废弃EPS泡沫塑料制备苯丙乳液及性能研究

殷海波，黄　健，牛寅龙，稂合清（.水利部长江科学院工程质量检测中心，湖北武汉43000；.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉430070）

废弃EPS泡沫塑料制备苯丙乳液及性能研究

殷海波1，黄健2，牛寅龙2，稂合清2
（1.水利部长江科学院工程质量检测中心，湖北武汉430010；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉430070）

采用废弃EPS泡沫塑料取代部分苯乙烯（St）单体制备苯丙乳液，研究废弃EPS泡沫塑料掺量对苯丙乳液性能的影响。结果表明：当废弃EPS泡沫塑料掺量为30%时，苯丙乳液的稳定性较好、180 min时的转化率为88.2%、凝胶率为5.2%、平均粒径为0.48 μm，且粒径分布集中。通过红外图谱分析得出，St、BA、AA都参与了聚合反应，废弃EPS泡沫塑料的加入对合成苯丙乳液的结构组成改变不大。

废弃EPS泡沫塑料；苯丙乳液；制备；性能

0　引言

聚苯乙烯（EPS）泡沫由于密度小、质轻、保温隔热性能好、安装方便，被广泛用于各种建筑物及冷库的保温隔热层和一次性使用的包装材料［1］，但是这类制品由于用后即弃，形成的垃圾不仅数量巨大而且不便回收，更不能自行降解［2］，对环境造成白色污染。

传统的苯丙乳液制备方法是用苯乙烯部分或者全部取代甲基苯烯酸甲酯与丙烯酸正丁酯、甲基苯烯酸等单体反应［3］。本文采用废弃EPS泡沫塑料部分取代苯乙烯制备苯丙乳液，一方面可以减少废弃EPS泡沫塑料对环境造成的白色污染，实现废弃物循环再利用，另一方面也降低苯丙乳液的生产成本。

1　实验

1.1主要原料与仪器设备

废弃的EPS泡沫塑料：工业、生活产生的废弃物；苯乙烯（St）、丙烯酸正丁酯（BA）、丙烯酸（AA），均为分析纯；乳化剂：壬基酚聚氧乙烯醚（OP-10）、十二烷基硫酸钠（SDS），均为分析纯；引发剂：过硫酸铵［（NH4）2S2O4］，分析纯；缓冲剂：碳酸氢钠［NaHCO3］、氨水［NH3·H2O］，均为实验室自配溶液；保护胶体：聚乙烯醇（PVA），分析纯；去离子水，自制。

80 W微型超声波分散仪；JJ-1精密增力电动搅拌器；电热套、500 mL四口烧瓶、量程100℃精密温度计、PHS-3C pH计、冷凝管、恒压滴液漏斗；RISE-2008型激光粒度分析仪，济南润之科技有限公司；FTS2000傅立叶变换红外光谱仪，美国热电尼高力公司（Thermo Nicolet）。

1.2制备苯丙乳液的基本实验配比

制备苯丙乳液软硬单体的比例为1∶1，其中用废弃EPS取代部分苯乙烯，取代比例分别为0、10%、20%、30%、40%、50%，乳化剂以非离子型和阴离子型乳化剂OP-10与SDS按1∶1质量比复配，具体配合比见表1。

表1　制备苯丙乳液的试验配比g

1.3苯丙乳液的制备工艺

（1）废弃EPS泡沫塑料的溶解、分散

称取一定质量的废弃EPS泡沫塑料，放入烧杯，然后称取苯乙烯和丙烯酸正丁酯单体溶液倒入烧杯中，密封，用超声波分散仪分散，并搅拌均匀，使废弃EPS泡沫塑料均匀溶解，得到单体混合液。

（2）预乳化液的制备

将蒸馏水、乳化剂加入到三口烧瓶，开启电热套控制温度为（45±2）℃，并开启搅拌器搅拌20 min，搅拌速度为200～250 r/min，使乳化剂充分溶解，然后将步骤（1）得到的单体混合液在5 min内全部加入到三口烧瓶中，保温30 min，得到预乳化液备用。

（3）苯丙乳液的制备

将称取的引发剂、缓冲剂配制成溶液，然后分别取1/2的预乳化液和1/2的引发剂溶液加入到四口烧瓶中，调整加热套的温度为（80±2）℃，搅拌器的搅拌速度为250～300 r/min，持续30 min，通过恒压分液漏斗滴加剩余的预乳化液和引发剂溶液，尽量保持同时滴加完毕。继续反应2 h，降温到（30± 2）℃，滴加缓冲剂溶液，调整pH值为7～9，降温、放料即得苯丙乳液［4］。制备的苯丙乳液如图1、图2所示。

