現有的建筑乳膠涂料含有消泡劑、流平劑、防腐劑、增稠劑等十多種助劑,是建筑涂料帶來環境污染物VOC(有機揮發性化合物)的主要來源。隨著環保要求的日趨嚴苛,涂料正向水性化、高固體份和粉末涂料方向發展?？稍俜稚⑷槟z粉是一種可以在水中重新分散成穩定的分散液,并保持原聚合物乳液性能的聚合物粉末,它的出現為建筑涂料的干粉化提供了物質基礎。開展可再分散乳膠粉的制備與性能研究,并與其他粉體材料結合使用開發干粉涂料,在理論和應用上都具有重要的意義。
  本研究根據噴霧干燥制備乳膠粉及乳膠粉應用要求,首先設計并制備具有“軟核硬殼”粒子結構的丙烯酸酯乳液,再采用噴霧干燥法制得丙烯酸酯可再分散乳膠粉,建立噴霧干燥模型,探討乳膠粉的再分散性影響因素及乳膠粉再分散液穩定機理。以此乳膠粉為主要成膜物質,開發干粉建筑涂料。應用核殼乳液聚合技術制備了具有核殼結構的磁性Fe_3O_4/PMAA(聚甲基丙烯酸)聚合物復合微球。
具體研究工作如下:
  為制備可再分散乳膠粉,合成具有“軟核硬殼”粒子結構的丙烯酸酯乳液。通過探討乳膠粒子核殼層聚合物玻璃化溫度(T_g)和核殼層單體質量比對乳膠粉外觀和分散性的影響,確定了乳膠粒子的核殼結構參數。通過考察乳液聚合過程中聚合工藝、乳化劑、引發劑、種子單體、功能單體等用量對乳液凝膠率、固含量、粘度、粒徑及其分布的影響,確定了最優合成工藝及配方。采用傅立葉紅外光譜(FTIR)、透射電鏡(TEM)、差示掃描量熱儀(DSC)和掃描電鏡(SEM)等分析表明,制備的丙烯酸酯乳液,乳膠粒具有清晰的核殼結構,核殼層聚合物T_g分別為-25℃和45℃,乳液具有良好的成膜性能。
  戈麥斯化工采用噴霧干燥法制備丙烯酸可再分散乳膠粉。通過探討乳液粘度、固含量、干燥助劑硅溶膠及保護膠體聚乙烯醇(PVA)用量對乳膠粉再分散性、含水率、濾渣率等因素的影響,確定了干燥預處理工藝參數?？疾靽婌F干燥溫度、霧化盤轉速對乳膠粉含水率、濾渣率、再分散性及再分散液成膜性的影響,得到最優噴霧干燥工藝參數。通過FTIR、SEM、TEM、DSC、UVSP(紫外分光光度計)等分析顯示,與原乳液相比,乳膠粉主要分子結構未發生明顯改變,再分散液粒子呈球形且大小分布均勻,粒徑略有增加。再分散液膠膜有兩個T_g(?25℃和50℃),再分散液穩定性好。所有分析表明,制得的乳膠粉再分散后能較好的回復原乳液形態。通過引入動態質量控制方程和動態能量控制方程,建立乳膠粉噴霧干燥動態模型。將兩方程關聯起來,通過計算機Matlab程序計算,可模擬干燥過程中霧化液滴溫度和水分隨時間的動態變化過程。
   探討了乳膠粉再分散液的穩定機理。為使乳膠粉及再分散液獲得好的再分散性和穩定性,功能單體甲基丙烯酸(MAA)添加量占合成單體總質量的4%~5%,調節乳液pH至9.0以上,乳膠粒表面羧基轉化為羧酸離子,親水性基團在噴霧干燥時得到保護,避免乳膠粒子表面羧基之間發生縮聚反應,再分散液粒子表面具有多的羧基離子和高的Zeta電位,粒子間有強的靜電斥力。同時粒子之間存在由靜電作用產生的水合作用力。PVA用作保護膠體,乳膠粉再分散后,PVA包覆在乳膠粒子表面。其羥基伸向水中,龐大的聚乙烯長鏈基團則呈卷曲態吸附在乳膠粒子表面,為乳膠粒子提供了大的空間位阻,避免乳膠粒子之間發生碰撞,提高了再分散液的穩定性。這種空間位阻與粒子間的靜電斥力、水合作用力一起,維持著再分散液乳膠粒子的穩定。 以乳膠粉為主要成膜物質,重質碳酸鈣、高嶺土、滑石粉、纖維素醚等原料開發干粉涂料。乳膠粉用量對干粉涂料成膜性、耐水性和耐洗刷性有重要影響。纖維素醚可改善涂料施工性并調整干燥時間。較好的配方是:乳膠粉用量為30%,纖維素醚用量為0.6%,干粉涂料具有較好的施工性、耐水性和耐洗刷性能。 應用制備具有核殼粒子結構聚合物技術,以油酸修飾的Fe_3O_4為核,采用細乳液聚合法,在超聲作用下,制備Fe_3O_4/PMAA復合微球。通過考察超聲功率對細乳液液滴粒徑及其分散粒度的影響,確定了反應超聲功率,同時考察乳化劑量對復合微球粒徑的影響。乳化劑濃度低于或接近臨界膠束濃度(CMC)時,單體液滴易發生團聚,磁性復合微球粒徑分布變寬;乳化劑濃度遠大于CMC濃度時,乳化劑會形成大量膠束,MAA會在乳化劑形成的膠束內成核,導致Fe_3O_4裸露形成空白粒子。合適的乳化劑濃度是大于CMC,聚合后復合物微球分散性好,粒徑在100 nm左右。