现有的建筑乳胶涂料含有消泡剂、流平剂、防腐剂、增稠剂等十多种助剂,是建筑涂料带来环境污染物VOC(有机挥发性化合物)的主要来源。随着环保要求的日趋严苛,涂料正向水性化、高固体份和粉末涂料方向发展。可再分散乳胶粉是一种可以在水中重新分散成稳定的分散液,并保持原聚合物乳液性能的聚合物粉末,它的出现为建筑涂料的干粉化提供了物质基础。开展可再分散乳胶粉的制备与性能研究,并与其他粉体材料结合使用开发干粉涂料,在理论和应用上都具有重要的意义。
  本研究根据喷雾干燥制备乳胶粉及乳胶粉应用要求,首先设计并制备具有“软核硬壳”粒子结构的丙烯酸酯乳液,再采用喷雾干燥法制得丙烯酸酯可再分散乳胶粉,建立喷雾干燥模型,探讨乳胶粉的再分散性影响因素及乳胶粉再分散液稳定机理。以此乳胶粉为主要成膜物质,开发干粉建筑涂料。应用核壳乳液聚合技术制备了具有核壳结构的磁性Fe_3O_4/PMAA(聚甲基丙烯酸)聚合物复合微球。
具体研究工作如下:
  为制备可再分散乳胶粉,合成具有“软核硬壳”粒子结构的丙烯酸酯乳液。通过探讨乳胶粒子核壳层聚合物玻璃化温度(T_g)和核壳层单体质量比对乳胶粉外观和分散性的影响,确定了乳胶粒子的核壳结构参数。通过考察乳液聚合过程中聚合工艺、乳化剂、引发剂、种子单体、功能单体等用量对乳液凝胶率、固含量、粘度、粒径及其分布的影响,确定了最优合成工艺及配方。采用傅立叶红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)、差示扫描量热仪(DSC)和扫描电镜(SEM)等分析表明,制备的丙烯酸酯乳液,乳胶粒具有清晰的核壳结构,核壳层聚合物T_g分别为-25℃和45℃,乳液具有良好的成膜性能。
  戈麦斯化工采用喷雾干燥法制备丙烯酸可再分散乳胶粉。通过探讨乳液粘度、固含量、干燥助剂硅溶胶及保护胶体聚乙烯醇(PVA)用量对乳胶粉再分散性、含水率、滤渣率等因素的影响,确定了干燥预处理工艺参数。考察喷雾干燥温度、雾化盘转速对乳胶粉含水率、滤渣率、再分散性及再分散液成膜性的影响,得到最优喷雾干燥工艺参数。通过FTIR、SEM、TEM、DSC、UVSP(紫外分光光度计)等分析显示,与原乳液相比,乳胶粉主要分子结构未发生明显改变,再分散液粒子呈球形且大小分布均匀,粒径略有增加。再分散液胶膜有两个T_g(?25℃和50℃),再分散液稳定性好。所有分析表明,制得的乳胶粉再分散后能较好的回复原乳液形态。通过引入动态质量控制方程和动态能量控制方程,建立乳胶粉喷雾干燥动态模型。将两方程关联起来,通过计算机Matlab程序计算,可模拟干燥过程中雾化液滴温度和水分随时间的动态变化过程。
   探讨了乳胶粉再分散液的稳定机理。为使乳胶粉及再分散液获得好的再分散性和稳定性,功能单体甲基丙烯酸(MAA)添加量占合成单体总质量的4%~5%,调节乳液pH至9.0以上,乳胶粒表面羧基转化为羧酸离子,亲水性基团在喷雾干燥时得到保护,避免乳胶粒子表面羧基之间发生缩聚反应,再分散液粒子表面具有多的羧基离子和高的Zeta电位,粒子间有强的静电斥力。同时粒子之间存在由静电作用产生的水合作用力。PVA用作保护胶体,乳胶粉再分散后,PVA包覆在乳胶粒子表面。其羟基伸向水中,庞大的聚乙烯长链基团则呈卷曲态吸附在乳胶粒子表面,为乳胶粒子提供了大的空间位阻,避免乳胶粒子之间发生碰撞,提高了再分散液的稳定性。这种空间位阻与粒子间的静电斥力、水合作用力一起,维持着再分散液乳胶粒子的稳定。 以乳胶粉为主要成膜物质,重质碳酸钙、高岭土、滑石粉、纤维素醚等原料开发干粉涂料。乳胶粉用量对干粉涂料成膜性、耐水性和耐洗刷性有重要影响。纤维素醚可改善涂料施工性并调整干燥时间。较好的配方是:乳胶粉用量为30%,纤维素醚用量为0.6%,干粉涂料具有较好的施工性、耐水性和耐洗刷性能。 应用制备具有核壳粒子结构聚合物技术,以油酸修饰的Fe_3O_4为核,采用细乳液聚合法,在超声作用下,制备Fe_3O_4/PMAA复合微球。通过考察超声功率对细乳液液滴粒径及其分散粒度的影响,确定了反应超声功率,同时考察乳化剂量对复合微球粒径的影响。乳化剂浓度低于或接近临界胶束浓度(CMC)时,单体液滴易发生团聚,磁性复合微球粒径分布变宽;乳化剂浓度远大于CMC浓度时,乳化剂会形成大量胶束,MAA会在乳化剂形成的胶束内成核,导致Fe_3O_4裸露形成空白粒子。合适的乳化剂浓度是大于CMC,聚合后复合物微球分散性好,粒径在100 nm左右。