图1　含10%废弃EPS苯丙乳液的照片

图2　含50%废弃EPS苯丙乳液的照片

1.4性能测试与表征

乳液固含量、Ca2+稳定性、稀释稳定性、机械稳定性：参照GB/T 20623—2006《建筑涂料用乳液》进行测试。

单体转化率：取1～2 g乳液，加入适量阻聚剂对苯二酚溶液（1%）终止反应，置于60℃烘箱中烘至恒量，聚合物净质量mi，实际单体质量为m0，转化率G=mi/m0［5］。

乳液凝胶率：乳液聚合反应结束后，收集滤渣及反应器、搅拌器上的凝胶物，并将乳液用100目筛网过滤，收集凝聚物，然后用水洗净后放入烘箱，烘干称重，以凝聚物占单体总质量的百分比表示凝胶率［6］。

乳液粒径：采用RISE-2008型激光粒度分析仪进行测试。

红外光谱分析：采用FTS2000傅立叶红外光谱仪进行测试分析。

2　实验结果与讨论

根据表1的配合比制备苯丙乳液，并对苯丙乳液的稳定性、凝胶率、转化率、粒径和组成结构进行研究。

2.1废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液稳定性的影响

表2为废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液固含量、Ca2+稳定性、稀释稳定性、机械稳定性的影响。

表2　废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液稳定性的影响

由表2可以看出，随着废弃EPS泡沫塑料掺量的增加，固含量变化不大；Ca2+稳定性、稀释稳定性、机械稳定性都有一定的负影响，当废弃EPS泡沫塑料掺量超过30%后，乳液的Ca2+稳定性、稀释稳定性、机械稳定性变差，逐渐出现絮凝的现象。这主要是由于随着废弃EPS泡沫塑料掺量的增加，在相同的反应时间，聚合反应的转化率呈现增大的趋势，但乳液的凝胶率也相应增大。同时，由于乳液粒径变大、粒径范围变广、凝胶率变大，导致废弃EPS泡沫塑料掺量增加到一定值后，乳液的Ca2+稳定性、稀释稳定性、机械稳定性不佳。

2.2废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液凝胶率的影响

废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液凝胶率和黏度的影响见图3。

图3　废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液凝胶率和黏度的影响

由图3可以看出：

（1）随着废弃EPS泡沫塑料掺量的增加，乳液凝胶率呈增大趋势，并且增大的速率很快。掺量为50%时，乳液凝胶率接近10%，为未掺废弃EPS泡沫塑料乳液的凝胶率的8倍左右。

（2）随着废弃EPS泡沫塑料掺量的增加，乳液黏度增大。在掺量小于20%时，增加的趋势相对缓慢，掺量大于20%，增加的趋势较快。

这是因为，废弃EPS泡沫塑料是通过溶解的方式加入到反应单体中参与反应，溶解EPS泡沫塑料后的反应单体溶液变稠，粒径和分子质量增大，使乳液的黏度增加。溶解后的废弃EPS泡沫塑料分子与分子之间的碰触机会增加，相互易发生交联，粒子易发生聚结，导致凝聚率增大。

2.3废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液转化率的影响

（见图4）

图4　废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液转化率的影响

由图4可以看出：

（1）当废弃EPS泡沫塑料掺量小于30%时，在相同反应时间内，聚合反应的转化率变化不大；但当废弃EPS泡沫塑料掺量大于30%时，随着废弃EPS泡沫塑料掺量的增加，在相同反应时间内，聚合反应的转化率呈逐渐减小的趋势。这主要是因为当废弃EPS泡沫塑料掺量大于30%时，聚合反应中单体的浓度下降，反应单体分子与分子之间碰触的机会减少，导致转化率降低。

（2）随着反应时间的延长，聚合反应转化率逐渐增大。反应时间在150 min以内时，聚合反应转化率从0增大到90%左右；但当反应时间大于150 min时，聚合反应的转化率增大不明显，基本维持在90%左右，也就是说整个乳液聚合的反应时间为150～180 min，基本到达终点。

2.4废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液粒径的影响

（见图5）

图5　废弃EPS泡沫塑料掺量对乳液粒径的影响

由图5可以看出，随着废弃EPS泡沫塑料掺量的增加，乳液的平均粒径增大。当掺量为50%时，乳液的平均粒径达到0.94 μm，为未掺废弃EPS泡沫塑料时平均粒径（0.16 μm）的5倍以上；掺量为30%时，乳液的平均粒径较为适中，为0.48 μm。并且废弃EPS泡沫塑料掺量越多，乳液的粒径分布范围越宽，乳液的稳定性越低［7］。这是因为，添加废弃EPS泡沫塑料后，混合单体变得更稠，黏度增大，在聚合反应过程中，乳液液滴不容易充分被剪切分散、隔离。随着废弃EPS泡沫塑料掺量的增加，黏度增大，分散更难，凝胶率也增加，并且在反应过程中分子与分子之间的聚合会使乳胶胶粒长大，导致乳液的粒径增大，粒径分布越宽。

