实验一 苯乙烯-丙烯酸酯乳液聚合及性能测定

实验一苯乙烯-丙烯酸酯乳液聚合及性能测定

一．实验目的

1.了解乳液聚合的工艺特点和配方。

2．掌握乳液聚合的操作方法。

3.掌握乳液性能测定的方法。

二.实验原理

乳液聚合是连锁聚合反应的一种实施方法，具有十分重要的工业价值。乳液聚合是指单体在水介质，由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合。乳液聚合最简单的配方是由单体、水、水溶性引发剂和乳化剂四部分所组成的。工业上的实际配方可能要复杂得多。乳液聚合在工业上有十分广泛的应用，合成橡胶中产量最大的丁苯橡胶和丁腈橡胶就是采用乳液聚合法生产的，聚氯乙烯糊状树脂、丙烯酸酯乳液等也都是乳液聚合的产品。

乳液聚合有许多优点，如聚合热容易排除；聚合速度快，同时可获得较高的分于量；在直接使用乳液的场合，可避免重新溶解、配料等工艺操作等等；乳液聚合的缺点是产品纯度较低；在需要获得固体产品时，存在凝聚、洗涤、干燥等复杂的后处理问题等。乳液聚合产物的颗粒粒径约为0.05-1µm，比悬浮聚合产物的粒径〔50—200µm)要小得多。

在丙烯酸酯乳液中，苯丙乳液是较重要的品种之一。苯丙乳液是由苯乙烯和丙烯酸酯(通常为丙烯酸丁酯)通过乳液聚合法共聚而成，具有成膜性能好、耐老化、耐酸碱、耐水、价格低廉等特点，是建筑涂料、粘合剂、造纸助剂、皮革助剂、织物处理剂等产品的重要原料。

苯丙乳液的主要用途是制备建筑乳胶漆，这类乳液通常由苯乙烯和丙烯酸丁酯共聚而成。丙烯酸丁酯的聚合物具有良好的成膜性和耐老化性，但其玻璃化转化温度仅-58℃，不能单独用作涂料的基料。将丙烯酸丁酯与苯乙烯共聚后，涂层表面硬度大大增加，生产成本也有所下降。为了提高乳液的稳定性，共聚单体中通常还加人少量丙烯酸，丙烯酸是一种水溶性单体，参加共聚后主要存在于乳胶颗粒表面，羧基指向水相，因此颗粒表面呈负电性，使得颗粒不容易凝聚结块，同时适当比例的丙烯酸有利于提高涂料的附着力。

用于建筑乳胶漆的苯丙乳液的固体含量为48±2％，最低成膜温度为16℃，成膜后，涂层无色透明。为了使建筑乳胶漆在冬天也能使用，通常还需加入成膜助剂，如苯甲醇等，使涂料的最低成膜温度达到5℃。

三．实验仪器与药品

3.1 实验仪器

四口瓶(250ml)—只；球形冷凝器一支；温度计一支；量筒(100ml)—只；电动搅拌器一套；水浴锅一只；滴液漏斗一只

3.2 实验药品

苯乙烯；丙烯酸丁酯；丙烯酸；过硫酸钾；十二烷基硫酸钠；司班60；

四．实验步骤

4.1苯丙乳液的制备

（1) 在装有搅拌器、冷凝器、温度计和滴液漏斗的四颈瓶中，取0.5g十二烷基硫酸钠，2g司班60置于四口瓶中，加70m1蒸馏水，水浴升温至80℃左右，待固体完全溶解（为组分1）；

（2) 称取0.3g过硫酸钾置于小烧杯中，加水20ml，摇晃使溶解（得组分2）；

（3) 量取苯乙烯30ml，丙烯酸丁酯30ml、丙烯酸2ml，在烧杯中混合均匀，（组分3），装入滴液漏斗。

（4) 水浴温度80℃，保温。加入约30％的组分3和30％的组分2，体系逐渐呈乳白色，约30min后，液面边缘呈淡蓝色，同时液面上的泡沫消失，表明聚合反应已开始，保持15min。

（5) 同时开始滴加组分2和组分3，控制在2h左右滴完，其滴加速度为1：5，使组分3略先于组分2加完。

（6) 保温1h，撤去热源，搅拌下自然冷却至室温，产品倒入试剂瓶中备用。

注：可改变苯乙烯与丙烯酸丁酯的比例，让学生进行对比实验。

4.2乳液主要性能测定

（1)聚合物乳液固含量测定先称量2×2cm的铝铝箔纸的重量m1；将大约1g左右聚合物乳液试样滴在铝箔上，称重得m2；然后将其置于设有通风装置的烘箱中，在100℃下干燥24h，取出铝箔，冷却至室温称重得m3。

乳液固含量%=（m3-m1）/（m2-m1）*100%

（2)PH值稳定性PH值代表了聚合物体系中氢离子的浓度，它是乳液放置稳定性的重要影响因素。其测试方法为：取两个同样的试管分别装入5ml待测乳液试样，向该两管中分别逐滴加入1%的盐酸溶液和1%的氢氧化钠溶液，边加边摇动，让其充分混合均匀，观察乳液稳定性变化，找到使被测聚合物乳液稳定的PH值范围。

（3)稀释稳定性是聚合物乳液应用时加水稀释的一项重要参考指标。测试方法为：将待测乳液稀释到固含量为3%，把30ml稀释后的乳液置入试管中，液柱高度为20cm，放置72h。若无分层现象，则稀释稳定性通过，否则为不通过，清液层高度越高，则稀释稳定性越差。

（4)钙离子稳定性用聚合物乳液承受钙离子的能力来表征其承受电解质的能力，这种能力叫作钙离子稳定性。测定方法为：在20ml的刻度试管中，加入16ml聚合物乳液试样，再加入4ml0.5%的CaCl2溶液，摇匀，静置48h，若不出现凝胶，且无分层现象，则钙离子稳定性通过；否则不通过，分层清液高度越高，钙离子稳定性越差。（5)聚合物乳液的最低成膜温度测定将聚合物乳液涂布在底板上，在适宜的温度条件下，聚合物乳液中的水分挥发过程中，乳胶粒会互相融合，互相渗透，聚结为一体而形成连续均匀的薄膜。能够成膜的温度下限值叫聚合物乳液的最低成膜温度，通

常用MFT表示。MFT为聚合物乳液的一个重要技术指标，对于聚合物乳液的生产和应用均具有很大的指导意义。生产者可根据所要求的MFT来进行配方设计，用户可根据聚合物乳液的MFT来确定其应用的条件和工艺。测试原理：在一块位于热源和冷源之间的金属（铝、不锈钢或铜）板上，形成一个合适的温度梯度，这块板可以是平滑的，也可以是从冷端到热端之间开几道槽。将乳液涂布在金属板上，或将乳液注入所开的槽。用干燥空气流或干燥剂（硅胶、分子筛）干燥，测定乳液形成连续均匀的透明薄膜的极限温度，即为MFT温度。采用QMB型最低成膜温度测定仪测定乳液的最低成膜温度

五．注意事项

（1) 聚合反应开姑后，有一自动升温过程。应严格控制聚合温度不得高于85℃，否则乳化剂的乳化效率将降低，并有溢料的危险。

（2) 聚合过程中液面边缘若无淡蓝色现象出现，产物的稳定性将会不好。若遇到此种情况，实验应重新进型。

六．思考题

讨论乳液聚合的工艺特点，指出其优缺点，并与悬浮聚合比较之。