劉文波 劉佳維

(1.東北林業(yè)大學生物質(zhì)材料科學與技術(shù)教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱,150040;2.牡丹江醫(yī)學院,黑龍江牡丹江,157011)

不同復(fù)配乳化劑合成乳液對汽車工業(yè)濾紙強度性能的影響

劉文波1劉佳維2

(1.東北林業(yè)大學生物質(zhì)材料科學與技術(shù)教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱,150040;2.牡丹江醫(yī)學院,黑龍江牡丹江,157011)

以苯乙烯和丙烯酸酯為主要單體,設(shè)計多種復(fù)配乳化劑方案,通過單體預(yù)乳化、半連續(xù)乳液聚合法合成苯丙乳液,用作汽車發(fā)動機空氣濾清器濾紙浸漬樹脂。研究了多種復(fù)配乳化劑合成苯丙乳液浸漬對汽車工業(yè)濾紙抗張強度、耐破度及挺度的影響,篩選出對濾紙強度性能作用效果良好的復(fù)配乳化劑。結(jié)果表明,合成乳液浸漬對提高汽車工業(yè)濾紙抗張強度、挺度及耐破度作用顯著,OP-10/FR-1、OR-2/DSB、FOR-3/RE-610復(fù)配乳化劑乳液浸漬的汽車工業(yè)濾紙抗張強度高于 3.15 kN/m、挺度大于 3.45 mN·m、耐破度在 250 kPa以上。

乳化劑;苯丙乳液;汽車工業(yè)濾紙;強度

汽車工業(yè)濾紙水乳型浸漬樹脂主要包括醋丙乳液、苯丙乳液、丙烯酸酯乳液及其改性產(chǎn)品[1]。浸漬后的濾紙還存在耐破度、挺度等強度性能指標較低,滿足不了后續(xù)加工及使用性能和使用壽命等要求。常見改進方法有外加交聯(lián)劑、采用無皂乳液聚合合成乳液、采用含硅氟單體以及多種功能性單體改性等[2-3]。本實驗在確定主要單體/配方、合成工藝條件 (溫度、時間、攪拌速度)的前提下,根據(jù)合成乳液單體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和組成確定可選乳化劑類型,按照合成乳液所需親水親油平衡值 (HLB)、離子型乳化劑與非離子型乳化劑復(fù)配使用等原則,結(jié)合乳液聚合工藝和乳液應(yīng)用來設(shè)計乳化劑選擇范疇,根據(jù)浸漬乳液特殊性采用含氟、硅元素乳化劑和反應(yīng)型乳化劑,以提高乳液成膜的憎水性能和減少游離乳化劑的析出[4-5],從而設(shè)計出一系列苯丙乳液的乳化方案。研究不同復(fù)配乳化劑體系合成乳液對汽車工業(yè)濾紙抗張強度、耐破度及挺度性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料與藥品

苯乙烯 (ST)、丙烯酸丁酯 (BA)、過硫酸銨(APS),分析純;丙烯酸 (AA)、N-羥甲基丙烯酰胺(N-MA),化學純;S-201(全氟烷基乙氧基醚醇非離子氟表面活性劑),OR-2(乙烯氧化物型非離子表面活性劑),FOR-3(壬基酚聚氧乙烯醚),OP-10(壬基酚聚氧乙烯醚)為非離子型乳化劑;DSB (烷基二苯醚磺酸鈉)、SDS(十二烷基磺酸鈉),S-100(磺酸鹽型陰離子氟表面活性劑),FR-1(脂肪族陰離子表面活性劑),SR-10(醚硫酸鹽型的陰離子反應(yīng)性乳化劑),COPS-1(烯丙氧基羥丙磺酸鈉),CO-436(壬基酚聚氧乙烯醚硫酸銨),OF-40(烷基胺基乙烯磺酸鈉),RE-610(壬基酚乙氧基化物的磷酸酯),RS-610(支鏈烷基醇聚氧乙烯醚磷酸單酯)為陰離子乳化劑;濾紙原紙,透氣度 640 L/(m2·s)、耐破度 61.0 kPa、定量 110 g/m2、平均孔徑 76μm。

1.2 合成方法

將部分乳化劑和去離子水加入預(yù)乳化瓶中,分散均勻后加入全部單體,高速攪拌乳化 0.5 h,得到乳白色均一的預(yù)乳化液。將剩余乳化劑和去離子水加入四口瓶中,升溫至 70℃,加入一定量的預(yù)乳化液和1/2引發(fā)劑,繼續(xù)升溫至 82℃開始反應(yīng)。待瓶內(nèi)乳液產(chǎn)生藍光,將剩余預(yù)乳化液和引發(fā)劑以一定時間間隔緩慢連續(xù)地加入到四口瓶中,整個滴加過程控制在2 h。滴加完畢,升溫至 85℃保溫 1 h。然后冷卻至室溫,用氨水溶液調(diào)節(jié)乳液 pH值到 7～8,用 80目紗布過濾出料。

