梁文慶 李青國(guó) 宮敏

收稿日期：2013-07-22

作者簡(jiǎn)介：梁文慶（1985-），男，碩士，研發(fā)工程師，主要從事化學(xué)抑塵、乳液聚合等產(chǎn)品的開發(fā)及應(yīng)用工作。E-mail：lwq0085@126.com。

摘要：以苯乙烯（St）、丙烯酸丁酯（BA）為主要原料，引入丙烯酸（AA）作為功能單體，采用預(yù)乳化種子聚合法成功合成了性能優(yōu)良的三元共聚苯丙乳液，以該乳液加入其他輔料，配制成固沙抑塵劑。著重討論了引發(fā)劑、乳化劑以及功能單體用量等因素對(duì)于乳液性能的影響。當(dāng)St﹕BA=45/50～50/45，引發(fā)劑過硫酸銨（APS）用量為單體質(zhì)量6%，在適量乳化劑機(jī)AA提供交聯(lián)點(diǎn)的作用下，合成的固沙抑塵劑效果最好。

關(guān)鍵詞：抑塵劑；粉塵治理；乳液聚合

中圖分類號(hào)：TQ331.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2013）11-0065-03

粉塵污染是世界公害之一，許多人類活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生粉塵污染，特別是采礦業(yè)。粉塵的防治相當(dāng)困難且耗資巨大。人類對(duì)粉塵防治技術(shù)的研究一直不斷進(jìn)行。化學(xué)抑塵劑自上世紀(jì)20年代發(fā)明以來(lái)，得到了廣泛的應(yīng)用，為防治粉塵污染提供了新的手段[1]。

化學(xué)抑塵劑根據(jù)作用機(jī)理不同可分為潤(rùn)濕劑、粘結(jié)劑和凝聚劑3類。單一功能抑塵劑的抑塵效果并不理想，復(fù)合型抑塵劑是今后發(fā)展的方向。以高分子聚合物作為抑塵劑是重要防塵方法之一，發(fā)展十分迅速[2]。

本文以苯乙烯（St）、丙烯酸丁酯（BA）為主要原料，以丙烯酸（AA）作為功能單體，采用預(yù)乳化種子聚合法成功合成了性能優(yōu)良的三元共聚苯丙乳液。在乳液中加入其他輔料，配制成聚合物乳液類抑塵劑。使用時(shí)將乳液按一定比例加水稀釋后，均勻噴灑在物體表面，形成具有一定強(qiáng)度和韌性的固化層，將各種粒徑的粉塵或物料粘結(jié)在一起，從而達(dá)到防止表面揚(yáng)塵的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

丙烯酸（AA），分析純，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠；丙烯酸丁酯（BA），分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；苯乙烯（St），分析純，上海山浦化工有限公司；過硫酸銨（APS），分析純，天津市北辰方正試劑廠；氨水，分析純，廣州化學(xué)試劑廠；復(fù)合乳化劑；氧化劑；還原劑。

1.2 乳液的制備

在預(yù)乳化瓶中加入苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸等單體、復(fù)合乳化劑及去離子水，攪拌40 min，得到乳白色預(yù)乳化液，備用。

在裝有溫度計(jì)、攪拌器、回流冷凝管及恒壓滴液漏斗的三口燒瓶中，加入一定量的去離子水、部分預(yù)乳化液及少量的過硫酸銨引發(fā)劑溶液，加熱攪拌；當(dāng)燒瓶?jī)?nèi)溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，乳液出現(xiàn)淡藍(lán)色，待單體回流完畢，乳液顏色變?yōu)槿榘咨珪r(shí)，滴加剩余的預(yù)乳化液和引發(fā)劑溶液，控制2.5～3 h滴完。然后在82 ℃保溫1 h，降溫至60 ℃，加入氧化劑、還原劑，保溫0.5 h，降至常溫，用氨水調(diào)節(jié)體系的pH值至7～8，過濾，出料。

1.3 性能測(cè)試

（1）外觀：目測(cè)；

（2）pH值：pH計(jì)測(cè)定；

（3） 固含量：稱取一定量的乳液，放入105 ℃的烘箱內(nèi)恒溫2 h，再稱量，與原乳液質(zhì)量比求出乳液的固含量；

（4）黏度：用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定；

（5）抑塵劑抗風(fēng)蝕試驗(yàn)：在沙堆表面以2 L/m2的噴灑量均勻噴灑抑塵劑，室溫下自然干燥，24 h后，表面形成一個(gè)完整的固結(jié)層，用吹風(fēng)機(jī)以最大風(fēng)速近距離連續(xù)吹風(fēng)30 min后，稱量沙堆的質(zhì)量，計(jì)算其質(zhì)量損失率[3]。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體的選擇與配方設(shè)計(jì)

聚合物乳液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是決定其性能的重要因素，Tg可以根據(jù)FOX公式進(jìn)行計(jì)算。苯乙烯均聚物的Tg為100 ℃，室溫下不能形成完整的薄膜，沙堆表層有明顯的裂痕。丙烯酸丁酯的Tg為-54 ℃，加入丙烯酸丁酯可降低共聚物的最低成膜溫度，增強(qiáng)其內(nèi)增塑性。此外，還應(yīng)加入適量的丙烯酸為功能單體，賦予膠膜自交聯(lián)特性，調(diào)節(jié)聚合物乳液極性及提高膠膜的內(nèi)聚力和耐溶劑性、耐水性等性能[4]。

