碳酸酯-醋酸乙烯酯乳液、叔丙叔碳酸酯-丙烯酸酯乳液等38一、丙烯酸乳液的合成乳液聚合是一种重要的自由基聚合实施方法。由于其独特的聚合机理，可以以高的聚合速率合成高分子量的聚合物，是橡胶用树脂丁苯橡胶、乳胶漆基料的重要聚合方法。其中丙烯酸乳液是最重要的乳胶漆基料，具有颗粒细、弹性好、耐光、耐候、耐水的特点。丙烯酸乳液的合成充分表达了乳液聚合对涂料工业的重要性。乳液聚合的特点：水作分散介质，粘度低且稳定，价廉安全。机理独特，可以同时提高聚合速率和聚合物分子量。假设用氧化-复原引发体系，聚合可在较低的温度下进行。对直接应用胶乳乳液的场合更为方便，如涂料，胶粘剂，水性墨等。获得固体聚合物时须经破乳、洗涤、脱水、枯燥等工序，纯化困难，生产成本较悬浮聚合高。乳液聚合与其它自由基聚合方法相比具有速度快、平均分子量高的特点，所以如此是由它的聚合机理所决定的。391丙烯酸乳液的合成原料油性单体在水介质中由乳化剂分散成乳状液，由水溶性引发剂引发的聚合称为乳液聚合。乳液聚合的最简单配方为:油性可含少量水性单体：30%60%；去离子水：40%70%；水溶性引发剂：0.30.7%；乳化剂Emulsifier：1%3%。1乳化剂乳化剂实际上是一种外表活性剂，它可以极大的降低界面外表张力，使互不相溶的油水两相借助搅拌的作用转变为能够稳定存在、久置亦难以分层的白色乳液，是乳液聚合的必不可少的组分，在其他工业部门也具有重要应用。因此，其结构包括两局部：其头部表示亲水端，棒部表示亲油的烃基端，如果这两个局部以恰当的质、量进行结合，则这种外表活性剂分子既不同于水溶性物质以分子状态溶于水中，也不同于油和水的难溶，而是以一种特殊的结构-“胶束micelle的形式分散在水中。40胶束的结构见以下图：胶束是一种纳米级的聚集体，成球形或棒形，一般含50个外表活性剂分子，亲水端指向水相，亲油端指向其内核，因此油性单体就可以借助搅拌的作用扩散进入内核，或者说胶束具有增溶富积单体的作用。研究发现正是增溶胶束才是发生乳液聚合的场合。41乳化剂的作用a分散作用乳化剂使油水界面张力极大降低，在搅拌作用下，使油性单体相以细小液滴d 。非离了型外表活性剂无三相平衡点。非离了型外表活性剂无三相平衡点。d.非离了型外表活性剂的浊点非离了型外表活性剂的水溶液加热至一定温度时，溶液由透明变为混浊，出现这一现象的临界温度即为浊点cloudpoint。非离了型外表活性剂之所以存在浊点是由于其溶解特点决定的，非离了型外表活性剂的水溶液中，外表活性剂分子通过氢键和水形成缔合体，从而使乳化剂能溶于水形成透明溶液，随着温度的升高，分子运动能力提高，缔合的水层变薄，外表活性剂的溶解性大大降低，即从水中析出。因此，乳液聚合温度设计的应低于非离了型乳液聚合温度设计的应低于非离了型外表活性剂的浊点，即外表活性剂的浊点，即 。45常用乳化剂的H.L.B、C.M.C值见下表：名称HLBCMC/十二烷基硫酸钠SDS400.02十二烷基磺酸钠130.1十二烷基苯磺酸钠11琥拨酸二辛酯磺酸钠油酸钠18.00.03对壬基酚聚氧化乙烯n4醚8.8对壬基酚聚氧化乙烯n9醚13.00.005对壬基酚聚氧化乙烯n10醚13.20.005对壬基酚聚氧化乙烯n30醚17.20.02对壬基酚聚氧化乙烯n40醚17.80.04对壬基酚聚氧化乙烯n100醚19.00.1对辛基酚聚氧化乙烯n9醚13.00.005对辛基酚聚氧化乙烯n30醚17.40.03对辛基酚聚氧化乙烯n40醚18.00.04聚氧化乙烯分子量400单月桂酸酯13.146乳化剂的乳化性能可以这样进行初步判断：按配方量在试管中分别参加水、乳化剂、单体，上下剧烈摇动一分钟，放置三分钟，假设不分层，说明乳化剂乳化性能优良。