聚合物乳液型抑尘剂的研制

梁文庆 李青国 宫敏

收稿日期：2013-07-22

作者简介：梁文庆（1985-），男，硕士，研发工程师，主要从事化学抑尘、乳液聚合等产品的开发及应用工作。E-mail：lwq0085@126.com。

摘要：以苯乙烯（St）、丙烯酸丁酯（BA）为主要原料，引入丙烯酸（AA）作为功能单体，采用预乳化种子聚合法成功合成了性能优良的三元共聚苯丙乳液，以该乳液加入其他辅料，配制成固沙抑尘剂。着重讨论了引发剂、乳化剂以及功能单体用量等因素对于乳液性能的影响。当St﹕BA=45/50～50/45，引发剂过硫酸铵（APS）用量为单体质量6%，在适量乳化剂机AA提供交联点的作用下，合成的固沙抑尘剂效果最好。

关键词：抑尘剂；粉尘治理；乳液聚合

中图分类号：TQ331.4 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2013）11-0065-03

粉尘污染是世界公害之一，许多人类活动都会产生粉尘污染，特别是采矿业。粉尘的防治相当困难且耗资巨大。人类对粉尘防治技术的研究一直不断进行。化学抑尘剂自上世纪20年代发明以来，得到了广泛的应用，为防治粉尘污染提供了新的手段[1]。

化学抑尘剂根据作用机理不同可分为润湿剂、粘结剂和凝聚剂3类。单一功能抑尘剂的抑尘效果并不理想，复合型抑尘剂是今后发展的方向。以高分子聚合物作为抑尘剂是重要防尘方法之一，发展十分迅速[2]。

本文以苯乙烯（St）、丙烯酸丁酯（BA）为主要原料，以丙烯酸（AA）作为功能单体，采用预乳化种子聚合法成功合成了性能优良的三元共聚苯丙乳液。在乳液中加入其他辅料，配制成聚合物乳液类抑尘剂。使用时将乳液按一定比例加水稀释后，均匀喷洒在物体表面，形成具有一定强度和韧性的固化层，将各种粒径的粉尘或物料粘结在一起，从而达到防止表面扬尘的目的。

1 实验部分

1.1 原料

丙烯酸（AA），分析纯，天津市河东区红岩试剂厂；丙烯酸丁酯（BA），分析纯，天津市福晨化学试剂厂；苯乙烯（St），分析纯，上海山浦化工有限公司；过硫酸铵（APS），分析纯，天津市北辰方正试剂厂；氨水，分析纯，广州化学试剂厂；复合乳化剂；氧化剂；还原剂。

1.2 乳液的制备

在预乳化瓶中加入苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸等单体、复合乳化剂及去离子水，搅拌40 min，得到乳白色预乳化液，备用。

在装有温度计、搅拌器、回流冷凝管及恒压滴液漏斗的三口烧瓶中，加入一定量的去离子水、部分预乳化液及少量的过硫酸铵引发剂溶液，加热搅拌；当烧瓶内温度达到80 ℃时，乳液出现淡蓝色，待单体回流完毕，乳液颜色变为乳白色时，滴加剩余的预乳化液和引发剂溶液，控制2.5～3 h滴完。然后在82 ℃保温1 h，降温至60 ℃，加入氧化剂、还原剂，保温0.5 h，降至常温，用氨水调节体系的pH值至7～8，过滤，出料。

1.3 性能测试

（1）外观：目测；

（2）pH值：pH计测定；

（3） 固含量：称取一定量的乳液，放入105 ℃的烘箱内恒温2 h，再称量，与原乳液质量比求出乳液的固含量；

（4）黏度：用NDJ-1旋转黏度计测定；

（5）抑尘剂抗风蚀试验：在沙堆表面以2 L/m2的喷洒量均匀喷洒抑尘剂，室温下自然干燥，24 h后，表面形成一个完整的固结层，用吹风机以最大风速近距离连续吹风30 min后，称量沙堆的质量，计算其质量损失率[3]。

