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1、第2 9 卷第6 期 2 0 0 8 年6 月 纺织学报 J o u m a Io fT 钒t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 6 J u n 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 “2 0 0 8 ) 0 6 一0 0 6 0 0 4 新型聚丙烯酸浆料黏度和黏附性影响因素 韩世洪1 ，吴秋兰1 ，张 飞2 ( 1 武汉科技学院纺织与材料学院，湖北武汉4 3 0 0 7 3 ；2 武汉东美纺织新材料有限公司，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要为满足在纺织上浆中对浆液黏度热稳定性和黏附力的要求，选用丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙 烯
2、酸乙酯和丙烯酸丁酯为原料，十二烷基硫酸钠( s D s ) 和O P - l O 为复合乳化剂，过硫酸铵( A P s ) 为引发剂，采用乳液 聚合法制备了一种新型聚丙烯酸类浆料。讨论乳化剂、引发剂、反应温度、反应时间以及搅拌转速对浆液黏度和黏 附性能的影响。得到制备的最佳工艺条件：乳化剂质量分数为3 ，引发剂质量分数为O 9 ，反应温度为8 5 ，反 应时间为3h ，搅拌转速为1 4 0 “m i n 。 关键词浆料；聚丙烯酸；乳液聚合；黏度；黏附力 中图分类号：码1 0 3 8 4 6文献标识码：A F a c t o r sa 舭c t i n gt h e “s c o s i t y
3、a n da d h e s i o no fan e wp o l y a c r y l i ca c i ds i z e H A NS h i h o n 9 1 ，W UQ i u l a n l ，Z H A N GF b i 2 t 、C 龇g e 霹T 瞄t 讹M 毗r 试。W u h nU 晌1 e r s 泌西S c i e n c e 口n dE H 薛e 西粥。W u h 帆H 曲e t蝴3 。c h i m ； 2 阢眈nD o ，l g m 西D 砌如肘眦出Zc o ，删，舷觑n ，鼽城 4 3 0 0 7 4 ，饥i 舱) A b s t 腿c tT bs a t
4、 i s f yt h er e q u i r e m e n t so nt h e 咖a ls t a b i l i t ya I l da d h e s i o ni nt e x t i l es i z i n g ，an e wp o l y a c r y l i c a c i dw a sp r e p a r e d b ye m u l s i o np o l y m e r i z a t i o nu s i n ga c r y l i ca c i d ， a c r y l a m i d e ，m e t h y lm e t h a c r ) ，l
5、 a t e ，e t h y l a c r y l a t ea n db u t y la c r y l a t ea sm o n o m e r ，1 2 a l k y ls o d i u ms u l f a t e ( S D S ) a n dO P l Oa sc o m p l e xe m u l s i 6 e ra n d a m m o n i u mp e r s u l f 乱e( A f ，s )舾i n i t i a t o r E f 伯c t so fd o s a g eo f t h ei n i t i a t o r 粕de m u l