2引发剂的选择乳液聚合常采用水溶性热分解型引发剂。一般使用过硫酸盐：过硫酸胺、过硫酸钾、过硫酸钠。其分解反响式为：硫酸根阴离子自由基如果没有及时引发单体，将发生如下反响：47其综合反响式为：因此，随着乳液聚合的进行，体系的pH值将不断下降，影响引发剂的活性，所以乳液聚合配方中通常包括缓冲剂，如碳酸氢钠，磷酸二氢钠，醋酸钠。另外，聚合温度对其引发活性影响较大。温度对过硫酸钾活性的影响见下表：Tkds-1t1/2h509.5x10-7212603.16x10-661702.33x10-58.3807.7x10-52.5903.3x10-435min48因此过硫酸钾引发剂的聚合温度一般在80以上，聚合终点，短时间可加热到90，以使引发剂分解完全，进一步提高单体转化率。此外，氧化-复原引发体系也是经常使用的品种。其中氧化剂有：无机的过硫酸盐，过氧化氢；有机的异丙苯过氧化氢，特丁基过氧化氢，二异丙苯过氧化氢，等等。复原剂有亚铁盐Fe2+，亚硫酸氢钠NaHSO3，亚硫酸钠Na2SO3，连二亚硫酸钠Na2S2O6，硫代硫酸钠Na2S2O3，吊白粉。过硫酸盐、亚硫酸盐构成的氧化-复原引发体系，其引发机理为：2349氧化-复原引发体系反响活化能低，在室温或室温以下仍具有正常的引发速率，因此在乳液聚合后期为防止升温造成乳液凝聚，可用氧化-复原引发体系在5070条件下进行单体的后消除，降低单体残留率。氧化剂与还化剂的配比并非严格的化学计量，一般将氧化剂稍过量，往往存在一个最正确配比，此时引发速率最大，该值影响变量复杂，具体用量需要通过实验才能确定。3活性乳化剂乳液聚合的常规乳化剂为低分子化合物，随着乳胶漆的成膜，乳化剂向外表迁移，对漆膜耐水性、光泽、硬度产生不利变化。活性乳化剂实际上是一种外表活性单体，其通过聚合借共价键连入高分子主链，可以克服常规乳化剂易迁移的缺点。目前，已有不少活性单体应市，如对苯乙烯磺酸钠，乙烯基磺酸钠，AMPS。此外，也可以是合成的具有外表活性的大分子单体，如丙烯酸单聚乙二醇酯，端丙烯酸酯基水性聚氨酯等，该类单体具有独特的性能，一般属于企业技术秘密。504其他组分保护胶体乳液聚合体系时常参加水溶性保护胶体，如属于天然水溶性高分子的羟乙基纤维素HEC、明胶、阿拉伯胶、海藻酸钠等，其中HEC最为常用，其特点是对耐水性影响较小；属于合成型水溶性高分子的更为常用，如聚乙烯醇PVA1788、聚丙烯酸钠、苯乙烯-马来酸酐交替共聚物单钠盐；这些水性高分子的亲油大分子主链吸附到乳胶粒的外表，形成一层保护层，可阻止乳胶粒在聚合过程中的凝聚，另外保护胶体提高了体系的黏度增稠，也有利于防止粒子的聚并、以及色漆体系贮存过程中颜、填料的沉降。但是，由于保护胶体的参加，可能使涂膜的耐水性下降，因此其品种选择、用量确定应该综合考虑，用量取下限为好。缓冲剂常用的缓冲剂有碳酸氢钠，磷酸二氢钠，醋酸钠。如前所述，它们能够是体系的pH值维持相对稳定，使链引发正常进行。512乳液聚合机理1聚合场所当水，油性单体，乳化剂，水溶性引发剂参加反响器中，经搅拌后形成稳定的乳液；此时反响体系中水为连续相，溶有少量单体分子，引发剂分子及乳化剂分子，还有聚集状态的胶束，增溶胶束则膨胀为610nm，胶束浓度约为10171018ml-1而单体液滴粒径达1000nm;浓度约10101012ml-1胶束，单体液滴的体积相差很大，单体主要存在于单体液滴中。比外表积相差也极为悬殊。乳液聚合体系在引发前可表示为：52成核是指形成聚合物-单体粒子即乳胶粒的过程，决定于体系的配方和聚合工艺，其中单体、引发剂的溶解性及乳化剂浓度是重要的影响因素。