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用于水性木器涂料聚合物乳液的制备
□ 李 炎1，刘方方2，卜小峰3
(1.河北工业大学微电子研究所，天津 300130；2.河北科技大学，石家庄 050018；3.天纺检测技术有限公司，广东东莞523160)
0 前言
水性木器涂料是以水为分散介质的一类涂料，具有不燃、无毒、不污染环境、节省能源和资源等优点。水性木器涂料可分为水性醇酸树脂、水性硝基纤维素、水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂和水性聚氨酯涂料以及丙烯酸-聚氨酯水性树脂涂料。苯乙烯-丙烯酸共聚树脂类，因其成本低、玻璃化温度高、硬度高，多用作打磨底漆，也用作要求不高的装饰性涂料或临时保护涂料。而用于木器涂料的普通丙烯酸乳液，存在成膜性较差、最低成膜温度高、不耐溶剂及热黏冷脆等缺点，仍需一定量的成膜助剂，有的还需要添加增塑剂， 这样体系的VOC很难降低[1-2]。根据木器涂料的性能要求，本试验制备一种以2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵作为阳离子单体的阳离子聚合物乳液作为成膜剂来配制最终涂料，并将详细阐述该聚合物乳液的制备过程和工艺要求，从原料配比、加料方式、反应时间等因素来分析合成乳液的反应工艺。
1 仪器和试剂
1.1 试验仪器和设备
电动搅拌器：JB90-D型，上海标本模型厂；电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9245A型，上海齐欣科学仪器有限公司；电子天平：AL204型，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；分析天平：JJ500型，常州市双杰测试仪器厂。
1.2 试验试剂
过硫酸铵、丙烯酸丁酯、丙烯酸、过硫酸钾、甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇(PVA)、 2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酸乙酯等。
2 阳离子乳液的制备
以一定量的过硫酸钾为引发剂，2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、丙烯酸乙酯等为反应单体，PVA为乳化剂，在一定温度范围内反应一段时间后，即得阳离子乳液。
3 结果与讨论
3.1 阳离子乳液的合成
本试验采用了多种方案来合成阳离子乳液，最后筛选出6种较好方案，具体配方如表1所示。
由表1可以看出，苯乙烯不适合作为阳离子乳液的单体使用，为了使乳液细腻均匀，甲酯和丁酯的量最好在13 g左右，乙酯作为单体时也会导致乳液不稳定，因此，合成阳离子乳液的最佳配方确定为3#方案，即甲酯和丁酯分别为13 g，PVA 2 g，K2S2O8 0.25 g，MATAC 2.5 g，H2O 70 g。
在此试验中，可进行如下分析：
(1)在所有乳液聚合中，乳化剂均起着至关重要的作用，主要表现为聚合前分散且增溶单体，形成较稳定的单体乳滴，提供乳液聚合的环境；聚合后稳定乳胶粒子使之不发生凝聚，形成具有一定固含量和黏度的稳定聚合物乳液，并对单体在乳液中的聚合行为、乳胶粒子大小和分布、乳胶粒的性质有很大的影响。
(2)试验中采用PVA作为乳化剂，要严格区分其型号，不同型号的PVA性能差异较大，对试验影响也较大，譬如PVA-1788与PVA-1799会使试验产生显著的差别。
(3)聚合温度80 ℃以下时引发反应较慢，当反应温度在80～90 ℃时单体的反应速度较快，引发剂分解的速率也较快，有利于加速聚合反应速度，在反应到180 min左右时转化率差不多到达98%。而在90 ℃以上聚合时，尽管能达到更高的转化率和更快的聚合反应速度，但是此时反应放热过快，聚合热不易排出，反应难以控制，从而产生较多的凝聚物，降低了乳液的稳定性，因此选择乳液聚合的温度为80～90℃，而且在反应180 min后单体的转化率趋于平缓，因此乳液聚合的反应时间为180 min。
(4)用水量越少，反应所得乳液固含量就越高，因此试验中应尽量减小用水量。但是乳液聚合过程必要靠一定的水来支持，用水量过少只能导致产物过于黏稠，无法使用，本试验中用水量最低量应控制在70 mL左右，否则无法制得性能良好的乳液。
(5)虽然制备的是阳离子乳液，但阳离子单体的用量不宜过多，乳液主要成分还是由传统的单体来反应构成的。原因是阳离子单体性能不稳定，用量过多会直接影响乳液的性能，其次此种阳离子单体价格尤为昂贵，只要能够达到试验目的，尽量降低其用量以节约试验成本[3-4]。
3.2 不同加料量对乳液合成的影响
甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯聚合物分子链中含有极性酯基，耐水性均较差，胶膜吸水后易发白，在一定条件下酯基还会分解而影响产品性能。另外，容易高温发黏，耐沾污性下降，低温变脆，韧性变差，其耐热性也较差，高温下容易泛黄。在共聚物中引入苯乙烯链段，可有效提高胶膜的耐水性、耐碱性和抗污性，同时刚性苯环抑制了聚合物分子的运动，从而可提高聚合物的硬度和耐热性。BA作为一种软性单体，适当增大BA的用量，可以软化乳液，改善乳液的成膜性能；β-羟乙酯作为一种功能单体，可以作为乳液合成中的交联剂和促进剂，在单体之间起衔接作用，而使多种单体分子相互键合成网状结构。在加入适当的β-羟乙酯后，可使乳液的单体之间交联性增强，提升乳液的性能，但是如果β-羟乙酯加入的量过多后，会使单体之间过度交织在一起，生成结块，反
而对反应不利。因而，在乳液聚合过程中，一些功能单体的用量一定要严格控制。
3.3 不同滴加速度对乳液合成的影响
滴加过快，单体滴加速度大于反应速率，则有一部分单体不能及时发生聚合，这部分未聚合的单体将扩散进入增长着的聚合物粒子中成为单体库，从而使乳胶粒个数减小、粒径增大、分布变宽，影响乳液的质量。随滴加速度减慢，单体微液滴成为单体库的几率减小，微液滴成核几率增大，乳胶粒数目增加，粒径减小、分布变窄。但若滴加速度太慢，则在反应温度下，乳胶粒所需要的碰撞时间延长，聚合几率增多，粒径增大、分布逐渐变宽。并且会耽误工时，造成不必要的浪费。因此，在整个乳液合成过程中，温度应控制在80～90 ℃，引发剂过硫酸钾的用量要适量，传统单体和功能单体不可或缺，加料速度应均匀，不宜忽快忽慢，以免影响产品的性能[5-6]。
4 结语
通过对阳离子乳液合成工艺的探索，确定了最佳合成路线，试验结果说明：苯乙烯不适合作为阳离子乳液的单体使用，为了使乳液细腻均匀，甲酯和丁酯的量最好在13 g左右。乙酯作为单体时也会导致乳液不稳定，因此，合成阳离子乳液的最佳配方确定为：甲酯和丁酯分别为13 g，PVA 2 g，K2S2O8 0.25 g，MATAC 2.5 g，H2O 70 g。温度应控制在80～90 ℃，引发剂过硫酸钾的用量要适量，传统单体和功能单体缺一不可，加料速度应均匀，不宜忽快忽慢，以免影响产品的性能。按照此工艺要求，能够合成出适用于木器涂料的均匀、细腻且黏度适中的阳离子高聚物乳液。
