苯丙乳液的合成和内墙乳胶漆的制备

应用化学专业项目实训报告苯丙乳液的合成和内墙乳胶漆的制备1一、实训目的1)掌握乳液聚合的基本操作，制备苯丙乳液；2)学习水溶性涂料的基本知识，掌握设计涂料配方的方法；3)掌握内墙乳胶漆的制备方法和生产工艺流程；4)掌握内墙乳胶漆性能检测方法。二、实训原理1.苯丙乳液的合成树脂以微细粒子团（0.1~2.0微米）的形式分散在水中形成的乳液称为乳胶。乳胶可分为分散乳胶和聚合乳胶两种。而在乳化剂存在下靠机械的强力搅拌使树脂分散在水中而制成的乳液称为分散乳胶。由乙烯基类单体按乳液聚合工艺制得的乳胶称为聚合乳胶，用于制取水性涂料的聚合乳胶主要有醋酸乙烯乳胶、丙烯酸酯乳胶、苯丙乳胶以及醋酸乙烯和丙烯酸单体共聚的乙丙乳胶。乳液聚合是以水为连续相（分散剂），在表面活性剂（乳化剂）存在下，使聚合反应发生在由乳化剂形成的乳胶粒内部（即表面活性剂形成的胶束作为微反应器)，制备高分子材料的一种方法。目前，因为在世界范围内采用乳液聚合法制备大量的、各种类型的乳液聚合物和聚合物乳液产品，因此乳液聚合被广泛应用于各个技术领域，成为不可缺少的材料或工作物质。特别是人们环境保护意识的加强，乳液聚合技术己成为制各“环境友好材料”的主要方法。在工业生产中有多种用途：（1）用乳液聚合法可大量生产合成橡胶如丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯酸酯橡胶等。（2）用乳液聚合法生产合成塑料、合成树脂。如聚氯乙烯树脂、ABS树脂、聚四氯乙烯树脂、聚内烯酸树脂等。（3）用乳液聚合生产各种用途的聚合物乳液，如各种粘合剂（聚醋酸乙烯脂乳液一白胶等）、涂料（如建筑涂料、金属涂料、木制器涂装涂料等）。乳液聚合技术较本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合相比较，有许多重要特点、优点，既可制备高分子量的聚合物，又有高的聚合反应速率。反应体系易散热，有利于聚合反应的控制。生产设备和工艺简单，操作方便，灵活性大，代表了环境保护技术的发展方向，很多场合下，聚合物乳液可直接利用。因此，近年来乳2液聚合技术发展很快，特别是在聚合技术上派生、发展了多种新技术、新方法。乳液聚合体系主要有四大组分：单体、分散介层（水）、乳化剂、引发剂，其次还有用了pH调节并改善乳液流动性的电解层，pH调节用的中和剂等。依据反应单体与反应性质，来选用不同的乳化剂。乳化剂是决定乳液稳定性的最主要因素，对反应速率、乳液粘度、胶粒尺寸等也有很主要的作用。乳化剂的选择除单体要求的种类外，一般以体系要求的HLB值决定其配比和用量，而且多以非离子型与离子型乳化剂复配，常用的乳化剂如下：用于乳液聚合的引发剂主要是以过氧化氢为母体的衍生物，如过硫酸铵(NH4)2S208、过硫酸钾K2S208、有机过氧化氢，对某些体系，还可采用其他热分解引发剂如芳基偶氮氨基化合物等。经典的乳液聚合物工艺的定性理论（用以描述乳液聚合体系中各种物料所处的状态及它们之间的相互影响、相互作用和相互转化规律）将乳液聚合过程分为四个阶段：分散阶段：乳化剂在分散相（水）中形成胶束：加入部分单体后，在搅拌作用下，部分形成单体珠滴、部分增溶在乳化剂形成的胶束中或溶解在水相中。乳化剂、单体化水相、单体珠滴和胶束之间建立动态平衡。