成核主要有三种途径：胶束成核、均相成核和液滴成核。胶束成核：自由基初级或46聚合度的短链自由基由水相进入胶束引发增长形成乳胶粒的过程。因为乳液聚合的引发剂或体系是水溶液性的，单体液滴中无引发剂，这同悬浮聚合不同，同时由于胶束浓度比外表积比单体液滴大102103，引发剂在水相形成的自由基几乎不能扩散进入单体液滴，主要进入胶束。因此，单体液滴不是聚合的场所，聚合主要发生在增溶胶束内，增溶胶束才是油性单体和水性引发剂自由基相遇的主要场所，同时胶束内单体浓度高相当于本体单体浓度，远高于水相单体浓度，也提供了自由基进入后引发、聚合的条件。随聚合进行，水相单体进入胶束，补充单体的消耗，单体液滴的单体又复溶解于水中，间接起了聚合单体的仓库的作用。此时水相中除了上述分子及粒子外，增加了聚合物乳胶粒相。不断长大的乳胶粒可以由没有成核的胶束和单体液滴通过水相提供乳化剂分子保持稳定，最终形成的乳胶粒浓度约占胶束的千分之一万分之一，未成核的胶束只是乳化剂的临时仓库，就像单体液滴是单体的仓库一样。53均相成核：选用水溶性较大的单体，如醋酸乙烯酯，水相中可以形成相对较长的短链自由基，这些短链自由基随后析出、凝聚，从水相和单体液滴上吸附乳化剂而稳定，继而又有单体扩散进来形成聚合物乳胶粒。乳胶粒形成后，更容易吸附短链或齐聚物自由基及单体，使得聚合不断进行。甲基丙烯酸甲酯和氯乙烯在水中的溶解度介于苯乙烯和醋酸乙烯酯之间，就兼有胶束成核和均相成核两种，两者比例取决于单体的水溶性和乳化剂的浓度。一般认为如果单体的水溶性大，乳化剂的浓度低则为均相成核。例如乙烯乙酯的聚合。单体水溶液性小，乳化剂浓度大时有利于胶束成核，例如苯乙烯的乳液聚合。而甲基丙烯酸甲酯的溶解性介于二者之间，胶束成核、均相成核并存，以均相成核为主。液滴成核：乳化剂浓度高时，单体液滴粒径小，其比外表积同胶束相当有利于液滴成核。假设选用油溶性引发剂，此时引发剂溶解于液滴中，就地引发聚合，该聚合亦称为微悬浮聚合，属液滴成核。542聚合机理下面以典型的胶束成核介绍乳液聚合的机理。乳液聚合开始前体系中的粒子主要以10nm的增溶胶束和1000nm的单体液滴存在，聚合完成后生成了50nm200nm左右的分散于水的乳胶粒固液分散体，粒子浓度发生了很大变化，显然经过乳液聚合体系的微粒数目也发生变化或重组。依据乳胶粒数目的变化和单体液滴是否存在，典型的乳液聚合分三个阶段。第一阶段乳胶粒生成期亦称成核期、加速期整个阶段聚合速率不断上升，水相中自由基扩散进入胶束，引发增长，当第二自由基进入时才发生终止，上述过程不断重复生成乳胶粒。随着聚合的进行，乳胶粒内的单体不断消耗，水相中溶液解的单体向胶粒扩散补充，同时单体液滴中的单体又不断溶入水相。单体液滴是提供单体的仓库。这一阶段单体液滴数并不减少，只有体积缩小。随着聚合的进行，乳胶粒体积不断长大，从水相中不断吸附乳化剂分子来保持稳定；当水中乳化剂浓度低于CMC时，未成核的胶束上的55乳化剂分子及缩小的单体液滴上的乳化剂分子将溶于水中，向乳胶粒吸附，间接地满足长大的乳胶粒对乳化剂的需求。最后未成核胶束消失。乳胶粒数固定下来。典型乳液聚合中，乳胶粒浓度N约10131015个.ml-1，成核变成乳胶粒的胶束只占起始胶束的极少局部，约为千分之万分之一。该阶段时间较短，结束时C=215%，与单体种类及聚合工艺有关。第一阶段是成核阶段。乳胶粒数从零不断增加，单体液滴数不变，但体积变小，聚合速率上升，结束的标志是未成核胶束的全部消失，本阶段结束时体系有两种粒子：单体液滴和乳胶粒。