實驗配方：m(ST)∶m(BA)=60∶40,AA用量5%,N-MA用量 2%,APS用量為 0.8%。

1.3 乳化劑復(fù)配方案

在陰離子乳液合成中,非離子乳化劑與陰離子乳化劑復(fù)配有助于提高乳液聚合過程及合成乳液的穩(wěn)定性;含氟乳化劑合成乳液聚合物成膜具有優(yōu)異的耐油耐水及表面平整、光滑等性能;使用反應(yīng)型乳化劑合成乳液能夠明顯提高乳液成膜強度、耐水性能,降低成本,減少游離乳化劑等功效。本實驗根據(jù)苯乙烯和丙烯酸丁酯等單體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和組成,參照合成乳液所需 HLB值,結(jié)合乳化劑選擇原則與經(jīng)驗,設(shè)計乳化劑 OP-10、含氟乳化劑 S-201、反應(yīng)型乳化劑OR-2、反應(yīng)型乳化劑 FOR-3共 4種非離子型乳化劑與不同陰離子乳化劑復(fù)配,形成 4種乳化劑體系,如表1。

表1 復(fù)配乳化劑體系

1.4 濾紙制備與性能檢測

將 15 cm×20 cm的原紙在 6%的乳液中浸漬30～40 s,控制原紙上膠量 25%。然后放入 125～140℃烘箱中干燥固化 7～8 min,于干燥器中冷卻到室溫備用。濾紙抗張強度、耐破度、挺度按國家相關(guān)標準檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配乳化劑對濾紙抗張強度的影響

濾紙原紙的抗張強度主要是由植物纖維間結(jié)合強度決定的,但經(jīng)苯丙乳液浸漬后的濾紙,抗張強度則是由聚合物在濾紙纖維間形成的聚合物膜的強度和纖維間的結(jié)合強度共同決定的,且聚合物膜的強度對濾紙抗張強度起主要作用。實驗采用 OP-10、OR-2、S-201和 FOR-3分別與陰離子乳化劑復(fù)配合成苯丙乳液,研究不同乳化劑體系對濾紙抗張強度的影響。結(jié)果見圖 1～圖 4。

由圖 1～圖 4可知,S-201與陰離子乳化劑復(fù)配時,濾紙的抗張強度明顯高于OP-10、OR-2和 FOR-3與陰離子乳化劑復(fù)配時濾紙的抗張強度,除了S-201/S-100以外,其余乳液浸漬濾紙抗張強度均高于 3.30 kN/m,主要由于 S-201與陰離子乳化劑復(fù)配反應(yīng)生成的聚合物內(nèi)聚力較大;OR-2/陰離子乳化劑對抗張強度影響最大,OR-2為乙烯氧化物附加型非離子乳化劑,對單體乳化和乳液成膜交聯(lián)性能相對較低。對濾紙的抗張強度較好的復(fù)配乳化劑有 OP-10/DSB、OP-10/FR-1、OP-10/OF-40、OP-10/COPS-1、OR-2/DSB、 FOR-3/DSB、 FOR-3/S-100、 FOR-3/COPS-1、FOR-3/FR-1、FOR-3/RE-610,濾紙的抗張強度高于3.15 kN/m,也可以看出十二烷基苯磺酸鈉 (DSB)乳化劑對濾紙抗張強度有較好的作用。

2.2 復(fù)配乳化劑對濾紙挺度的影響

挺度對于汽車工業(yè)濾紙來說是一個非常重要的強度指標。濾紙原紙結(jié)構(gòu)是柔軟而且疏松的纖維結(jié)構(gòu),原紙的挺度非常低,經(jīng)乳液浸漬后,濾紙的挺度就主要由聚合物膜來決定。實驗采用 OP-10、OR-2、S-201和 FOR-3分別與陰離子乳化劑復(fù)配合成苯丙乳液,研究不同乳化劑體系對濾紙挺度的影響。其結(jié)果見圖 5～圖 8。

由圖 5～圖 8可以看出,OR-2/SR-10合成乳液浸漬濾紙的挺度比較特殊,最大值為 5.74 mN·m。濾紙挺度較大的還有 OP-10/SDS、OR-2/DSB、S-201/SR-10、FOR-3/COPS-1、 FOR-3/RE-610, 濾紙挺度在 3.45 mN·m以上。

2.3 復(fù)配乳化劑對濾紙耐破度的影響

濾紙浸漬乳液后其耐破度大大提高,主要是由于乳液的使用,使纖維和纖維得到粘結(jié),聚合物膜的形成提供了更強的的抗拉和抗破裂能力。實驗采用 OP-10、OR-2、S-201和 FOR-3分別與陰離子乳化劑復(fù)配合成苯丙乳液,研究不同乳化劑體系對濾紙耐破度的影響,其結(jié)果見圖 9～圖 12。

由圖 9～圖 12可知,苯丙乳液應(yīng)用于濾紙后,濾紙的耐破度都有大幅度提高。濾紙耐破性能較好的有 OP-10/DSB、OP-10/S-100、OP-10/SR-10、OP-10/FR-1、OP-10/SR-610、OR-2/SDS、OR-2/DSB、OR-2/OF-40、S-201/COPS-1、S-201/RE-610、S-201/SR-610、FOR-3/DSB、FOR-3/RE-610,濾紙耐破度都在250 kPa以上。

3 結(jié) 論

采用 4種非離子型乳化劑與 10種不同陰離子乳化劑復(fù)配形成的復(fù)配乳化劑體系合成乳液浸漬汽車工業(yè)濾紙,研究了其對汽車工業(yè)濾紙抗張強度、挺度、耐破度的影響。

3.1 S-201/陰離子乳化劑乳液浸漬濾紙抗張強度較高,OR-2/陰離子乳化劑乳液浸漬濾紙抗張強度較低,DSB乳化劑對提高濾紙抗張強度作用較明顯。

3.2 合成乳液浸漬濾紙的挺度達到 3.45 mN·m以上的有OR-2/DSB;OP-10/FR-1;S-201/SR-10;FOR-3/COPS-1、FOR-3/RE-610乳化體系。

3.3 乳液浸漬后濾紙的耐破度都有大幅度提高。OP-10/DSB、OP-10/S-100、OP-10/SR-10、OP-10/FR-1、OP-10/SR-610復(fù)配體系、OR-2/SDS、OR-2/DSB、OR-2/OF-40復(fù)配體系、S-201/COPS-1、S-201/RE-610、 S-201/RS-610;FOR-3/DSB、 FOR-3/RE-610復(fù)配體系乳液浸漬濾紙耐破度都在 250 kPa以上。

3.4 乳液浸漬濾紙抗張強度高于 3.15 kN/m、挺度大于 3.45 mN·m、耐破度都在 250 kPa以上的復(fù)配乳化劑有 OP-10/FR-1、OR-2/DSB、FOR-3/RE-610。

[1] 黃小華,周雪松,鄭熾嵩,等.濾清器濾紙浸漬用苯丙乳液耐水性研究[J].中國造紙,2004,23(7)：20.

[2] CHEN Li-jun,ZHANG Xin-ya,HUANG Hong.Influence of NP/DBS Mixed Emulsifiers on Properties of Styrene-Acrylate Emulsions[J].Journal of Southwest China Normal University(Natural Science),2005,30(5)：849.

[3] 張曉東.高分子乳化劑用于苯丙無皂乳液聚合的研究[J].涂料工業(yè),2010,40(6)：37.

[4] 戴建才,黃國東,張慶華,等.乳液型發(fā)動機濾紙浸漬劑的合成及性能[J].紙和造紙,2006,25(4)：34.

[5] 張珍英,管 蓉,陳正國.含氟乳化劑丙烯酸酯乳液的制備及性能[J].膠體與聚合物,2001,19(1)：11.

(責任編輯：馬 忻)

I nfluence of Emulsifier on the Strengthen Properties of Filter Paper I mpregnated with Syrene-acrylic Eulsion

L I U Wen-bo1,＊L I U Jia-wei2
(1.Key Lab of B io-based Material Science and Technology of Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin,Heilongjiang Province,150040;2.Pharmacy Department,Mudanjiang Medical College,Mudanjiang,Heilongjiang Province,157011)
( ＊ E-mail：hljlwbo@163.com)

In this work,styrene-acrylic emulsion using for impregnating automobile filter paper was prepared by preemulsification and semicontinuous copolymerization process,using styrene and acrylate as monomers and using various combined emulsifiers.The influence of emulsifiers on tensile and burst properties,and stiffness of the filter paper was investigated,and then the combined emulsifiers with best performances were selected.The use of emulsifiers contributed significantly to tensile and burst properties,and stiffness of the filter paper.The tensile strength of above 3.15 kN/m,stiffness of above 3.45 mN·m,and burst strength of above 250 kPa were achieved when the emulsifiers includingOP-10/FR-1,OR-2/DSB,and FOR-3/RE-610 were used.

emulsifier;styrene-acrylic emulsion;automobile filter paper;strength

TS761.2

A

0254-508X(2011)04-0026-04

劉文波先生,博士,副教授;主要從事加工紙與特種紙的教學和科研工作。

2010-12-17(修改稿)

本課題得到中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助 (DL09CB07)。