什么是乳液聚合
在搅拌下借助乳化剂(见聚合助剂)的作用,使单体分散在水中呈乳状液而进行的聚合过程。乳液聚合体系至少由单体、引发剂、乳化剂和水四个组分构成,一般水与单体的配比(质量)为70/30~40/60,乳化剂为单体的0.2%~0.5%,引发剂为单体的0.1%~0.3%;工业配方中常另加缓冲剂、分子量调节剂和表面张力调节剂等。所得产物为胶乳,可直接用以处理织物或作涂料和胶粘剂,也可把胶乳破坏,经洗涤、干燥得粉状或针状聚合物。
聚合机理
乳液聚合多为自由基聚合,1947年W.D.哈金斯等提出,乳化剂可乳化单体成液滴,当乳化剂浓度超过临界胶束浓度(见表面活性剂)时,则形成胶束,胶束可使单体增溶。聚合过程(见图)是:水溶性引发剂为解为自由基(R.),经扩散进入胶束而引发单体(M)聚合,胶束成核逐渐长大为单体-聚合物胶粒(M/P),液滴中的单体不断扩散进入M/P胶粒进行聚合。当转化率达60%~80%时,单体液滴消失;当聚合结束时,M/P胶粒形成外层为乳化剂分子包围的聚合物(P)胶粒。
特征
引发在胶束中进行,增长是在被单体溶胀的M/P胶粒中进行,转化率达10%~15%后聚合速度不变。为此,增加乳化剂用量可使 M/P胶粒数目境加,从而可同时实现高聚合速率和高分子量。而在其他聚合过程中,为提高聚合速率,往往导致产物分子量下降。此外,乳液体系的粘度低,易于传热和混合,生产容易控制,所得胶乳可直接使用,残余单体容易除去。缺点是聚合物含有乳化剂等杂质影响制品性能;为得到固体聚合物,还要经过凝聚、分离、洗涤等工序;反应器的生产能力也比本体聚合时低。
应用
乳液聚合最早由德国开发。第二次世界大战期间,美国用此技术生产丁苯橡胶,以后又相继生产了丁腈橡胶和氯丁橡胶、聚丙烯酸酯乳漆、聚醋酸乙烯酯胶乳(俗称白胶)和聚氯乙烯等。与悬浮聚合不同,乳液体系比较稳定,工业上有间歇式、半间歇式和连续式生产,用管道输送或贮存时不搅拌也不会分层。生产中还可用“种子聚合”(即含活性链的胶乳)、补加单体或调节剂的方法控制聚合速度、分子量和胶粒的粒径。也可直接生产高浓度的胶乳。
新发展
80年代,乳液聚合有许多新发展,例如:为消除乳化剂对聚合物的污染和洗涤的困难,出现了无乳化剂的乳液聚合;以含铑或含碘镍催化剂引发反式1,4-丁二烯聚合的配位乳液聚合体系;丙烯酸或丙烯酰胺分散在油中,以油包水乳化剂乳化的反向乳液聚合;聚合物粒径介于悬浮聚合和乳液聚合产物粒径之间的分散聚合;等等。分散聚合在工业上已用于涂料生产。
参考书目kley, Emulsion Polymerization, Applied Science Pub., London, 1975.
ma,Emulsion Polymerization, Academic Press,New York, 1982.
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