56第二阶段恒速阶段即乳胶粒成长期。该阶段从未成核胶束消失开始到单体液滴消失止。胶束消失后乳胶粒数恒定，单体液滴仍起着仓库的作用，不断向乳胶粒提供单体。引发、增长、终止在胶粒内重复进行。乳胶粒体积继续增大，最终可达50nm200nm。由于乳胶粒数恒定且粒内单体浓度恒定，故聚合速率恒定，直到单体液滴耗尽止。在该阶段，缩小的单体液滴上的乳化剂分子也通过水相向乳胶粒吸附，满足乳胶粒成长的需要。该阶段终了体系只有一种粒子：乳胶粒。该阶段持续时间较长，结束时C=1560%。57第三阶段降速期单体液滴消失后，乳胶粒内继续引发、增长和终止直到单体完全转化。但由于单体无补充来源，Rp随其中M的下降而降低，最后聚合反响趋于停止。该阶段自始至终体系只有一种粒子：乳胶粒，且数目不变，最后可达50nm200nm。这样的粒子粒径细，可利用种子聚合增大粒子粒径。583乳液聚合动力学聚合速率动力学研究多着重第二阶段即恒速阶段。自由基聚合速率可表示为：在乳液聚合中，M表示乳胶粒中单体浓度，单位mol/L。M与乳胶粒浓度有关。N为乳胶粒浓度，单位为个/cm3，NA为阿氏常数，103N/NA是将乳胶粒浓度化为mol/L。典型的恒速阶段的聚合图像是：当第一个自由基扩散进来，聚合开始；当第二个自由基扩散进来，聚合终止。聚合、终止交替进行。假设在某一时刻进行统计，则只有一半的乳胶粒进行聚合，另一半无聚合发生，因此，自由基浓度为乳胶粒浓度的1/2。由于胶粒外表活性剂的保护作用，乳胶粒中自由基的寿命101s102s较其它聚合方法长101s100s，自由基有较长的时间进行聚合，聚合物的聚合度或分子量可以很高，接近甚至超过本体聚合时的分子量。59乳液聚合恒速期的聚合速率表达式为:讨论:a.在第二阶段，未成核胶束已消失，不再有新的胶束成核，乳胶粒数恒定；单体液滴存在，不断通过水相向乳胶粒补充单体，使乳胶粒内单体浓度恒定，因此，Rp恒定。b.在第一阶段，自由基不断进入胶束引发聚合，成核的乳胶粒数N从零不断增加，因此，Rp不断增加。c.在第三阶段，单体液滴消失，乳胶粒内单体浓度M不断下降，因此，Rp不断下降。乳液聚合速率取决于乳胶粒数N，因为N高达1014个/cm3，M可达107mol/L，比典型自由基聚合高一个数量级，且乳胶粒中单体浓度高达5mol/L，故乳液聚合速率很快。60聚合度假设忽略转移作用。设体系中总引发速率为单位：molL-1s-1。数均聚合度为聚合物的链增长速率除以大分子生成速率。/2表示一半初级自由基进行引发、另一半自由基进行链偶合终止。可以看出:a.聚合度与 N 和有关，与N成正比，与成反比；b.乳液聚合，在恒定的引发速率下，用增加乳胶粒浓度N的方法，可同时提高Rp和，这就是乳液聚合速率快，同时分子量高的原因；一般自由基聚合，提高I和T，可提高Rp，但下降。用提高乳化剂浓度的方法可以提高乳胶粒浓度N。613乳液聚合工艺聚合物乳液的合成要通过一定的工艺来进行。根据聚合反响的工艺特点，乳液聚合工艺通常可分为：间歇法，半连续法，连续法，种子乳液聚合等。1间歇法乳液聚合间歇法乳液聚合对聚合釜间歇操作，即将乳液聚合的原料如：分散介质-水，乳化剂，水溶性引发剂，油性单体在进行聚合时一次性参加反响釜，在规定聚合温度、压力下反响，经一定时间，单体到达一定的转化率，停止聚合，经脱除单体、降温、过滤等后处理，得到聚合物乳液产品。反响釜出料后，经洗涤，继而进行下一批次的操作。该法主要用于均聚物乳液和涉及气态单体的共聚物乳液的合成，如糊法PVC合成等。其优点是体系中所有乳胶粒同时成长、年龄相同，粒径分布窄，乳液成膜性好，而且生产设备简单，操作方便，生产柔性大，非常适合小批量、多品种牌号精细高分子乳液的合成。