6、s m e r ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e ， t i m ea n ds t i r r i n gv e l o c i t yo nv i s c o s i t ya n da d h e s i o n “t h es i z ew e r ed i s e u s s e d T h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h eb e s tp m c e s sc o n d i t i o n so fp r e p a r a t i o na r ed o s a g eo ft h
7、ei n i t i a t o ra n de m u l s i f i e ro f3 a I l d 0 9 r e s p e c t i v e l y ，a t8 0 f o r3h ，a n ds t i 而n gv e l o e i t yo f1 4 0 彩m i n K e yw o r 凼s i z e ；p o l y a c r y l i ca c i d ；e m u l s i o np o l y m e r i 龃t i o n ；V i s c o s i t y ；a d h e s i o n 目前主要采用的纺织浆料主要是淀粉、P v A 和 聚丙
8、烯酸3 大类。聚丙烯酸浆料黏度较低，流动性 好，对合成纤维有良好的黏附性，且具有广泛的可变 性，是一类性能可调余地很大的浆料。通过对聚合 单体种类及其配比的改变，以及对聚合、加料方式的 选择等，可得到不同性能的聚丙烯酸浆料，浆膜性 能也可以从脆硬变化到柔软- 。同时，聚丙烯酸酯 浆料的配伍性好，能与淀粉、P v A 浆料很好地混 用b 1 ，适用于各类纤维的经纱上浆。再加上它有一 定的水溶性，易生物降解，污染程度低，因而近年来 得到了较快的发展H J 。 本文采用丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、 丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯为单体，十二烷基硫酸钠 ( s D S ) 和0 P 1 0 为复合乳化剂
9、，过硫酸铵( A P s ) 为引 发剂，N a H C O ，为缓冲剂，采用乳液聚合法制得聚丙 烯酸浆料b 7 ，分别通过乳化剂、引发剂、反应温度、 反应时间以及搅拌转速等因素对聚丙烯酸乳液黏度 和黏附性能随1 进行研究，得出制备聚丙烯酸乳液浆 料的适宜条件。 1实验部分 1 1 材料 过硫酸铵( A P s ) ( 分析纯) ，天津市福晨化学试 剂厂；N a H C 0 3 ( 分析纯) ，天津市东丽区泰兰德化学 收稿日期：2 0 c r 7 一l O 一2 5修回日期：2 0 0 8 一O l 一0 8 作者简介：韩世洪( 1 9 5 6 一) 。男，副教授。研究方向为新型纺织浆料与浆纱
10、技术。E 咖i l ：h 8 1 1 5 6 1 2 6 c 哪。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期韩世洪等：新型聚丙烯酸浆料黏度和黏附性影响因素 6 l 试剂厂；丙烯酸( A A ) ( 分析纯) ，天津市泰兴试剂厂； 丙烯酰胺( A M ) ( 分析纯) ，天津化学试剂研究所；甲 基丙烯酸甲酯( M M A ) ( 分析纯) ，上海试一化学试剂 有限公司；丙烯酸乙酯( E A ) ( 分析纯) ，天津市博迪 化工有限公司；丙烯酸丁酯(
11、B A ) ( 分析纯) ，天津市 东丽区天大化学试剂厂；正十二硫醇( 分析纯) ，成都 科龙化工试剂厂；十二烷基硫酸钠( S D S ) ；0 P 1 0 ( 工 业级) ，美国陶氏。 1 2制备工艺 在装有冷凝管、温度计、搅拌器及滴液漏斗的四 口瓶中加入定量水和一部分O P 1 0 与S D S 组成的复 合乳化剂，搅拌溶解均匀，升温至8 0 8 5 ，滴加己 乳化好的丙烯酸类单体与热分解型引发剂过硫酸铵 的混合液，控制滴加速度且不使温度过高，滴完后恒 温8 5 继续反应3h ；降温至4 0 ，加N a H c 0 3 溶液 中和至p H 值为7 ，得到乳白色聚丙烯酸浆料。 2 结果与讨论
