乳化剂对半连续乳液聚合动力学及成核机理的影响(常用版).doc
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1、乳化剂对半连续乳液聚合动力学及成核机理的影响(常用版)(可以直接使用,可编辑 完整版资料,欢迎下载)乳化剂对半连续乳液聚合动力学及成核机理的影响第35卷第5期2007年5月华南理工大学(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vo1.35No.5May2007文章编号:1000-565X(2007)05.0126.06乳化剂对半连续乳液聚合动力学及成核机理的影响木孙志娟张心亚江庆梅黄洪陈焕钦(华南理工大学化工研究所,广东广州510640)摘要:采用半连续乳液聚合工艺制备丙烯酸酯乳液,研究乳化剂浓
2、度(E)对聚合动力学和成核机理的影响,并分析不同时整个聚合过程中粒子尺寸分布的演变规律.实验结果表明:”-3E>0.01mol/L时,聚合速率R.ocE船,体系遵循胶柬成核机理及聚合规律;而当E<0.01mol/L时,R.ocE”,体系以均相成核为主要成核方式.3,1-,根据整个聚合过程中的粒子尺寸分布规律可进一步验证体系在不同时具有不同的成核机理.关键词:乳液聚合;胶束成核;均相成核;乳化剂;聚合速率;粒子尺寸分布中图分类号:TQ430.1文献标识码:A乳液聚合具有反应速度快,易散热,可在低温下反应等特点,适用于直接利用合成乳液的情况,如涂料,粘合剂,皮革处理剂和纺织品处理剂等精
3、细化学品的生产.尤其是半连续乳液聚合作为合成聚合物的主要生产方法,已成了化学工业中的研究焦点之一J.但由于半连续乳液聚合机理的特殊性,体系的复杂性,聚合手段的多样性,目前大部分研究都侧重于聚合工艺及动力学特征的探讨【3,而有关乳化剂对成核机理及整个聚合过程中粒子尺寸分布的影响研究并不多见.在半连续乳液聚合过程中,成核阶段是反应后期粒子增长和反应完成阶段的基础,尤其是对整个聚合过程中的粒子尺寸分布有重要的影响_4J.随着乳液聚合技术的发展,出现了多种成核机理理论,如胶束成核机理J,均相成核机理和单体液滴成核机理等.文中主要分析了在半连续乳液聚合过程中,乳化剂浓度对聚合速率及乳胶粒子大小的影响,并
4、在确定聚合动力学方程的基础上对成核机理进行讨论,进一步根据整个聚合过程中粒子尺寸分布的变化规律来验证不同乳化剂浓度时体系中不同的成收稿日期:20060519基金项目:广东省科技计划项目(2003B10506)作者简介:孙志娟(1980.),女,博士生,主要从事丙烯酸酯乳液和树脂的合成研究.Email:su77163.tom核机理.1实验部分1.1实验原料及配方共聚单体为甲基丙烯酸甲酯(MMA),丙烯酸丁酯(BA),日本进口,工业级;阴离子乳化剂为十二烷基苯磺酸钠(DBS),国产,工业级;引发剂为过硫酸钾(KPS),pH缓冲剂为碳酸氢钠(NaHCO),国产,化学纯;去离子水(H0),自制.实验确
5、定的基本配方如表1所示.表1实验配方Table1Experimentalformulation原料质量/g原料质量/gMMA10oI,s1.01.2BA10oNaHCO0.30.5DBS0.13.0H,04001.2乳液的制备在装有数显搅拌器,回流冷凝器,恒温加热装置的反应釜中进行半连续乳液聚合反应.在反应器中加入一定量的乳化剂和去离子水,搅拌使其乳化充分.待加热至反应温度(80)时,采用恒流泵滴加反应单体和引发剂,控制滴加时间在2h左右.保温反应一段时间后升温至90,熟化后降温出料.第5期孙志娟等:乳化剂对半连续乳液聚合动力学及成核机理的影响1.3乳液的动力学表征1.3.1转化率的测定(称重