62但是间歇法乳液聚合工艺也存在许多缺点。从聚合反响速率看，聚合过程中速率不均匀，往往前期过快，而后期过慢，严重时甚至出现冲料，爆聚现象，严重影响聚合物的组成、分子量及其分布，影响产品质量。其原因在于：反响开始时，引发剂、单体浓度最高，容易出现自动加速效应凝胶效应。其克服方法是采用引发剂滴加法或高、低活性引发剂复合使用。从共聚物组成看：由于共聚单体结构不同、活性不同，活性大的单体优先聚合，必将导致共聚物组成同共聚单体混合物的组成不同。为此，一般采用控制转化率的方法以得到组成均匀的共聚物。当气态单体存在时比较方便。从乳液粒度看：由于体系中存在大量的单体液滴，因而其成核几率也大大增大，可能使得乳胶粒的粒度分布变宽，乳液易凝聚，稳定性差。从乳胶粒的结构看：间歇法乳液聚合通常得到单相乳胶粒。为了改善乳液性能，近年来发现复相乳胶粒具有优异的性能，如核-壳型、梯度变化型乳胶粒得到重视，其研究、开发工作层出不穷。这些结构型乳液只能通过半连续法、连续法、种子乳液聚合等方法合成。632半连续法乳液聚合半连续法乳液聚合先将去离子水、乳化剂及局部混合单体约520%左右，massratio和引发剂参加反响釜，聚合一定时间后按规定程序滴加剩余引发剂和混合单体，滴加可连续滴加，也可间断滴加，反响到所需转化率聚合结束。半连续法工艺分为如下几步：打底升温引发滴加保温清净。打底即将全部或大局部水、乳化剂、缓冲剂、少局部单体5-20%及局部引发剂投入反响釜；升温引发即使打底单体聚合，并使之基本完成，生成种子液，此时放热到达顶峰，且体系产生兰光；滴加即在一定温度下以一定的程序滴加单体和引发剂；保温即进一步提高转化率；清净即补加少量引发剂或提高反响温度，进一步降低残留单体含量。该法同间歇法比有不少优点：通过控制投料速率可方便控制聚合速率和放热速率，使反响能够比较平稳的进行，无放热顶峰出现。如果控制单体参加速率等于或小于聚合反响速率，即单体处于饥饿状态，单体一旦参加体系即行聚合，此时瞬间单体转化率很高，单体64滴加阶段转化率可达90以上，共聚物在整个过程中的组成几乎是一样的，决定于单体混合物的组成，饥饿型半连续法乳液聚合可有效的控制共聚物组成。体系中单体液滴浓度低，乳胶粒粒度小而均匀。为了进一步提高乳液聚合及乳液产品的稳定性，可在聚合过程中间断或连续补加一局部乳化剂。这样也有利用提高乳液固含量。工艺设备同间歇法基本相同，比连续法简单，设备投入较低。半连续法乳液聚合工艺上有许多优点，目前许多聚合物乳液都是通过半连续法乳液聚合工艺生产的。在工艺路线选择时应优先考虑该工艺。653连续法乳液聚合连续法乳液聚合通常用釜式反响器或管式反响器，前者应用较广，一般为多釜串联，如丁苯胶乳、氯丁胶乳的合成等。连续法设备投入大，粘釜、挂胶不宜处理，但是，连续法乳液聚合工艺稳定，自动化程度高，产量大，产品质量也比较稳定。因此，对大吨位产品经济效益好，小吨位高附加值的精细化工产品一般不采用该法生产。4预乳化聚合工艺无论半连续法乳液聚合或是连续法乳液聚合，都可以采用单体的预乳化工艺。单体的预乳化在预乳化釜中进行，为使单体预乳化液保持稳定，预乳化釜应给予连续或间歇搅拌。预乳化聚合工艺防止了直接滴加单体对体系的冲击，可使乳液聚合保持稳定，粒度分布更加均匀。665种子乳液聚合种子乳液聚合乃首先就地合成或参加种子乳液，以此种子为基础进一步聚合最终得到产品乳液。为了得到良好的乳液，应使种子乳液的粒径尽量小而均匀，浓度尽量大。种子乳液聚合以种子乳胶粒为核心，假设控制好单体、乳化剂的投加速度，防止新的乳胶粒的生成，可以合成出优秀的乳液产品。