12、 2 1 共聚单体的选择 每种单体都有其独特的功能，如丙烯腈、甲基丙 烯酸、甲基丙烯酰胺等的极性基团可赋予聚合物以 硬度、黏接强度、抗划痕性、耐溶剂性和耐油性，采用 这些单体可以提高聚合物的玻璃化温度，减少吸湿 再黏性，还能增加对纱线的黏着力，减少浆纱毛羽。 又如丙烯酸、甲基丙烯酸、顺丁烯二酸可使聚合物分 子链上接上羧基，提高乳液的稳定性，并提供了交联 点对线型聚合物进行交联，以形成网络结构的聚合 物，赋予聚合物以硬度、抗张强度、耐磨性、耐溶剂 性、耐水性及聚合物与基质之间的黏结强度。本文 在大量实验的基础上选择丙烯酸( A A ) 、丙烯酰胺 ( A M ) 、甲基丙烯酸甲酯( M M A
13、) 、丙烯酸乙酯( E A ) 和 丙烯酸丁酯( B A ) 5 种单体进行乳液聚合。 2 2 实验条件对浆液黏度和黏附性的影响 根据纺织上浆对黏度稳定的要求，应选择使聚 丙烯酸浆料黏度热稳定性好的聚合工艺。用粗纱浸 浆法测试浆液的黏附性，采用涤棉( 6 5 3 5 ) 粗纱。 2 2 1 乳化剂的影响 固定引发剂质量分数为O 9 ( 相对反应单体) ， 反应温度为8 5 ，反应时间为3h ，考察乳化剂对浆 液黏度和黏附力的影响，其质量分数分别取1 0 、 1 5 、2 0 、2 5 、3 O 、3 5 ，如图1 所示。 由图l ( a ) 看出，随着乳化剂的增加，浆液的黏 言 青 山 ￥ 趟
14、 勰 8 2 善 7 8 主7 4 姆 7 0 6 6 乳化荆质量分数， ( a ) 乳化剂用量对黏度的影响 乳化剂质量分数 t b ) 乳化剂用量对黏附力的影响 图l 乳化剂用量对黏度和黏附力的影响 F i g 1 E & c t so fe m u l s i 6 e rd o s a g eo nt h e v i 蛔( a ) a n da d h e s i o n ( b ) 度不断升高，然后趋于稳定。产生这种结果的原因 是乳化剂用量的增加使得反应初期胶束数目增多， 依照胶束成核机制生成的乳胶粒数目也增多。自由 基的生成速率一定，乳胶粒数目越多，自由基在乳胶 粒中的平均寿命就越长，
15、所以自由基就有充分的时 间进行链增长反应，生成的聚合物就有较高的分子 质量。从聚合物构象来看，相对分子质量越大，在相 同温度下，能旋转的链段数越多，向各个方向运动、 相互抵消的机会就越多，因而大分子链重心的相对 移动越难，即反映出浆液黏度越高。所以在增加乳 化剂用量，提高反应体系稳定性的同时，浆液黏度也 增大，故乳化剂用量要适中。 在乳化剂的质量分数小于3 时，浆液中有凝 聚物，浆液不稳定，并且由图1 ( b ) 可以看出，其黏附 力也不高。而乳化剂质量分数大于3 时，浆液的 黏附力随着乳化剂的增加呈下降趋势，这是因为在 合成浆液中存在乳化剂，上浆时在纤维和浆液之间 形成阻隔，造成浆液黏附力下
16、降而影响上浆效果。 此外，乳化剂对纤维有润滑作用使其更易滑脱，并且 乳化剂会降低浆膜自身的强力。综合考虑，乳化剂 质量分数为3 较为合适。 2 2 2 引发剂的影响 固定乳化剂质量分数为3 ，反应温度为8 5 ， 反应时间为3h 时，引发剂质量分数分别取O 1 、 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 6 2 纺织学报第2 9 卷 0 3 、0 6 、0 9 、1 5 ，对聚丙烯酸浆料黏度和 黏附力进行测试，结果见图2 。 冒 芒 E 魁 勰 笔 R 莲