阶段I（成核阶段）：水溶性引发剂加入到体系中后，在反应温度下引发剂在水相中开始分解出初始自由基，或扩散到胶束中或在水相引发聚合，或扩散到单体珠滴中。无论那种情况都可引发单体聚合形成乳胶粒。在阶段I乳化剂有四个去处，即形成胶束、吸附在乳胶粒表面上、吸附在单体珠滴表面上及溶解在水中。单体也有四个去向，即形成单体珠滴、分布在乳胶粒中、分布在增溶胶束中，或溶解在水中，此时乳化剂和单体在水相、单体珠滴、乳胶粒和胶束之间建立动态平衡，直到胶束耗尽后，标志阶段I结束。阶段II（胶粒长大阶段）：聚合反应发生在乳胶粒中，逐渐加入的单体形成单体珠滴，单体山单体珠滴通过水相扩散到乳胶粒中，在其中进行聚合反应，使乳胶粒长大，此时，乳化剂和导体在乳胶粒、水相和单体珠滴间建立动态平衡。单体珠滴消失，标志阶段II结束。阶段III（反应完成阶段）：在该阶段，胶束和单体珠滴都不见了。绝大多数未反应的单体集中在乳胶粒内部，只有极少数的单体溶解在水相中，单体和乳化剂在水相和乳胶粒之间建立动态平衡。水相中的引发剂分解出自由基，扩散到乳胶粒中，在乳胶粒中引发聚合，使乳胶粒中的单体逐渐降低。使单体转化率达到最大至反3应结束。正是乳胶聚合的定性理论决定了聚合反应反应严格的操作步骤。因此操作步骤往往是聚合物乳液性能好与坏的重要因素之一。详细的原理与技术参阅乳液聚合的有关专著和文献资料。2.内墙乳胶的制备要把乳胶进一步加工成涂料，必须使用颜料和助剂。以下是常用的助剂及其功用。1)分散剂（相润湿剂）：这类助剂能吸附在颜料粒子的表面，使水能充分润湿颜料并向其内部孔隙渗透，使颜料能研磨分散于水相乳胶中，分散了的颜料微粒又不能聚集和絮凝。2)增稠剂：能增加添作料的粘度，起到保护胶体和阻止颜料聚焦、沉降的作用。3)防霉剂：加有增稠剂的乳胶漆，一般容易在潮湿的环境中长霉，故常在乳胶涂料中加入防霉剂。4)增塑剂和成膜助剂：涂覆后的乳胶漆在溶剂挥发后，余下的分散粒子须经过接触合并，才能形成连续均匀的树脂膜。5)消泡剂：涂料中存在泡沫时，在干燥的漆膜中形成许多针孔，消泡剂的作用就是去除这些泡沫。6)防锈剂：用于防止包装铁罐生锈腐蚀和钢铁表面在涂刷过程中产生锈炙的浮锈现象。三、主要仪器与设备机械搅拌器1套，蛇冷凝管1个，500ml四口烧瓶1个、250ml滴液漏斗一个，恒温水浴锅1套，温度计1支，固定夹若干。苯丙乳液合成：丙烯酸、丙烯酯丁酯、甲基丙烯酸甲酯、过硫酸铵、十二烷基硫酸钠(SDS)、烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）、碳酸氢钠、去离子水、氨水。内墙乳胶漆制备：邻苯二甲酸二丁酯、去离子水、六偏磷酸钠、丙二醇、碳酸钙、滑石粉、磷酸三丁酯、羧甲基纤维素、钛白粉、羟甲基纤维素。性能测试：去离子水、乙醇、丙酮、广泛pH试纸、NDJ-79型旋转粘度计、烘箱、FT-IR。四、实验配方41.苯丙乳液合成1）设计单体总质量为100g，合成配方见表1所示。表1苯丙乳液合成配方名称质量分数a/%名称质量分数a/%苯乙烯20过硫酸铵0.4丙烯酸丁酯50十二烷基硫酸钠1.0丙烯酸2烷基酚聚氧乙烯醚2.0甲基丙烯酸甲酯28水100NaHCO30.3注：a：占单体总量的百分数。2）工艺流程如下：a)在250ml的烧杯中，加入碳酸氢钠、十二烷基硫酸钠和OP-10，然后加入60g的去离子水，用玻棒搅拌溶解，然后倒入四口烧瓶，开启电动搅拌，水浴加热至80-82℃。