种子乳液聚合具有以下特点：种子乳液聚合过程中，种子乳液中的乳胶粒即为种子，在单体的加料过程中，单体通过扩散进入种子胶粒，经引发、增长、转移或终止生成死的大分子，因此胶粒不断增大，如乳化剂的补加正好满足需要，就不会有新的胶束和乳胶粒形成，胶粒的粒度分布、年龄分布都很窄，容易合成大粒径、粒度分布均匀的乳液。种子乳液聚合可以合成出具有异型结构乳胶粒的乳液。如核-壳结构型乳液，组成具有梯度变化的乳液，互穿网络结构型乳液等674核-壳乳液聚合核-壳型乳液聚合可以认为是种子乳液聚合的开展。乳胶粒可分为均匀粒子和不均匀粒子两大类。其中不均匀粒子又可分为两类：成份不均匀粒子和结构不均匀粒子。前者指大分子链的组成不同，但无明显相界面，后者粒子内部的聚合物出现明显的相别离。结构不均匀粒子按其相数可分为两相结构和多相结构。核壳结均是最常见的两相结均。如果种子乳液聚合第二阶段参加的单体同制备种子乳液的配方不同，且对核层聚合物溶解性较差，就可以形成具有复合结构的乳胶粒，即核-壳型乳胶粒。即由性质不同的两种或多种单体分子在一定条件下多阶段聚合，通过单体的不同组合，可得到一系列不同形态的乳胶粒子，从而赋予核壳各不相同的功能。核-壳型乳胶粒由于其独特的结构，同常规乳胶粒相比即使组成相同也往往具有优秀的性能。根据“核-壳的玻璃化温度不同，可以将核-壳型乳胶粒分为硬核-软壳型和软核-应壳型；从乳胶粒的结构形态看，主要有以下几种：如正常型、手镯型、夹心型、雪人型及反常型，其中反常型以亲水树脂局部为核。核-壳型乳胶粒究竟采取何种结构形态受制于许多因素。主要因素有：681单体性质乳胶粒的核-壳结构常常是由参加水溶性单体而形成的。这些聚合单体通常含有羧基、酰胺基、磺酸基等亲水性基团。因其水溶性大而易于扩散到胶粒外表，在乳胶粒-水的界面处富集和聚合。当粒子继续生长时，其水性基团仍留在界面区，从而产生核-壳结构。具有一定水溶性的单体，特别是当其或其共聚物玻璃化温度Tg较低而聚合温度较高时，有较强的朝水相自发定向排列的倾向。因此用疏水性单体聚合作核层、亲水性单体聚合作壳层，可得到正常结构形态的乳胶粒；相反，假设用亲水性单体聚合作核层，则疏水性单体参加后将向原种子乳胶粒内部扩散，经聚合往往生成异型核-壳结构乳胶粒。2加料方式常用的加料方法有平衡溶胀法、分段加料法等。平衡溶胀法用单体溶胀种子粒子再引发聚合，控制溶胀时间和溶胀温度，从而可以控制粒子的溶胀状态和胶粒结构。69分段加料并在“饥饿条件下进行聚合，是制备各种核-壳结构乳胶粒的最常用的方法。特别是在第一阶段加疏水性较大的单体、第二阶段加亲水性较大的单体更是如此。通常第一阶段加的单体组成粒子的核，第二阶段加的单体形成壳。有时也有例外。如BA丙烯酸丁酯AA丙烯酸和St苯乙烯AA两步法加料时，无论加料次序如何，生成的粒子都是以StAA为核、以BAAA为壳的核-壳结构。显然，这是PBA聚丙烯酸丁酯链段的柔韧性和PAA聚丙烯酸的亲水性相结合起主要作用，而不是聚合顺序起主要作用。3其它因素其他因素对乳胶粒的形态也有重要影响，如：反响温度低，大分子整体和链段的活动性低，聚合物分子、链段间的混溶性变差，有利于生成核-壳结构粒子。水溶性引发剂自由基只在水相引发，并以齐聚物自由基的形式接近粒子外表，使聚合在粒子外表进行。当然，其效能还与其浓度和聚合温度等因素有关。70离子型乳化剂由于其静电屏蔽效应，使带同性电荷的自由基难以进入粒子内部。有利在聚合物粒子-水相界面处进行聚合。控制聚合过程中的粘度以控制增长中的活自由基的扩散性，从而可以影响粒子的结构、形态