6、法)对半连续乳液聚合体系而言,采用瞬时转化率(反应阶段特定时刻已反应的单体与反应器中单体总量之比)来表征其反应过程的动力学情况:X=(WW0)(R.t+m)/(Rt)(1)式中:为乳液固含量,%;W.为不挥发物含量,%;为单体和引发剂水溶液的滴加速度之和,g/min;为单体的加入速度,g/min;m为初始反应器中乳化剂水溶液的质量,g;t为加料时间,min;W和W.采用国标GB1725-1979规定的方法来测定.1.3.2聚合速率(R.)的计算经典的乳液聚合理论按动力学特征将聚合过程分为3个阶段,其中恒速阶段自乳胶束消失开始,乳胶粒数恒定,故聚合速率不变.该阶段的聚合反应速率可用线性回归法求出
7、,即对此阶段中转化率()一时间(t)曲线进行线性回归得到其斜率(dX/dt),然后通过下式求出:Rp=dX/dt(2)式中:=单体量/配方中水的体积,mol/L.1.3.3乳液的粒径及其分布的测试乳液的粒径及其分布采用英国Malvern公司生产的马尔文纳米粒度分析仪来测定,样品经稀释并用超声波分散后测定.2结果与讨论2.1乳化剂浓度对聚合过程的影响乳化剂在乳液聚合过程中非常重要,特别是对反应初期成核阶段的影响尤为关键.这是因为在乳液聚合过程中,乳化剂浓度不同时,乳化剂在体系中形成胶束和在水相中分配的情况不同,因而单体进行聚合反应的成核场所也不同,从而影响反应过程的成核方式和聚合机理.文中试验设
8、定引发剂用量为单体总质量的0.5%,以十二烷基苯磺酸钠为阴离子乳化剂,并从滴加引发剂和单体为0开始计时,考察乳化剂浓度对聚合过程的影响,所得单体转化率与时间曲线如图1所示.从图1(a)可发现,当乳化剂浓度不同时,聚合过程中单体转化率随时间的变化趋势基本一致,但在同一反应时间,单体转化率随乳化剂浓度的增大而增大,由于在反应前期单体转化率相差不大,曲线较为集中.从图1(b)中可发现,在反应初期,不同乳化剂浓度的曲线形状不同,当E>1.010mol/L时,曲线变化趋势相似,均存在两个明显转折点;而E<1.010mol/L时,曲线形状有所改变,转化率随时间的变化情况更为复杂.由于乳化剂浓度
9、对转化率的影响具有多重性,故需对乳化剂浓度分不同范围讨论,具体结果如下.乳化剂浓度/(mol-L)-?一287l0-o.-2.39l0一.-1.9ll0+1.44l0+9.57l0-+4.78l0,-o-2.39l0+9.57l0 406080l00l20l40l60t/min(a)原图t/min(b)局部放大图图1乳化剂浓度对聚合动力学的影响Fig.1EffectofemulsifierconcentrationOilpolymerizationkinetics当E>1.010mol/L时,曲线均在10min和20min处发生转折,即在010min阶段中,转化率由0增至15%左右;而在
10、10min后出现了一个明显的突增过程,持续到20rain后趋势变缓.这表明在聚合过程中存在不同的反应阶段,参照Harkins乳液聚合的经典理论J,根据文中实验所得的Xt曲线的特征,可将乳液聚合反应过程划分为3个阶段:粒子成核阶段(010min,阶段I),粒子增长的恒速反应阶段(1020min,阶段)和聚合反应完成阶段(>20min,阶段).实验中还发现,随乳化剂浓度的增大,同一反应时间所对应的单体转化率随之增大,这是因为在乳化剂较为充足的条件下,文中实跚印加华南理工大学(自然科学版)第35卷验体系主要是按胶束成核机理进行聚合反应,即单体在增溶胶束中成核.胶束成核机理的特点之一是乳胶粒的大
11、小和聚合速率取决于乳化剂的浓度,随乳化剂浓度的增大,所形成的胶束越多,因而成核的场所越多,反应中心数目越多,从而单体转化率随之增大,聚合速率越大.当E<1.0x10mol/L时,不同乳化剂浓度时单体转化率与反应时间关系曲线各不相同,随乳化剂浓度的减小,曲线中所出现的第一个转折点提前,即E】=9.57x10mol/L和4.78x10mol/L时,曲线中第一个转折点出现在8min;当乳化剂浓度降至2.39x10I3mol/L时,曲线中的转折点提前到6min;特别是当E=9.57x10mol/L时,曲线中已不存在明显的转折点.此外,当E<1.0x10I2mol/L时,图中的转化率一时间曲