17、 梅 引发剂质量分数 ( 曩) 引发剂用量对黏度的影响 引发刑质量分藏 ( b ) 引发剂用量对黏附力的影响 图2 引发剂用量对黏度和黏附力的影响 F i g 2 E 饪毫c t so fd o B a g eo fi n i t i a t o ro n 山ev i s c o s i t y ( a ) a n da d h e s i o n ( b ) 由图2 ( a ) 可知，随着引发剂用量的增加，浆液 黏度呈下降趋势。原因是在其他条件不变的情况 下，引发剂增加，体系中自由基浓度增大，使得链终 止速率增大，聚合物平均分子质量降低，浆液黏度下 降。但当用量大于0 9 时，黏度不再下降且
18、趋于 稳定。 从图2 ( b ) 可看出，当引发剂的质量分数小于 O 3 时，浆液对涤棉混纺纱的黏附力随着引发剂 质量分数的增加而有所下降。因为引发剂较少时， 聚合物分子质量分布较宽，粒径大小不一，较大的分 子使得浆液黏度大，而较小的分子又使内聚力减小， 从而黏附力下降。当引发剂质量分数为0 3 时， 黏附力最小。当引发剂用量大于O 3 时，聚合物 分子质量分布逐渐变窄，粒径大小趋向一致，内聚力 也随之逐渐增大，浆液对涤棉的黏附力随引发剂质 量分数的增加而增大，达到0 9 时，黏附力不再增 加，且曲线趋于平坦。 综合考虑引发剂对浆液黏度和黏附力的影响， 引发剂质量分数应为0 9 。 2 2 3
19、 反应温度的影响 固定乳化剂质量分数为3 、引发剂为O 9 ， 反应时间为3h ，分别研究考察反应温度( 6 5 、7 0 、7 5 、 8 0 、8 5 、9 0 ) 对制得的聚丙烯酸浆料黏度和黏附力 的影响，结果见图3 。 冒 受 E 鼍 魁 嘏 善 R 篮 勰 反应温度 ( 1 ) 反应温度对黏度的影响 反压温度 ( b ) 反应温度对黏附力的影响 图3 反应温度对黏度和黏附力的影响 F i g 3 E 虢c t so fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h ev i 8 c 酊( a ) a n da d h e s i o n ( b
20、) 丙烯酸类物质聚合反应的温度一般控制在 6 0 9 0 ，具体温度取决于引发剂的类型。氧化还 原引发剂引发反应，体系温度一般较低；热分解型引 发剂需要反应体系温度高一些。反应体系开始须进 行加热，反应开始后。聚合反应放热，可维持反应体 系在一定温度，外界供热可减少；聚合接近终点，单 体减少，这时把体系温度稍升高些可促使反应完全。 因为反应温度太低时，单体很难发生聚合反应；温度 太高，反应剧烈，有沉淀产生，且温度过高容易产生 降解或支化等副反应，从而影响浆液的上浆性能。 如图3 ( a ) 所示，对以过硫酸铵热分解引发剂型 浆料反应体系，乳液黏度随着反应温度的升高而逐 渐减小；反应温度在8 0
21、 9 0 时，黏度变化很小，所 以，较为合适的反应温度为8 5 。 由图3 ( b ) 可知，当反应温度逐渐升高，对涤棉 纤维的黏附力逐渐减小。这是因为随着反应温度的 升高，聚合物的平均分子质量降低，浆料本身的内聚 力下降，黏附力也随之下降。在反应温度大于8 5 时，黏附力不再随温度的升高继续减小，而趋于 平缓。 2 2 4 反应时间的影响 固定乳化剂质量分数为3 、反应温度为8 5 、 引发剂质量分数为0 9 ，分别研究反应时间( 0 5 、 1 O 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0h ) 对浆液黏度和黏附力的影 跖舳“加：2“如 万方数据 PDF Watermark Remover
22、DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期韩世洪等：新型聚丙烯酸浆料黏度和黏附性影响因素 + 6 3 响，结果见图4 。 反应时问7 h ( 曩) 反应时问对黏度的影响 反应时间，h ( b ) 反应时问对黏附力的影响 图4 反应时间对黏度和黏附力的影响 F i g 4 E 饪毡c t so fr e a c t i o nt i m eo nl h ev i s c o s i t y ( a ) a n da d h e s i o n ( b ) 由图4 ( a ) 可知，随着反应时间的延长，浆液
