第七章自由基乳液聚合

第七章自由基乳液聚合 生产工艺及设备

1、乳液聚合生产工艺的特点 乳液聚合的定义：乳液聚合是单体和水在乳化剂的作用下配制成的乳状液中进行的聚合，体系主要由单体、水、乳化剂及水溶性引发剂四种成分组成。

1、乳液聚合生产工艺的特点 乳液聚合的应用： • 合成橡胶：丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等 • 合成树脂：聚氯乙烯及其共聚物、聚醋酸乙烯及其共聚物、聚丙烯酸酯类共聚物等 • 粘结剂、涂料：白胶、乳胶漆等 • 各种助剂（纺织、造纸、建筑）等

1、乳液聚合生产工艺的特点 乳液聚合生产的主要特点是：（1）聚合速度快，分子量高；（2）以水为介质，成本低。反应体系粘度小，稳定性优良，反应热易导出。可连续操作；（3）乳液制品可以直接作为涂料和粘合剂。粉料颗粒小，适合于某些特殊使用场合；（4）由于使用乳化剂，聚合物不纯。后处理复杂，成本高。

2、乳液聚合的基本原理 • 如果在水相中加入超过一定数量（临界胶束浓度）的乳化剂，经搅拌后形成乳化液体，停止搅拌后不在分层，此种现象称为乳化现象，此种稳定的非均相液体即是乳状液。乳化现象及乳化液的稳定性

2、乳液聚合的基本原理 1、乳状液稳定的条件（1）乳化剂使分散相和分散介质的表面张力降低 • 以表面活性剂作为乳化剂时，乳化剂使分散相和分散介质的界面张力降低, 使液滴和乳胶粒的自然聚集的能力大大降低,因而使体系稳定性提高。但这样仅使液滴和乳胶粒有自聚集倾向，而不能彻底防治液滴之间的聚集。例如将鱼肝油分散在浓度为2％的肥皂水中，其界面自由能比纯水降低了90％以上。

+ + + + _ + _ _ _ _ _ _ + + 乳胶粒 _ _ _ _ _ + + + + + 带负电的乳胶粒双电层示意图 2、乳液聚合的基本原理（2）离子型乳化剂的双电层静电排斥作用 • 双电层是建立了静电力和扩散力之间的平衡。由于乳胶粒表面带有电荷，故彼此之间存在静电排斥力。而且距离越近排斥力越大，使乳胶粒难以接近而不发生聚集，从而使乳状液具有稳定性。固定层吸附层

乳胶粒 具有空间位阻作用的水合层示意图 2、乳液聚合的基本原理（3）空间位阻的保护作用 • 乳化剂使液滴或乳胶粒周围形成有一定厚度和强度的水合层，起空间位阻的保护作用。这种空间位阻的保护作用阻碍了液滴或乳胶粒之间的聚集而使乳状液稳定

2、乳液聚合的基本原理 2、影响乳状液稳定的因素（1）电解质的加入 • 当乳状液中加入一定量的电解质后，液相中离子浓度增加，在吸附层中异性离子增多，电中和的结果是使动电位下降，双电层被压缩。当电解质浓度达到足够浓度时，乳胶粒的动电位降至临界点以下，乳胶粒之间的吸引力由于排斥力的消失而体现出来，使体系出现破乳和凝聚现象。离子型乳化剂形成的乳状液其电解质稳定性差。

2、乳液聚合的基本原理 （2）机械作用 • 当机械作用能量超过聚集活化能时，乳胶粒就彼此产生凝聚。非离子型乳化剂形成的乳状液其机械稳定性差；（3）冰冻 • 由于冰晶的继续增长而被覆盖在下面的乳状液一方面受到机械压力，一方面水的析出时乳状液体系内电解质浓度升高，直至最后造成破乳。（4）长期存放

2、乳液聚合的基本原理 • 乳液聚合机理及动力学 1、乳液聚合机理乳液聚过程合体系的相转变：液－液体系→液－固体系根据间隙乳液聚合的动力学特征，可以把整个乳液聚合过程分为四个阶段： • 分散阶段（聚合前段） • 乳胶粒长大阶段（聚合II段） • 乳胶粒生成阶段（聚合I段） • 聚合完成阶段（聚合III段）

