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前言
当今,水性胶粘剂逐步发展为胶粘剂中用途最广的一类。作为水性胶粘剂的一种,丙烯酸聚合物乳液可用于涂料、织物、印花浆、纸张、压敏胶、皮革等众多应用领域[1 ] 。具有核/ 壳结构的聚合物乳液是由性质不同的两种以上单体在一定条件下分阶段聚合而成的高分子乳液。它的乳液颗粒内侧和外侧分别富集不同的成分,赋于胶粘剂不同的功能[2 ] ,聚硅氧烷具有许多优异性能而被广泛应用于各个领域;而丙烯酸酯类聚合物也在聚合物乳液领域占有重要地位,将这两类化学结构不同,极性相差较大,反应性与相容性不同的物质。通过乳液聚合制得兼具二者优异性能的乳液,在理论研究和实际应用方面都具有重要的意义[3 ] 。
本文采用了预乳化法制备了具有核/ 壳结构的聚硅氧烷丙烯酸丁酯乳液。实验在前人研究工作的基础上,改变了配方、工艺流程,通过正交试验,探索出了最佳工艺参数;同时,通过对产品的粘结强度,粘度的测定分析,为水性胶粘剂的制备提供了一些有益的信息。
1 试剂和器材
1. 1 试剂:OP – 10 ,化学纯;十二烷基硫酸钠,化学纯;由二者配成混合乳化剂(D 乳) 。甲基丙烯酸甲酯(MMA) 、丙烯酸丁酯(BA) 、丙烯酸(AA) 、八甲基环四硅氧烷(D4 ) 均为工业品;HEA ,K2S2O8 均为分析纯。
1. 2 器材:四口烧瓶、电动搅拌机、调温电热套、天平、旋转粘度计(NDJ – 1 型) 、温度计、滴液漏斗、拉力计(ZS – FM83 – A1 型) 。
2 实验部分
2. 1 物料组合
A 组份:水(70g) ,OP – 10 (2. 6g) ,D 乳(30 % ,3.4g) ;
B 组份: MMA , BA , AA , D4 用量见表1 , HEA(4g) ;
C 组份:水(20g) ,焦磷酸钠(5 % ,8g) ;
D 组份:K2S2O8 (5 % ,2. 8g) ;
E 组份:水,K2S2O8 (8g) ;
本实验制备的胶粘剂固含量一定, 设为40.06 % ,这可通过调节E 组份中的水量来控制。
2. 2 实验方法
根据文献报道[1 ] ,结合具体实验操作条件,确定具体操作步骤为:
(1) 将A 组份加入反应瓶,高速搅拌下加入B组份,搅拌0. 5 小时,待预乳液不分层,倒出;
(2) 将C 组份稳定剂加入反应瓶中, 升温至85 ℃;
(3) 一次加入D 组份,重新升温至85 ℃;
(4) 同时滴加预乳液和E 组份,2. 5 小时左右匀速加完;
(5) 在85 ℃上搅拌保温1 小时;
(6) 降温至55 ℃时用氨水中和,使pH = 8～9 ;
(7) 温度降到50 ℃时过滤,得到产品。
整个聚合反应过程温度控制在85 ±2 ℃。
2. 3 正交试验
本实验采用正交试验设计法,研究了有机硅-丙烯酸丁酯乳液聚合反应的最佳工艺参数,在查阅了大量文献资料后,以及多次实验的基础上,设计了L9 (33) 正交表,即三因素三水平正交试验,详见表1和表2。
表1 因素水平表
注:因素B 中,MMM和BA 用量的总和固定为80 克。
利用拉力计测出胶粘剂的粘结强度即拉伸强度的数值,并利用正交表来分析各种单体及其用量对拉伸强度的影响。
从对极差的分析中可以看出,对本胶粘剂的粘结强度影响最大的是丙烯酸的用量,其次是硬、软单体MMA 和BA 的用量配比,再次是有机硅的用量。从粘结强度的数值来看,粘结强度数值最高的是第4 号实验,D4 用量为4 克,MMA 和BA 用量各为40克,AA4g 即最佳工艺条件为A2B1C2 。用同样的方法对胶粘剂的粘度进行极差分析,从分析中可知:AA 的用量对粘度的影响最大,其次是有机硅用量,再次是MMA 和BA 的配比。
3 结果与讨论
3. 1 丙烯酸用量对本胶粘剂粘结强度的影响
由正交表2 的分析结果可知:丙烯酸的用量对本胶粘剂的粘结强度的影响最为明显,即随着丙烯酸用量的增加,粘结强度呈上升的趋势,见图1。
图1 丙烯酸用量与粘结强度的关系图
3. 2 硬、软单体MMA 和BA 的配比对本胶粘剂粘结强度的影响
一系列实验结果表明,随着MMA 和BA 配比的递减,粘结强度呈下降趋势,见图2。
3. 3 pH 值对胶粘剂粘度的影响
在本实验中发现,pH 值对乳液粘度的影响非常明显;实验要求pH = 8～9 ,若pH 值大于或小于此值,乳液粘度就会显著增大或减少。