12、线在8min后的上升趋势均比较均匀,阶段与阶段的转折点已不明显.这可能是当E<1.0x10I2mol/L时,实验体系的成核机理与E>1.0x10I2mol/L时的成核机理有所不同,因为当乳化剂浓度减小时,体系中的乳胶束数量随之减小,胶束耗尽所需的时间相对缩短,故曲线中出现第一个转折点的时间提前.同时,乳胶束数量的减小使单体在胶束中反应生成乳胶粒子的几率降低,体系中除了存在胶束成核外还可能出现均相成核或单体液滴成核.在反应早期(如48min),单体在E:9.57x10mol/L时的转化率高于E=9.57x10mol/L时的转化率,但最终转化率最低.这是由于DBS的临界胶束浓度(CMC
13、)为1.26x10tool/L,当实验所选用的乳化剂浓度低于CMC时,体系中的乳化剂不足以形成乳胶束,于是只能按均相成核机理或单体液滴机理进行聚合反应,因此图1(b)中的曲线出现了交叉现象.但无论按何种方式成核,在反应后期,随着乳化剂浓度的降低,聚合反应稳定性下降,单体的转化率随之降低,导致最终的转化率降低.2.2乳化剂浓度对聚合速率的影响对图1中不同曲线的恒速阶段进行线性回归,得到不同乳化剂浓度时的聚合速率尺,以lnR对lnE作图,结果如图2所示.,在图2中,对所得的数据点进行拟合得到两条直线,它们相交于lnE=一4.6左右,表明尺.在E=1.0x10-2mol/L前后的变化规律不同,这与图
14、1的结果一致.当E在1.44x102.87x10mol/L之间变化时,所得直线斜率为1.28,相关系数为0.9957,即R.cE鹬,这与张洪涛等所得的结论R.cE卜相符,表明当E>1.0X10I2mol/L时,文中实验体系按常规的胶束成核机理进行反应,乳化剂浓度的大小决定了成核阶段中所形成的乳胶束个数,进一步决定了最终的反应粒子数,从而对反应过程中的尺.影响很大;当乳化剂浓度在9.57x109.57x10mol/L之间变化时,所得直线斜率为0.17,相关系数为0.9986,即R.cE”,这与E>1.0x10mol/L时的结果相差很大,可能是因为当乳化剂浓度较小时,文中实验体系不遵循
15、常规的胶束成核机理,乳化剂浓度不是影响聚合过程的重要因素,故对尺的影响随之减小.图2lnR.与In关系Fig.2RelationbetweenlnRpandInE2.3成核机理的推断成核机理是理解乳液聚合过程中反应动力学和聚合机理的关键-】.在前面分析基础上,发现文中实验体系的成核机理与乳化剂浓度密切相关,为更直观地确定半连续乳液聚合过程中,乳化剂浓度在不同范围时的成核机理,实验中进步对整个聚合过程的粒径及其分布的变化情况进行分析.实验以E=1.91xl0mol/L和E=9.57xl0tool/L为代表,对不同反应阶段的样品进行了粒径分析,结果如图3所示.从图3(a)可发现,当E>1.0
16、l0mol/L时,样品14(t=2,4,6,8min)的平均粒径均小于50nm,在反应2rain时粒径为25nm左右,且一直都有小粒子存在,即在此阶段中,单体和自由基首先扩散到乳胶束中,进而发生反应生成聚合物链而使其逐步转化成小粒径的乳胶粒;样品5(t=l0min)的平均粒径突然增至60nm,小粒子开始消失,标志成核阶段结束;样品6l0(t=15120min)的平均粒径逐渐增大,最终增至100nm左右,但均呈较好的正态分第5期孙志娟等:乳化剂对半连续乳液聚合动力学及成核机理的影响布,这表明此阶段中无新的小粒子生成,而乳胶粒在不断长大,属于恒速反应阶段和聚合反应完成阶段.纵观整个聚合反应过程中粒
17、径及其分布的情况可发现,粒径的变化规律与图1(a)中转化率和聚合速率的变化规律相一致,这表明当E>1.010mol/L时,文中实验体系遵循胶束成核机理及其聚合规律.302010一23456789】O一一050l00l50粒径/nm(a)【司=1.9110mol/L4020050lO0150粒径/rim(b)【司=9.5710mol/L图3不同乳化剂浓度下乳液粒子的尺寸分布Fig.3Particlesizedistributionofemulsionwithdifferentconeentrationofemulsifier样品ll0的反应时间分别为2,4,6,8,10,15,20,30,