b)取0.1g的过硫酸铵加入10g的去离子水，用玻棒搅拌溶解，然后加入到四口烧瓶中，待体系重新升温到80-82℃，开始滴加种子单体（10g）。c)将单体首先在一个250ml的烧杯中混合，然后用滴管取出10g，用恒压漏斗10min滴加到四口烧瓶中去。滴加到5min左右的时候，体系就会出现蓝光，表明乳液聚合反应开始启动。滴加完毕后，保温20min。注意，滴加过程，保证四口烧瓶内的温度在80-+82℃的范围。d)剩余的90g单体和引发剂（0.3g过硫酸铵加入30g去离子水溶解）水溶液分两个恒压漏斗滴加，在2h内滴加完毕。要求在滴加过程尽量保证均匀，同时，聚合过程保持反应温度在80-82℃。e)单体和引发剂溶液滴加完毕后继续搅拌，在80-82℃下保温反应0.5小时，然后升温到85℃再保温反应0.5小时。f)撤除恒温浴槽，继续搅拌冷却至50℃，然后用氨水调节乳液的pH值为7.0~8.0。g)出料，用塑料瓶保存。2.苯丙内墙乳胶漆的制备51）内墙乳胶漆的配方见表2所示。表2内墙乳胶漆的配方名称质量/g名称质量/g苯丙乳液（50%）120钛白粉54去离子水67.5滑石粉24六篇磷酸钠（10%）0.75碳酸钙18羟乙基纤维素0.15磷酸三丁酯0.6丙二醇7.5防腐剂注：配漆总质量为293g2）具体工艺流程如下：把67.5g离子水、0.75g质量分数10％六偏磷酸钠水溶液、0.15g羟乙基纤维素以及7.5g丙二醇加入金属杯中，开动高速均质搅拌机（转速控制为1000rpm）。混合均匀后后将转速调至500rpm，逐渐加入54g钛白粉、24g滑石粉和18g碳酸钙，继续搅拌0.5h。将转速调至700rmp，加入0.6g磷酸三丁酯，然后继续搅拌10min。在搅拌下加入80g苯丙乳液，直至搅匀为止，即得白色涂料。若再加入少量彩色颜料浆，可得彩色涂料。五、产品性能表征方法及结果1.苯丙乳液合成1）外观取30g乳液倒入50Ml的烧杯中，用玻璃棒提起乳液，约距烧杯中20cm处观察乳液的流动性能及其色泽，乳液流线是否均匀一致，是否含有异物，颗粒是否均匀。2）粘度在室温下（25士0.5℃）采用涂-4杯测量乳液黏度，单位为s。3）固含量根据失重法测量乳液的固体含量：将一个干净的表面皿用乙醇和去离子水冲洗干净后在50℃干燥至恒重，记此恒后果质量为m1，用胶头滴管滴加约2g的乳液在表面皿上面，记下此时乳液质量为m2，然后置于烘箱，120℃下干燥至恒重（约1h)，记下表面皿和干膜总质量为m3，由此乳液的固含量计算公式为：6固含量=𝑚3−𝑚1𝑚2×100%乳液或涂膜的综合性能列于表3所示。表3乳液或涂膜综合性能名称性能指标乳液外观带蓝光并稍有粘度的乳白色液体黏度/cpors固含量/%2.苯丙内墙乳胶漆1）施工性用刷子在试板平滑面上刷涂试样，涂布量为湿膜厚约10um，使试板的长边呈水平方向，短边与水平面成约85°角竖放。放置6h后再用同样方法涂刷第二道试样，在第二道涂刷时，刷子运行无困难，则可视为“刷涂二道无障碍”。2）涂膜外观将1）试验结束后的试板放置24h。目视观察涂膜，若无针孔和流挂，涂膜均匀，则认为“正常”。苯丙内墙乳胶漆综合性能列于表4所示。表4苯丙内墙乳胶漆综合性能名称性能指标施工性刷涂二道无障碍涂膜外观正常六、心得体会七、实验记录（将原始记录附后面）