聚合物乳液型抑塵劑的研制

梁文慶 李青國 宮敏

收稿日期：2013-07-22

作者簡介：梁文慶（1985-），男，碩士，研發工程師，主要從事化學抑塵、乳液聚合等產品的開發及應用工作。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，采用預乳化種子聚合法成功合成了性能優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。著重討論了引發劑、乳化劑以及功能單體用量等因素對于乳液性能的影響。當St﹕BA=45/50～50/45，引發劑過硫酸銨（APS）用量為單體質量6%，在適量乳化劑機AA提供交聯點的作用下，合成的固沙抑塵劑效果最好。

關鍵詞：抑塵劑；粉塵治理；乳液聚合

中圖分類號：TQ331.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2013）11-0065-03

粉塵污染是世界公害之一，許多人類活動都會產生粉塵污染，特別是采礦業。粉塵的防治相當困難且耗資巨大。人類對粉塵防治技術的研究一直不斷進行。化學抑塵劑自上世紀20年代發明以來，得到了廣泛的應用，為防治粉塵污染提供了新的手段[1]。

化學抑塵劑根據作用機理不同可分為潤濕劑、粘結劑和凝聚劑3類。單一功能抑塵劑的抑塵效果并不理想，復合型抑塵劑是今后發展的方向。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，采用預乳化種子聚合法成功合成了性能優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，形成具有一定強度和韌性的固化層，將各種粒徑的粉塵或物料粘結在一起，從而達到防止表面揚塵的目的。

1 實驗部分

1.1 原料

丙烯酸（AA），分析純，天津市河東區紅巖試劑廠；丙烯酸丁酯（BA），分析純，天津市福晨化學試劑廠；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，廣州化學試劑廠；復合乳化劑；氧化劑；還原劑。

1.2 乳液的制備

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

在裝有溫度計、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、部分預乳化液及少量的過硫酸銨引發劑溶液，加熱攪拌；當燒瓶內溫度達到80 ℃時，乳液出現淡藍色，待單體回流完畢，乳液顏色變為乳白色時，滴加剩余的預乳化液和引發劑溶液，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，用氨水調節體系的pH值至7～8，過濾，出料。

1.3 性能測試

（1）外觀：目測；

（2）pH值：pH計測定；

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

（4）黏度：用NDJ-1旋轉黏度計測定；

（5）抑塵劑抗風蝕試驗：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，表面形成一個完整的固結層，用吹風機以最大風速近距離連續吹風30 min后，稱量沙堆的質量，計算其質量損失率[3]。

2 結果與討論

2.1 單體的選擇與配方設計

聚合物乳液的玻璃化轉變溫度（Tg）是決定其性能的重要因素，Tg可以根據FOX公式進行計算。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，增強其內增塑性。此外，還應加入適量的丙烯酸為功能單體，賦予膠膜自交聯特性，調節聚合物乳液極性及提高膠膜的內聚力和耐溶劑性、耐水性等性能[4]。

2.2 引發劑用量對乳液性能的影響

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

2.3 乳化劑用量對乳液性能的影響

在乳液聚合中，乳化劑雖不直接參與反應，但其種類和濃度直接影響到引發速率和鏈增長速率，對聚合反應的速度、乳膠粒子的大小和聚合產物的相對分子質量都有影響。陰離子型乳化劑含有親水基團，非離子型乳化劑則以氫鍵來獲得水溶性，且其CMC值較低[5]。當把2種乳化劑混合使用時，可以得到粒徑小且穩定的聚合物乳液，同時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定性好。因此，選用十二烷基硫酸鈉和OP-10（質量比1∶2）為混合乳化劑。

復合乳化劑的用量對聚合物乳液的黏度、穩定性以及強度均有影響。隨著復合乳化劑用量的增加，穩定性提高，但用量過高或過低均會降低粘結強度。實驗發現，當乳化劑用量為3%左右（占單體總量的質量分數）時，乳液無結塊、呈乳白色并有藍光，穩定性很好。

2.4 功能單體用量對乳液性能的影響

苯乙烯和丙烯酸酯的共聚物是線性聚合物，為了提高內聚強度，可以采用內交聯或外交聯的方式。由于外交聯不穩定，所以一般采用加入功能性單體共聚的內交聯法。本實驗采用AA為交聯單體，其中的羧基可以與多種官能團發生交聯反應，從而顯著提高乳液的內聚強度、耐溶劑性能和耐水性能，同時也可調節乳液的黏度[6]。功能單體用量對乳液性能的影響見表3。由表3可知，當丙烯酸用量為5%時，所制備的乳液綜合性能較好。

3 結論

（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，聚合反應過程中出現的凝膠較少，乳液細膩穩定，且具有良好的成膜性，沙堆風蝕試驗中沙土損失率較少。

（2）當ω（引發劑）=0.6%時，所制備的乳液平均相對分子質量、乳膠粒數目及粒徑分布較為合適。

（3）當乳化劑用量為3%時，制備的乳液呈乳白色，且有明顯的藍光，性能較好。

（4）以AA作為功能單體可以提供交聯點，能很好地促進聚合，當ω（AA）=5%時，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，具有穩定性好、抑塵時效長、施工方便等優點，能夠滿足固沙抑塵的各項性能指標，且成本較低。

參考文獻

[1]吳超.化學抑塵劑新進展研究[J].中國安全生產科學技術，2005，10（5）：44.

[2]蓸同玉，劉慶普，胡金生.聚合物乳液合成原理、性能及應用[M].第2版.北京：化學工業出版社，2007.

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

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

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

[6]袁才登.乳液膠粘劑[M].北京：化學工業出版社，2004.