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磷酸酯改性丙烯酸酯乳液合成及阻燃性能研究
杨 冲1，2，周栋梁1，2，冉千平1，2，丁 蓓1，2，刘加平1，2 （1.江苏省建筑科学研究院有限公司，南京 210008；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，南京 210008)
丙烯酸酯乳液由于其优异的耐水性能、黏结性、成模性、耐候性以及保光保色和力学性能等优点，被广泛地应用为乳胶漆，在纺织织物、皮革、纸张、玻璃纤维套管以及建筑外墙中应用广泛，但由于其属于有机物质，成膜后遇火易燃，产生浓烟以及大量有害物质的产生，影响了其应用范围。因此，对其进行阻燃性改性是非常必要的。本文采用反相核壳乳液合成的方法对丙烯酸酯乳液进行磷酸酯的改性，旨在提高其成膜后的阻燃性能，通过阻燃型单体的引入，研究成膜后在聚苯板的体系的应用，改善聚苯板燃烧带来的火灾、浓烟及有毒物质排放带来的环境问题。
1 实验部分
1.1 实验试剂
实验试剂名称及厂家见表 1。
1.2 实验过程
实验中采用反相核壳乳液合成的方法制备了磷酸酯改性丙烯酸酯乳液，实验步骤如下：
1.2.1 壳聚合
(1)预乳化壳乳液：将水总量的 20%，30% 的乳化剂以及全部甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基丙烯酸、丙烯腈、十二硫醇加入到四口烧瓶中，50℃ 下高速搅拌，制备壳预乳化液，冷却待用；
(2)壳聚合过程：加水总量的 50% 到四口瓶中，预乳化壳乳液也加入到四口瓶中，加热到 60℃，加入部分引发剂水溶液，反应 30 min。再加入 50% 质量分数为 50% 的氨水溶液。
1.2.2 核聚合
(1)预乳化核乳液：将水总量的 20%、剩余的乳化剂以及甲基丙烯酸羟乙酯加到四口烧瓶中，50℃下高速搅拌，制备核预乳化液，冷却待用；
(2)核聚合过程：把壳层乳液加热到 80℃，滴加预乳化好的核层单体、三氯乙基磷酸酯单体以及剩余的引发剂形成的溶液，3.5 h 滴加完毕，保温 1 h。
2 结果与讨论
2.1 乳液物理性能表征
乳液性能检测结果见表 2。通过以上实验结果发现，经过乳液合成方法制备的磷酸酯改性丙烯酸酯乳液各项物理性能稳定。
2.2 乳液成膜性能测试
2.2.1 磷酸酯改性后对乳液成膜后力学性能
图 3 为三氯乙基磷酸酯添加量对丙烯酸酯乳液成膜后的力学性能的影响。
由图 3 可以看出，随着三氯乙基磷酸酯在单体中含量的增加，丙烯酸酯乳液胶膜的拉伸强度先增大后减小，三氯乙基磷酸酯在单体中占 1% 时，胶膜的拉伸强度最大为 12.8MPa；随着三氯乙基磷酸酯含量占到 2.5% 时，其拉伸强度已经降低到比为改性前的胶膜还小。实验结果说明，磷酸酯改性丙烯酸酯虽然能够提高胶膜的热稳定性，但是过量的添加对其拉伸性能影响较大，因此，在合成过程中我们选择将三氯乙基磷酸酯的用量占单体的 0.5%～1.0% 为宜。
2.2.2 热稳定性分析
由于有机聚合物乳液在使用过程中通过成膜发挥作用效果，因此，成膜后的性能对乳液使用具有很大的影响。本论文主要研究磷酸改性后丙烯酸酯乳液的阻燃效果，因此，对其热稳定性进行了研究。图 2 为合成乳液成膜后DSC 测试结果，表征乳液成膜后的热力学性能。
通过以上 DSC 曲线我们可以发现，磷酸酯改性后的丙烯酸酯乳液热分解温度较改性前明显滞后，即磷酸酯改性后能够很好地提高乳液的热稳定性能。
2.2.3 磷酸酯改性后对乳液阻燃性能的影响
为研究改性后乳液对于聚苯板体系燃烧性能的影响，将本乳液运用到聚苯板体系中，研究其燃烧性能，根据国标 GB/T 2408-1996 塑料燃烧性能试验方法水平法和垂直法所描述的试验方法进行研究。试验方法如下：
我们将改性前改性后的聚合物乳液在聚苯板上涂抹，50℃ 干燥 5 h 之后进行燃烧试验，实验结果如下：
通过上述燃烧试验结果显示：
(1)涂抹改性前的聚苯板 1～2 min 燃烧现象如上，冒黑烟、有滴落物。
(2)涂抹改性后的聚苯板 3～5 min 燃烧现象如上，无黑烟、无滴落物，聚苯板上形成的膜有效地阻止了聚苯板的燃烧。
本实验结果很好的证明了我们合成的聚合物乳液能够延长聚苯板燃烧的时间，并且减少了燃烧过程中浓烟以及有毒物质的发生。这对于实际应用具有很好的现实意义。
3 结语
(1)通过将磷酸酯改性的丙烯酸酯乳液进行各项物理性能的测试发现，改性后的乳液具有很好的稳定性，常温下储存 30 d 不破乳、不分层。
(2)通过将改性后的丙烯酸酯形成的胶膜进行拉伸性能的测试发现，磷酸酯的加入对胶膜的拉伸强度呈现先增大后减小的影响。在磷酸酯占单体 1% 时拉伸强度最大，达到12.8 MPa，当含量超过 2.5%，拉伸强度降低到比改性前胶膜强度还低的水平，因此，三氯乙基磷酸酯在实验过程中的含量为占单体的 0.5%～1.0% 为宜。
(3)通过将改性后的丙烯酸酯形成的胶膜进行 DSC 测试发现，改性后胶膜的热分解温度较改性前具有明显的升高，热稳定性提高。
(4)将改性前后的乳液在聚苯板表面涂覆，研究其对聚苯板阻燃性能，研究发现，改性后的乳液能够有效地延长聚苯板燃烧时间并减少燃烧过程中浓烟以及有毒物质的排放。
