丙烯酸酯可再分散乳胶粉的制备及再分散稳定机理与应用研究

论文摘要

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Fe3O4/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（Tg）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Tg分别为-25℃和45℃,乳液具有良好的成膜性能。采用喷雾干燥法制备可再分散乳胶粉。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Tg（?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Fe3O4为核,采用细乳液聚合法,在超声作用下,制备Fe3O4/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Fe3O4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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 可再分散乳胶粉概述
• 1.2.1 可再分散乳胶粉的发展及研究现状
• 1.2.2 可再分散乳胶粉的制备
• 1.2.3 可再分散乳胶粉的应用
• 1.2.4 可再分散乳胶粉的作用机理
• 1.3 可再分散乳胶粉再分散稳定机理
• 1.3.1 乳胶粉在液相中的分散过程
• 1.3.2 乳胶粉再分散液稳定性
• 1.3.3 乳胶粉再分散液稳定性提高途径
• 30₄及其Fe₃0₄ 聚合物复合微球的制备'>1.4 磁性Fe₃0₄及其Fe₃0₄聚合物复合微球的制备
• 30₄ 的制备'>1.4.1 磁性Fe₃0₄的制备
• 30₄ 复合微球的制备'>1.4.2 磁性Fe₃0₄复合微球的制备
• 1.5 本课题研究背景、研究意义和研究内容
• 1.5.1 本课题的研究背景和研究意义
• 1.5.2 本课题的研究内容
• 1.5.3 本课题的创新之处
• 参考文献
• 第二章 可再分散乳胶粉用丙烯酸酯乳液的合成与表征
• 2.1 引言
• 2.2 丙烯酸酯乳液乳胶粒子的结构设计原理
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 实验原料
• 2.3.2 实验装置
• 2.3.3 乳液合成
• 2.3.4 测试与表征
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 单体
• 2.4.2 乳化剂
• 2.4.3 引发剂
• 2.4.4 丙烯酸酯乳液的合成工艺
• 2.4.5 丙烯酸酯乳液结构、性能与表征
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 丙烯酸酯可再分散乳胶粉的制备及性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器及设备
• 3.2.3 可再分散乳胶粉的制备
• 3.2.4 实验内容
• 3.2.5 性能测试及表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 乳液的预处理
• 3.3.2 喷雾干燥工艺参数
• 3.3.3 最优干燥条件下丙烯酸酯可再分散乳胶粉的性能与表征
• 3.3.4 喷雾干燥模型
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 丙烯酸酯乳胶粉再分散液的分散稳定机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 乳液聚合及乳胶粉的制备
• 4.2.2 性能测试及表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 乳液pH 值对乳胶粉分散性及再分散液稳定性的影响
• 4.3.2 MAA 量对乳胶粉分散性及再分散液稳定性的影响
• 4.3.3 再分散液稳定性的DLVO 理论分析
• 4.3.4 再分散液稳定性的空间位阻理论分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 丙烯酸酯可再分散乳胶粉的应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 干粉乳胶涂料原料与配方
• 5.2.2 性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 可再分散乳胶粉对成膜性的影响
• 5.3.2 可再分散乳胶粉对耐水性的影响
• 5.3.3 可再分散乳胶粉对涂料耐洗刷性的影响
• 5.3.4 纤维素醚对乳胶涂料性能的影响
• 5.3.5 消泡剂对乳胶涂料性能的影响
• 5.3.6 分散剂对乳胶涂料性能的影响
• 5.3.7 干粉乳胶涂料测试结果
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 30₄/PMAA 复合微球的制备'>第六章 核壳结构磁性Fe₃0₄/PMAA 复合微球的制备
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验试剂
• 6.2.2 实验内容
• 6.2.3 性能测试及表征
• 6.3 结果与讨论
• 30₄ 的制备与分析'>6.3.1 磁性Fe₃0₄的制备与分析
• 30₄/PMAA 的制备与分析'>6.3.2 磁性Fe₃0₄/PMAA 的制备与分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 建议与展望
• 附录
• 主要符号和缩写说明
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 申请专利
• 致谢
• 附件