第三節　綜合實驗

有機硅改性苯丙乳液的制備與性能研究

一、實驗目的

（1）了解苯丙乳液的合成原理。

（2）掌握苯丙乳液的制備及改性方法。

（3）掌握苯丙乳液的性能分析方法。

二、實驗原理

乳液聚合是指單體在乳化劑的作用下分散在介質中，加入水溶性引發劑，在攪拌或振蕩下進行的非均相聚合反應。它既不同于溶液聚合，也不同于懸浮聚合。乳化劑是乳液聚合的主要成分。乳液聚合的引發、增長，終止都在膠束的乳膠粒內進行，具有快速，分子量高的特點。單體液滴只是儲藏單體的倉庫。反應速率主要取決于粒子數。

苯丙乳液是苯乙烯（St）、丙烯酸酯類、丙烯酸三元共聚乳液的簡稱。苯丙乳液作為一類重要的中間化工產品，有其非常廣泛的用途，現已用作建筑涂料、金屬表面膠乳涂料、地面涂料、紙張黏合劑、膠黏劑等，具有無毒、無味、不燃、污染少，耐候性好、耐光、耐腐蝕性優良等特點。有機硅具有優良的防水、耐高低溫、耐紫外線和紅外輻射、耐氧化降解等性能。有機硅改性苯丙乳液產生三維網狀交聯結構，可明顯提高涂層的耐候性、耐水性、保光性、彈性和耐久性等。

本實驗以St、丙烯酸丁酯（BA）、丙烯酸、乙烯基三乙氧基硅烷等為原料，過硫酸銨為引發劑，十二烷基硫酸鈉、OP-10和NaHCO3為乳化劑，水為分散介質進行乳液聚合。苯乙烯在水相中溶解度很小，主要以膠束成核，乳化劑可以使互不相溶的單體、水轉變為穩定的不分層的乳液。

三、實驗試劑

苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、乙烯基三乙氧基硅烷、過硫酸銨、十二烷基硫酸鈉、OP-10、NaHCO3。

四、實驗步驟

（一）苯丙乳液合成

（1）在裝有攪拌器、冷凝管、溫度計及滴液漏斗的四口燒瓶中加入十二烷基硫酸鈉和OP-10作為配合乳化劑，加入碳酸氫鈉作為緩沖劑，加入1/3的引發劑。在水浴中加熱升溫并保溫在70℃，直至各組分完全溶解。

（2）逐滴加入60g苯乙烯與丙烯酸丁酯的混合單體，在2h內滴完。

（3）在混合單體滴加0.5h后開始滴加剩余的2/3引發劑，并控制其滴加速度，使其與所有單體一同滴完。

（4）再將乙烯基三乙氧基硅烷與剩余的苯乙烯和丙烯酸丁酯混合后滴加，1h滴加完成，升溫至80℃并保溫反應1h。各組分用量見表1-12。

（二）性能表征

1.固含量的測定

取乳液1～2g，加入少量的阻聚劑，放入已稱量的蒸發皿中。將蒸發皿及試樣在60℃下干燥至恒重，固含量按式（1-20）計算：

　　         （1-20） 　　

式中，w為固含量，%；m0為起始試樣質量，g；m1為干燥后試樣質量，g。

2.單體轉化率的測定

操作同步驟1，轉化率按式（1-21）計算：

　　         （1-21） 　　

式中，x為轉化率；m0為起始試樣質量，g；m1為干燥恒重后試樣質量，g；w為配方中不揮發成分的質量分數，%；wd為配方中單體的質量分數，%。

3.乳液黏度的測定

用NDJ-80數顯黏度計測定乳液的黏度。

4.乳液最低成膜溫度的測定

在一定的低溫條件下，聚合物乳液中的水分揮發以后，乳膠粒仍為離散的顆粒，并不能融為一體。在高于某一特定的溫度時，水分揮發以后，各乳膠粒中的分子會互相滲透，互相擴散，聚結為一體而成為連續透明的薄膜。能夠成膜的溫度下限值叫最低成膜溫度（MFT）。它是聚合物乳液的一個重要性能指標，對于聚合物乳液的應用具有指導意義。

聚合物乳液的MFT值在MFT測定儀上進行測定，這種儀器的主體為一塊溫度梯度板，在板上由冷端到熱端溫度均勻分布。將待測聚合物乳液樣品均勻地涂在梯度板上，待水分揮發以后，將在某一位置處出現一條分界線，在該線高溫一側形成透明而連續的薄膜，而在低溫一側則呈開裂、半分化或白堊狀，這條分界線所對應的溫度即為最低成膜溫度。

5.乳液稀釋穩定性的測定

取2g乳液，邊攪拌邊加入8g蒸餾水，攪勻，靜置24h。若無分層或破乳及為合格。

6.乳液鈣離子穩定性的測定

取10g乳液，邊攪拌邊加入2g的5%氯化鈣水溶液，攪勻，于室溫下放置24h，若無分層或破乳即為合格。

7.紅外光譜（IR）分析

將乳液均勻地涂在載玻片上成膜；取下乳膠膜，放入索氏提取器中，用四氫呋喃抽提24h；將抽提后的乳膠膜用紅外光譜儀測定。

8.共聚物玻璃化轉變溫度的測定

因為共聚物種含有乳化劑和殘留單體等雜質的影響，所以不能直接去測玻璃化轉變溫度Tg，應該首先對產物進行處理。

將共聚物乳液中加入適量的無水乙醇進行破乳，將絮狀沉淀取出，并用無水乙醇洗滌3次，除凈其中的殘留單體，放入真空烘箱中在60℃、0.1MPa真空度下24h烘干。采用DSC測定其玻璃化轉變溫度Tg。

五、思考題

（1）乙烯基三乙氧基硅烷的作用是什么？可以改善苯丙乳液的哪些性能？

（2）乳液聚合的主要原理是什么？

（3）復合乳化劑的作用是什么？