M M M M M M ~1μm M 乳液聚合机理 • 分散阶段（聚合前段）增容胶束单体液滴胶束分散阶段乳液状态示意图

M M M M/P M ~1μm R* 乳液聚合机理 • 乳胶粒生成阶段（聚合Ⅰ段）（单体转化率达到10～20%）乳胶粒乳胶粒生成阶段乳液状态示意图

M M/P M M <1μm R* 乳液聚合机理 • 乳胶粒长大阶段（聚合Ⅱ段）（单体转化率达到20～60％）乳胶粒长大阶段乳液状态示意图

M/P ↓ P 乳液聚合机理 • 聚合完成阶段（聚合Ⅲ段）（单体转化率达到60～70％）聚合完成阶段乳液状态示意图

乳液聚合机理 • 乳液聚合各个阶段转化率与反应速度和表面张力的关系表面张力及聚合速度与转化率的关系图

2、乳液聚合的基本原理 2、乳液聚合反应动力学一般乳胶粒的颗粒数为1014个/ml左右；而自由基生成速度为1013/ml*s；二个自由基分别扩散到一个乳胶粒中的时间间隔为10s。按照自由基反应机理，有S-E-H(smith-Ewart-Harkins)方程： RP=kp[M][M·]= kp[M]（N/2） Xn= [kp[M]（N/2）]/(ρ/2)= kp[M]N/ρ N——乳胶粒的颗粒数 ρ——自由基的生成速度

乳液聚合反应动力学 乳胶粒的颗粒数与乳化剂的浓度及引发剂的浓度有关。对于苯乙烯和其它水溶性较小的单体的乳液聚合，其关系为： N  [E]0.6[I]0.4Rp  [E]0.6[I]0.4 XN  [E]0.6[I]-0.6 [E]——乳化剂浓度；[I]—— 引发剂浓度。

乳液聚合反应动力学 对具有一定水溶性的单体，如VAc、MMA等，能同时在胶束和水相中进行聚合，也很容易发生链转移，生成溶于水的自由基，它的反应速度与乳化剂浓度无关，与乳胶粒数目有较大关系： RP  N0.15 RP [E]0[I0]1.0 丙烯酸酯类在水中的溶解度也较高，如丙烯酸甲酯：RP  [E]0.16～0.23

3、乳液聚合物料体系及其影响因素 乳液聚合的物料组成包括： • 单体 • 引发剂 • 乳化剂 • 分散介质（水） • 其他（包括各种调节剂、电解质、螯合剂和终止剂等）

3、乳液聚合物料体系及其影响因素 • 单体乳液聚合的单体必须具备以下几个条件： ⑴单体可以增溶溶解但不能全部溶解于乳化剂的水溶液； ⑵单体可以在增溶溶解温度下进行聚合反应； ⑶ 单体与水和乳化剂无任何作用 ⑷ 对单体的纯度要求达到99％以上 ⑸ 在乳液聚合中，单体的含量一倍控制在30％～60％之间。

3、乳液聚合物料体系及其影响因素 • 乳化剂 1、乳化剂的分类高分子乳化剂表面活性剂乳化剂低分子乳化剂按照乳化剂作用形成稳定胶束的机理高分散性固体粉末乳化剂

乳化剂的分类 阴离子型乳化剂 (使用条件：pH>7) 常用的阴离子型乳化剂有：硬脂酸盐、松香酸盐、烷基硫酸盐、烷基磺酸盐、烷基芳基磺酸盐等。阳离子型乳化剂 (使用条件：pH<7) 按照亲水基团的性质主要类型是胺类化合物的盐如脂肪胺盐和季胺盐。非离子型乳化剂（适用于很宽的pH值范围）主要有聚氧乙烷基的酯和醚以及环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物等两性型乳化剂（可以在任何pH值条件下使用）

硬脂酸盐: R-COOM 松香酸盐: C19H29COOM 烷基硫酸盐: ROSO3M 烷基磺酸盐: R-SO3M 烷基芳基磺酸盐:R- －SO3M 乳化剂的分类 • 阴离子型乳化剂是溶液聚合中使用最广泛的乳化剂。由于阴离子型乳化剂外层具有静电荷，所以其机械稳定性好，化学稳定性差。 R=CnH2n+1 , ,n<9,不能形成胶束； n=10,能形成胶束, 乳化能力较差； n=12~18,乳化效果最好； n>22,不能分散于水中，不能形成胶束。

Gemini表面活性剂定义、结构特征 双子表面活性剂（Gemini surfactant），又称孪连表面活性剂双生表面活性剂偶联表面活性剂 Gemini型表面活性剂是一种新型的表面活性剂，由两个双亲分子的离子头经联接基团通过化学键联接而成。 Gemini是双子星座的意思。 1991年， Gemini的概念由Menger等第一次提出。

Gemini表面活性剂结构特征 • Gemini表面活性剂的典型结构可以看成是由两个结构相同的传统表面活性剂分子通过一个连接链连接而成，其分子结构中至少含有两个疏水链和两个亲水基团（离子或极性基团）。图一 Gemini表面活性剂特征图

Gemini表面活性剂结构特征 • 分子中含有两个疏水链、两个亲水头和一个柔或刚性连接基。 • 常见的连接基：聚亚甲基、聚氧乙烯基等柔性基及芳基等刚性基团或杂原子等。可以是亲水性的，也可以是疏水性的。

Gemini表面活性剂的类型 根据亲水头基的性质，双子表面活性剂可分为： • 阳离子型——研究的最为广泛，主要研究为季铵盐型表面活性剂 • 阴离子型——包含磷酸盐、羧酸盐、硫酸盐和磺酸盐4种类型 • 非离子型——一般是从糖类化合物衍生而来 • 两性离子双子表面活性剂根据疏水链的种类不同可分为碳氢型和碳氟型Gemini表面活性剂

阳离子Gemini表面活性剂 • 阳离子型Gemini表面活性剂最重要的是含氮的表面活性剂。目前对阳离子型双子表面活性剂研究较多也是含氮原子的，而且主要是季铵盐型表面活性剂。这是因为它生物降解性好，毒性小，性能卓越。例如： TM 结构式

阴离子Gemini表面活性剂 • 阴离子型Gemini表面活性剂种类较多，大多数专利文献报道的内容属此类，并已有工业化产品供应。从报道的化合物结构来看，主要分为磷酸盐、羧酸盐和磺酸盐型。

阴离子Gemini表面活性剂 举例：二聚体磺酸盐阴离子Gemini 表面活性剂双烷氧基双磷酸盐 Gemini 表面活性剂二聚体羧酸盐阴离子Gemini 表面活性剂

非离子Gemini表面活性剂 • 近年来，阳离子Gemini 表面活性剂和阴离子Gemini 表面活性剂研究较多，而非离子Gemini表面活性剂研究的相对较少。 • 右图是以十二酸为原料制备的一种非离子 Gemini 表面活性剂非离子 Gemini 表面活性剂

其它Gemini表面活性剂 • 阴阳离子Gemini表面活性剂 • 不对称结构Gemini表面活性剂 • 多烷基多季胺盐型Gemini表面活性剂 • 含有杂原子的Gemini表面活性剂 • 含碳氟链的Gemini表面活性剂

Gemini表面活性剂的性质 • 更易吸附在气／液表面，从而更有效地降低水的表面张力 Gemini表面活性剂分子含有两条疏水链，疏水性强，而且Gemini表面活性剂分子中的连接基通过化学键将两个亲水基连接起来，削弱了亲水基间的静电斥力及其水化层间的斥力，促进了Gemini表面活性剂分子在水溶液表面的吸附和在水溶液中的自聚，从而导致其具有很高的表面吸附能力和聚集体形成能力。

Gemini表面活性剂的性质 • 更易聚集生成胶团，因而有更低的临界胶束浓度 • Gemini表面活性剂比单链表面活性剂更易在水溶 • 液中自聚，且倾向于形成更低曲率的聚集体。 • Gemini表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）值比 • 相应的传统表面活性剂低1~2个数量级。

Gemini表面活性剂的性质 离子型表面活性剂的溶解度随着温度的升高而增加，当达到一定温度后，其溶解度会突然迅速增加，这个转变温度称为Kraff点 • 具有更低的Kraff点 Gemini表面活性剂分子中含有两个亲水基，具有足够的亲水性，而且其分子含有两条疏水链，疏水性更强，更易在水溶液表面吸附和在水溶液中形成胶团。因此，与相应的单链表面活性剂相比较，具有更好地水溶性。

非离子型表面活性剂的亲水基主要是聚氧乙烯基。升高温度会破坏聚氧乙烯基同水的结合，而使溶解度下降，甚至析出。所以加热时可以观察到溶液发生混浊现象。非离子型表面活性剂的亲水基主要是聚氧乙烯基。升高温度会破坏聚氧乙烯基同水的结合，而使溶解度下降，甚至析出。所以加热时可以观察到溶液发生混浊现象。发生混浊的最低温度称为浊点聚氧乙烯的分子数越多，亲水性越强，浊点就越高。反之，亲油性越强，浊点越低。

Gemini表面活性剂定义、结构特征 双子表面活性剂（Gemini surfactant），又称孪连表面活性剂、双生表面活性剂、偶联表面活性剂， Gemini型表面活性剂是一种新型的表面活性剂，由两个双亲分子的离子头经联接基团通过化学键联接而成。 Gemini是双子星座的意思。 1991年， Gemini的概念由Menger等第一次提出。