2.2 引發(fā)劑用量對(duì)乳液性能的影響

乳液聚合引發(fā)劑選用的是過硫酸銨（APS）。引發(fā)劑的用量直接影響乳液的性質(zhì)，用量過多，會(huì)降低聚合物的分子質(zhì)量及乳液的穩(wěn)定性，乳液的粘結(jié)力低；而用量太少時(shí)，反應(yīng)速率及單體轉(zhuǎn)化率低，聚合物的分子質(zhì)量就會(huì)很大。在其他條件不變的情況下，改變引發(fā)劑的用量對(duì)乳液性能的影響如表1所示。由表1可見，引發(fā)劑量為單體質(zhì)量的0.6%時(shí)，所制備的乳液性能較好。

2.3 乳化劑用量對(duì)乳液性能的影響

在乳液聚合中，乳化劑雖不直接參與反應(yīng)，但其種類和濃度直接影響到引發(fā)速率和鏈增長(zhǎng)速率，對(duì)聚合反應(yīng)的速度、乳膠粒子的大小和聚合產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量都有影響。陰離子型乳化劑含有親水基團(tuán)，非離子型乳化劑則以氫鍵來(lái)獲得水溶性，且其CMC值較低[5]。當(dāng)把2種乳化劑混合使用時(shí)，可以得到粒徑小且穩(wěn)定的聚合物乳液，同時(shí)可改善膠膜的透明性。陰離子乳化劑用量較少，非離子型乳化劑用量較大制得的乳液穩(wěn)定性好。因此，選用十二烷基硫酸鈉和OP-10（質(zhì)量比1∶2）為混合乳化劑。

復(fù)合乳化劑的用量對(duì)聚合物乳液的黏度、穩(wěn)定性以及強(qiáng)度均有影響。隨著復(fù)合乳化劑用量的增加，穩(wěn)定性提高，但用量過高或過低均會(huì)降低粘結(jié)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乳化劑用量為3%左右（占單體總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，乳液無(wú)結(jié)塊、呈乳白色并有藍(lán)光，穩(wěn)定性很好。

2.4 功能單體用量對(duì)乳液性能的影響

苯乙烯和丙烯酸酯的共聚物是線性聚合物，為了提高內(nèi)聚強(qiáng)度，可以采用內(nèi)交聯(lián)或外交聯(lián)的方式。由于外交聯(lián)不穩(wěn)定，所以一般采用加入功能性單體共聚的內(nèi)交聯(lián)法。本實(shí)驗(yàn)采用AA為交聯(lián)單體，其中的羧基可以與多種官能團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而顯著提高乳液的內(nèi)聚強(qiáng)度、耐溶劑性能和耐水性能，同時(shí)也可調(diào)節(jié)乳液的黏度[6]。功能單體用量對(duì)乳液性能的影響見表3。由表3可知，當(dāng)丙烯酸用量為5%時(shí)，所制備的乳液綜合性能較好。

3 結(jié)論

（1）選用丙烯酸丁酯為軟單體，苯乙烯為硬單體，丙烯酸為功能單體，軟硬單體配比為45/50～50/45時(shí)，聚合反應(yīng)過程中出現(xiàn)的凝膠較少，乳液細(xì)膩穩(wěn)定，且具有良好的成膜性，沙堆風(fēng)蝕試驗(yàn)中沙土損失率較少。

（2）當(dāng)ω（引發(fā)劑）=0.6%時(shí)，所制備的乳液平均相對(duì)分子質(zhì)量、乳膠粒數(shù)目及粒徑分布較為合適。

（3）當(dāng)乳化劑用量為3%時(shí)，制備的乳液呈乳白色，且有明顯的藍(lán)光，性能較好。

（4）以AA作為功能單體可以提供交聯(lián)點(diǎn)，能很好地促進(jìn)聚合，當(dāng)ω（AA）=5%時(shí)，乳液的綜合性能較好。

（5）以合成的聚合物乳液作為固沙抑塵劑，具有穩(wěn)定性好、抑塵時(shí)效長(zhǎng)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足固沙抑塵的各項(xiàng)性能指標(biāo)，且成本較低。

參考文獻(xiàn)

[1]吳超.化學(xué)抑塵劑新進(jìn)展研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2005，10（5）：44.

[2]蓸同玉，劉慶普，胡金生.聚合物乳液合成原理、性能及應(yīng)用[M].第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]梁新景.AVC-MMA-BA三元共聚物固沙抑塵劑的合成與應(yīng)用研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.05

[4]梁文慶，唐宏科，胡應(yīng)燕.乳液型紙塑復(fù)合膠粘劑的研制[J].粘接，2010，31（11）：53-55

[5]梁文慶，唐宏科，孫夏.乳液型紙塑復(fù)膜膠的研制[J].中國(guó)膠粘劑，2009，18（11）：31-34.

[6]袁才登.乳液膠粘劑[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.