23、黏 度呈上升趋势，并最终趋于平稳。反应初期，乳胶粒 中的链增长反应没有充分进行，导致聚合物的平均 分子量较低，其溶液黏度也较低。增加反应时间，链 增长更充分，聚合物的分子质量分布较窄，黏度大 小趋于稳定。对于乳液聚合反应来说，当反应进行 一段时间后，聚合物的平均分子质量就不随反应时 间而发生变化，因此浆液黏度呈现平稳趋势。 由图4 ( b ) 可知，随着反应时间的延长，对涤棉 纤维的黏附力逐渐增大，并最终趋于稳定。在其他 条件不变的情况下，反应进行2h 前，聚合物的平均 分子质量较低，浆料的内聚力也较小，因此黏附力较 低。随着反应时间的增加，聚合物的平均分子质量 也增大，浆料内聚力提高，黏附力
24、增加。当反应进行 3h 后，体系中链增长反应结束，聚合物的平均分子 质量趋于恒定，浆料的内聚力也基本不变，故浆液对 涤棉纤维的黏附力也趋于稳定。 2 2 ，5 搅拌转速的影响 固定乳化剂质量分数为3 ，引发剂质量分数 为0 9 ，反应温度为8 5 ，反应时间为3h 时，研究 搅拌转速( 8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 、1 6 0 、2 0 0r I n i n ) 对聚丙烯 酸浆料黏度的影响，结果见图5 。 机械搅拌转速过快会产生副作用，使乳液胶粒 获得足够的机械能以克服粒子间由于乳化剂保护而 图5 搅拌转腰对黏度的影响 F i g 5 E H b c t so fs t
25、i r r i n gV e l o c i t yo n 血ev i s c o s i t y 获得的排斥势能发生凝结。乳液聚合搅拌转速一般 在6 0 。3 0 0r n l i n ，研究发现搅拌转速太快，液流翻腾 剧烈，不利于聚合反应；搅拌转速太慢，不利于单体 分散。 由图5 可知：搅拌转速小于1 4 0r m i n 时，黏度较 高且不稳定；搅拌转速大于1 4 0 “m i n 时，对黏度的影 响不大，但容易引起乳液破乳。因此，搅拌转速以 1 4 0r m i n 较为合适。 3结论 通过大量的实验，得出新型聚丙烯酸浆料制备 的最佳条件：相对于反应单体，乳化剂的质量分数为 3 ，引发
26、剂的质量分数为0 9 ，反应温度为8 5 ， 反应时间为3h ，搅拌转速为1 4 0r m i n 。根据此条件 制得的新型聚丙烯酸浆料的浆液黏度热稳定性好， 浆液对涤棉混纺纱的黏附力大，黏附性能好，有利 于提高纱线的上浆性能。黼 参考文献： 1 曾琦，马晓红新型聚丙烯酸浆料的研制与开发 J 纺织科学研究，2 0 0 1 ( 4 ) ：3 6 4 0 2 朱谱新，刘永胜，钮安建涤，棉纱上浆用丙烯酸酯浆料 的合成与表征 J 四川纺织科技，2 0 0 3 ( 1 ) ：1 2 一1 6 3 】刘向花，李君华，蒋玉珍醋酸酯淀粉与丙烯酸混合 浆料在涤粘产品上的应用 J 山东纺织科技， 2 0 0 0
27、( 2 ) ：3 7 3 8 4 曾勇P M x z H 型丙烯酸酯组合浆料的应用分 析 J 广西纺织科技，2 0 0 5 ，2 7 ( 4 ) ：1 2 1 5 5 刘意丙烯酸酯微乳液聚合研究 J 辽宁化工， 2 0 0 5 ( 4 ) ：1 4 9 一1 5 0 6 易争明，周梅村。曹铭丙烯酸酯乳液聚合研究进 展 J 辽宁化工，2 0 0 5 ( 4 ) ：1 6 5 1 6 7 7 王耀，王春姣丙烯酸酯浆料聚合研究 J 四川纺织 科技，2 0 0 4 ( 2 ) ：1 2 一1 4 8 万明丙烯酸类浆料质量与性能的评价指标 J 纺 织学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 3 ) ：2 7 6 2 7 8 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark