乳液聚合體系中的組分主要有單體、乳化劑、引發劑、介質以及其它組分。
1, 單體
原則上說,任何能進行自由基加成聚合反應的單體都可用乳液聚合法制備聚合物。非水溶性單體可以用正相(O/W)乳液聚合,水溶性單體既可以與其它單體進行正相乳液聚合,又可用反相(W/O)乳液聚合。在乳液聚合中,單體用量大多數控制在40%~50%;乳液聚合常用的單體有乙烯基單體如苯乙烯,共軛二烯烴單體如丁二烯,丙烯酸系單體如丙甲基丙烯酸丁酯等,往往采用多種單體共聚以獲得所需要的性能。通常將所用單體分解為硬單體如甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯晴,軟單體如丙烯酸丁酯、丁二烯和功能單體如甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羥乙酯。
2, 乳化劑
乳液聚合使用的乳化劑按乳化劑親水基團的性質分為陰離子、陽離子、兩性和非離子四類。常用的陰離子乳化劑有羧酸鹽如月桂酸鉀、硫酸酯鹽如十二烷基硫酸鈉、磺酸鹽如丁二酸二辛醋磺酸鈉等。硫酸酯鹽和磺酸鹽型乳化劑在酸、堿性條件下均可使用,而有機羧酸鹽只能在弱堿性介質中使用。陽離子乳化劑有銨鹽型如十二烷基氯化銨和季銨鹽型如十六烷基三甲基溴化銨,可用于制取帶正電荷的乳化和苯乙烯-丁二烯乳液共聚。兩性乳化劑在乳液聚合中應用較少,非離子乳化劑則應用較廣,如高級脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、等聚氧乙烯型非離子乳化劑以及Span、Tween等以失水山梨醇為基礎制得的多元醇酯型非離子乳化劑都是在乳液聚合中經常使用的。
3, 引發劑
用于乳液聚合的引發劑有熱分解引發劑和氧化還原引發劑兩大類。乳液聚合使用的熱分解引發劑大多是過硫酸鉀(K2S2O8)和過硫酸銨[(NH4)2S208]等過氧化物,遇熱時過氧鍵發生均裂生成自由基引發聚合。有時也采用芳基偶氮氨基化合物、芳基偶氮硫醚及芳基偶氮酸堿金屬鹽作分解引發劑。氧化-還原引發劑利用組成它的氧化劑和還原劑之間發生氧化-還原反應而產生能引發聚合的自由基,乳液聚合使用的氧化-還原引發劑有過硫酸鹽-硫醇、過硫酸鹽-亞硫酸氫鹽、氯酸鹽-亞硫酸氫鹽、過氧化物-亞鐵鹽、有機過氧化物-亞鐵鹽、有機過氧化物-聚胺等。氧化-還原體系比熱分解體系聚合快,可降低反應溫度,而低溫乳液聚合產生的聚合物乳液性能好些。
4, 分散介質
絕大多數正相乳液聚合以水為分散介質,乳液聚合對水有嚴格的要求。水中的金屬離子特別是鈣、鎂、鐵、鉛等離子會嚴重影響聚合物溶液的穩定性,并對聚合過程有阻聚作用,故乳液聚合要使用蒸餾水或去離子水,所用水的電導值應控制在10mS以下。要求在負10度甚至在負18度下進行的乳液聚合反應必須加入抗凍劑,使分散介質的冰點降低到反應溫度以下。通常使用的抗凍劑有非電解質如甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、甘油、乙二醇單烷基醚、二氧六環等,非電解質抗凍劑一般有不同程度的阻聚作用,并會顯著提高乳化劑的臨界膠束濃度,使用時應認真進行篩選。另一類是電解質如NaCi、KCl、K2SO4等,電解質抗凍劑便宜、易得,使用適當時可降低乳化劑的臨界膠束濃度并提高聚合反應速率和乳液體系的穩定性,但用量過大會使乳液失去穩定性。
5, 分子量調節劑
這是一類高活性物質,它很容易與正在增長的大分子自由基發生鏈轉移反應,用于降低聚合物分子量而不影響反應速率,常用的調節劑有硫醇及其衍生物。
6, 保護膠體
為了有效控制乳膠粒尺寸及其分布,使乳液保持穩定,在乳液聚合體系中常加入一定水溶性高的聚合物如聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、阿拉伯樹脂、明膠、藻朊酸鹽等。保護膠體在水中不形成膠束,在乳液聚合體中一部分保護膠體吸附在乳膠粒表面上形成一定厚度的水化層,阻礙乳膠粒碰撞凝聚。溶于水相的保護膠體能增大聚合物乳液的黏度,增加乳膠粒撞合的阻力,故加入保護膠體可提高乳液體系的穩定性。在個別情況下如白乳膠(聚醋酸乙烯酯乳液)乳液聚合中不加乳化劑只加保護膠體聚乙烯醇,同樣可制得穩定的聚合物乳液。
7, 螯合劑
為了防止重金屬離子對乳液聚合反應的阻聚作用和對膠乳的凝聚作用,常用乳液聚合體系中加入少量金屬離子螯合劑,最常用的螯合劑是EDTA(乙二胺四乙酸二鈉鹽)。
8, pH調節劑和緩沖劑
為了有效控制乳液聚合過程中溶液的pH,常加入氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、鹽酸作pH調節劑。為了保持乳液聚合體系pH的穩定,常加入磷酸二氫鈉、碳酸氫鈉、醋酸鈉、檸檬酸鈉作pH緩沖劑。
9, 反應終止劑
在聚合度達到一定程度后,常在乳液聚合體中加入反應終止劑終止反應,以過硫酸鹽為引發劑的乳液聚合中應用得最多的是對苯二酚,氧化-還原引發體系中應用最多的是二甲基二硫代氨基甲酸鈉。
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