2 结果与讨论

2.1 单体的选择与配方设计

聚合物乳液的玻璃化转变温度（Tg）是决定其性能的重要因素，Tg可以根据FOX公式进行计算。苯乙烯均聚物的Tg为100 ℃，室温下不能形成完整的薄膜，沙堆表层有明显的裂痕。丙烯酸丁酯的Tg为-54 ℃，加入丙烯酸丁酯可降低共聚物的最低成膜温度，增强其内增塑性。此外，还应加入适量的丙烯酸为功能单体，赋予胶膜自交联特性，调节聚合物乳液极性及提高胶膜的内聚力和耐溶剂性、耐水性等性能[4]。

2.2 引发剂用量对乳液性能的影响

乳液聚合引发剂选用的是过硫酸铵（APS）。引发剂的用量直接影响乳液的性质，用量过多，会降低聚合物的分子质量及乳液的稳定性，乳液的粘结力低；而用量太少时，反应速率及单体转化率低，聚合物的分子质量就会很大。在其他条件不变的情况下，改变引发剂的用量对乳液性能的影响如表1所示。由表1可见，引发剂量为单体质量的0.6%时，所制备的乳液性能较好。

2.3 乳化剂用量对乳液性能的影响

在乳液聚合中，乳化剂虽不直接参与反应，但其种类和浓度直接影响到引发速率和链增长速率，对聚合反应的速度、乳胶粒子的大小和聚合产物的相对分子质量都有影响。阴离子型乳化剂含有亲水基团，非离子型乳化剂则以氢键来获得水溶性，且其CMC值较低[5]。当把2种乳化剂混合使用时，可以得到粒径小且稳定的聚合物乳液，同时可改善胶膜的透明性。阴离子乳化剂用量较少，非离子型乳化剂用量较大制得的乳液稳定性好。因此，选用十二烷基硫酸钠和OP-10（质量比1∶2）为混合乳化剂。

复合乳化剂的用量对聚合物乳液的黏度、稳定性以及强度均有影响。随着复合乳化剂用量的增加，稳定性提高，但用量过高或过低均会降低粘结强度。实验发现，当乳化剂用量为3%左右（占单体总量的质量分数）时，乳液无结块、呈乳白色并有蓝光，稳定性很好。

2.4 功能单体用量对乳液性能的影响

苯乙烯和丙烯酸酯的共聚物是线性聚合物，为了提高内聚强度，可以采用内交联或外交联的方式。由于外交联不稳定，所以一般采用加入功能性单体共聚的内交联法。本实验采用AA为交联单体，其中的羧基可以与多种官能团发生交联反应，从而显著提高乳液的内聚强度、耐溶剂性能和耐水性能，同时也可调节乳液的黏度[6]。功能单体用量对乳液性能的影响见表3。由表3可知，当丙烯酸用量为5%时，所制备的乳液综合性能较好。

3 结论

（1）选用丙烯酸丁酯为软单体，苯乙烯为硬单体，丙烯酸为功能单体，软硬单体配比为45/50～50/45时，聚合反应过程中出现的凝胶较少，乳液细腻稳定，且具有良好的成膜性，沙堆风蚀试验中沙土损失率较少。

（2）当ω（引发剂）=0.6%时，所制备的乳液平均相对分子质量、乳胶粒数目及粒径分布较为合适。

（3）当乳化剂用量为3%时，制备的乳液呈乳白色，且有明显的蓝光，性能较好。

（4）以AA作为功能单体可以提供交联点，能很好地促进聚合，当ω（AA）=5%时，乳液的综合性能较好。

（5）以合成的聚合物乳液作为固沙抑尘剂，具有稳定性好、抑尘时效长、施工方便等优点，能够满足固沙抑尘的各项性能指标，且成本较低。

参考文献

[1]吴超.化学抑尘剂新进展研究[J].中国安全生产科学技术，2005，10（5）：44.

[2]蓸同玉，刘庆普，胡金生.聚合物乳液合成原理、性能及应用[M].第2版.北京：化学工业出版社，2007.

[3]梁新景.AVC-MMA-BA三元共聚物固沙抑尘剂的合成与应用研究[D].北京：北京化工大学，2010.05

[4]梁文庆，唐宏科，胡应燕.乳液型纸塑复合胶粘剂的研制[J].粘接，2010，31（11）：53-55

[5]梁文庆，唐宏科，孙夏.乳液型纸塑复膜胶的研制[J].中国胶粘剂，2009，18（11）：31-34.

[6]袁才登.乳液胶粘剂[M].北京：化学工业出版社，2004.