18、6o和120min从图3(b)可知,当E<1.010mol/L,样品1的平均粒径小于10Ha,表明体系中已形成了初始小粒子,其平均粒径比图3(a)中的样品1小,这不同于胶束成核过程所形成的单体增溶胶束(4050nm),但与Feeney等估计的均相成核过程所形成的原始微粒粒径大小一致.这表明体系是按均相成核机理进行成核的,即在反应开始时,单体在水相中吸收自由基发生了基元反应而形成齐聚物自由基,当其达到一定链长后便从水相中析出,并通过吸附乳化剂和单体转变为初始粒子.而样品25的平均粒径均在l040Ha之间,变化范围较小,且都含有粒径为10Ha左右的小粒子,这表明在此反应过程中有部分初始粒子开
19、始增长,同时也一直形成新的小粒子,这是成核阶段的持续过程;样品6的平均粒径增至68.2Ha,且已不含有小粒子,表明此时体系中已无新的小粒子生成,标志成核阶段结束;样品7l0的平均粒径逐渐增大,最终所得的乳胶粒子的平均粒径达130Ha,这不同于单体液滴成核时粒径先增大后减小的规律引,即此过程属于均相成核后的粒子增长和反应完成阶段.综上所述,当E:9.5710mol/L时体系的成核方式为均相成核.这是因为MMA在水中的溶解度较大【l(在25时为1.59%),在水相中有一定的溶解度,有可能按均相成核方式形成乳胶粒,尤其是当乳化剂浓度小于CMC时,反应体系中的乳化剂不足以形成乳胶束,无法按胶束成核方式
20、进行反应,故此时实验体系以均相成核为主.此外,在乳液聚合初期,MMA的聚合速率比BA快,且比按竞聚率估计的更快,因此MMA和BA的半连续乳液聚合的成核机理主要由MMA决定,从而可推断出在E:9.5710mol/L时,该实验体系按均相成核机理进行聚合反应.2.4乳化剂浓度对乳液粒径的影响由于体系中不同乳化剂浓度的成核机理有所不同,从而所得乳液的性能也不同.实验对不同的乳化剂浓度所得到的最终乳液进行了粒径测试,结果如图4所示.【司,(10mol?L)图4乳化剂浓度对乳液粒径的影响Fig.4Effectofconcentrationofemulsifierondiameterofemulsion从图
21、4中可知,当乳化剂浓度增大时,乳胶粒子的平均粒径随之减小;当E<1.010mol/L时粒径明显下降,当E从9.5710mol/L增至9.5710mol/L时,所得乳胶粒子的平均粒径由224nm降至141.4Ha;在E>1.010mol/L时粒径下降趋势平缓,当E=2.8710I2raol/L时平均粒径降为109Ha.这可能是由于乳化剂浓度在不同的范围中变化时,实验体系的成核机理有所不同:当E<1.010mol/L时体系以均相成核为l30华南理工大学(自然科学版)第35卷主,此时乳化剂的作用主要是稳定水相中析出的初始粒子,体系中自由乳化剂分子数目随乳化剂浓度的增大而增加,从而避
22、免乳胶粒子之问的凝聚,故而显着提高体系的稳定性并降低乳胶粒子的平均粒径;当E>1.010I2mol/L时实验体系以胶束成核方式进行聚合反应,乳化剂浓度增大时按胶束机理生成的乳胶束数目增多,可形成的乳胶粒子数增多,故平均粒径降低.3结论(1)在半连续乳液聚合过程中,乳化剂浓度愈高,单体最终转化率愈高,聚合速率也随之增大,所得乳液的平均粒径变小.具体的动力学方程为:当2.8710mol/L>>1.010mol/L时,R.C篮;当9.5710mol/L<E<1.010mol/L时,R.c17.(2)乳化剂浓度不同时,实验体系的成核机理和整个聚合过程中的粒子尺寸分布不同.
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