2.5红外光谱分析

图6为废弃EPS泡沫塑料掺量分别为0、30%和50%时所制备乳液的IR图谱。

图6　不同废弃EPS泡沫塑料掺量苯丙乳液的红外图谱

由图6可以看出，3450 cm-1处是丙烯酸的—OH伸缩振动吸收峰，3050、3025 cm-1处对应于芳环和不饱和的C—H伸缩振动吸收峰，2962、2926、2872、2853 cm-1处出现的4个峰分别为—CH3、—CH2的反对称伸缩振动和伸缩振动吸收峰，1730 cm-1处的吸收峰为C=O的伸缩振动［8］，1600、1450 cm-1处的峰为苯环中—C=C—伸缩振动吸收峰，在1000～1300 cm-1的吸收峰为2个相邻的醚键吸收峰，即为—C—O—C—的对称伸缩吸收峰，760 cm-1处是苯环上C—H的面外弯曲吸收峰，702 cm-1处苯环的面外振动。在1642cm-1处没有吸收峰，说明乳液中没有C=C存在，同时说明，废弃的EPS泡沫塑料溶解成苯乙烯溶液，St、BA、AA都参与了聚合反应，生成了苯丙乳液。

3　结论

（1）随着废弃EPS泡沫塑料掺量增加，乳液的固含量、Ca2+稳定性、稀释稳定性、机械稳定性均有一定的变化，当掺量超过30%时，乳液的稳定性变差，逐渐出现絮凝的现象。

（2）聚合反应的转化率，乳液的凝胶率和乳液的粒径均随着废弃EPS掺量的增加而增大，并且粒径的分布范围变宽。

（3）经红外光谱分析可知，St、BA、AA都参与了聚合反应，生成了苯丙乳液，废弃EPS泡沫塑料的加入对合成乳液的结构组成改变不大。

（4）当废弃EPS的掺量为30%时，制备的苯丙乳液稳定性较好，反应180 min时的转化率为88.2%，凝胶率为5.2%，平均粒径为0.48 μm，且粒径集中分布。考虑到废弃EPS的利用率问题，掺量为30%时综合较优。

［1］张焕照，彭云峰.国内外聚苯乙烯工业与技术概况［J］.石油化工设计，1999，16（4）：1-9.

［2］李稳宏，李逐红.废塑料降解工艺过程催化剂的应用研究［J］.石油化工，2000（5）：344-347.

［3］接瑜，张毅民，王虹，等.苯丙乳液聚合稳定性研究［J］.化学工业与工程，2007，24（1）：40-43.

［4］马保国，殷海波，黄建.利用废弃EPS泡沫塑料制备苯丙乳液的方法：中国，201210340528.4［P］.2012-09-17.

［5］姜焕生，郑文治，齐燕娟，等.苯丙乳液的制备及性能表征［J］.中国胶粘剂，1995，4（3）：31-32.

［6］王倩，张心亚，陈焕钦，等.有机硅改性丙烯酸酯乳液性能的研究［J］.中国胶粘剂，2002（2）：5-8.

［7］赵晨阳，李效玉.高固含量乳液（St/BA/AA）的合成、乳胶粒径及其分布［J］.高分子材料科学与工程，2005，21（2）：118-120.

［8］L ange J，H ergeth W D，W artewig S.Infrared spectroscopy of polymeric coric core-shell latexes［J］.A cta Polymerica，1988，39（9）：479-481.

Preparation and performance of styrene acrylic emulsion using waste EPS foam

YIN Haibo1，HUANG Jian2，NIU Yinlong2，LANG Heqing2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute of Engineering Quality Inspection Center with Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，Hubei，China；2.State Key Laboratory for Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）

This paper adopted the wasted EPS foam to substitute part of styrene（St）to synthesize styrene-acrylic emulsion，studied the effect of EPS foam content on performance of styrene-acrylic emulsion.The results showed when the amounts of the wasted EPS foam is 30%，the mechanical stability is better，the conversion rate is 88.2%with 180min，gelration rate is 5.2%，average particle size is 0.48 μm.Infrared spectrum results showed that incorporation of EPS did not change the chemical composition of the styrene-acrylic emulsion，and styrene，butyl acrylate，acrylic acid are all involved in the polymerization reaction.

wasted EPS foam，styrene-acrylic emulsion，preparation，performance

TQ331.4；TU522.09

A

1001-702X（2015）12-0070-04

国家“十二五”科技支撑计划项目（2011BAJ04B02）

2015-05-26；

2015-07-07

殷海波，男，1987年生，湖北黄岗人，硕士，助理工程师，研究方向：材料学。