自交联丙烯酸酯乳液的合成及应用
一、实验目的
乳液聚合最早由德国开发。第二次世界大战期间，美国用此技术生产丁苯橡胶，以后又相继生产了丁腈橡胶和氯丁橡胶、聚丙烯酸酯乳漆、聚醋酸乙烯酯胶乳（俗称白胶）和聚氯乙烯等。与悬浮聚合不同，乳液体系比较稳定，工业上有间歇式、半间歇式和连续式生产，用管道输送或贮存时不搅拌也不会分层。生产中还可用“种子聚合”（即含活性链的胶乳）、补加单体或调节剂的方法控制聚合速度、分子量和胶粒的粒径。也可直接生产高浓度的胶乳。聚合物的水乳液有很多优点，水位为最便宜的介质，又没有燃烧、爆炸、中毒的危险，同时由乳液聚合法生产出的乳胶粒径很小，可以部分的渗入被处理物体的微观裂缝中去，达到良好的粘合、涂敷效果。正因为聚合物乳液有其独特的特点，所以广泛应用在很多技术领域，可以用作木材、织物、合成材料、金属等许多材料的黏合剂、涂料、织物处理剂、皮革浸渍剂、纸张处理剂、水泥添加剂、抛光剂等。
通过本次大型实验，可以进一步熟悉有机合成及乳液聚合，初步了解自交联丙烯酸乳液在纺织品方面的应用。 二、实验原理
乳液聚合分成四个阶段：分散阶段，乳胶粒分成阶段，乳胶粒生长阶段，聚合反应完成阶段。乳液聚合反应发生在水相粒的乳胶液中，尽管在乳胶粒内部黏度很高，但由于连续相是水，在这样的体系中，由内向外传热容易，不会出现局部过热，更不会暴聚。故在乳液聚合体系的乳胶粒中的温度分布要较均匀。乳液聚合体系中，引发剂溶于水相，在水相中分解成自由基，自由基由水相扩散到胶束中或乳胶粒中，在其中引发聚合。一个个自由基链被封闭在彼此孤立的乳胶束中，不同乳胶束由于表面带电而存在静电斥力，所以不同乳胶束中的自由基链之间碰撞到一起而进行终止的几率为零，故乳液聚合既有高的反应速率，又可达到高分子量的聚合物。
三、实验药品
丙烯酰胺，甲醛，碳酸钠，丙酮，乙酰丙酮，溴化钾(分析纯AR)，甲基丙烯酸甲酯（化学纯CP），丙烯酸正丁酯（化学纯CP），甲基丙烯酸羟丁酯（化学纯CP），碳酸氢钠，十二烷基硫酸钠（SDS）（化学纯CP），壬基酚聚氧乙烯醚（OP-10），过硫酸钾（符合GB641-94），氨水，去离子水 四、实验仪器及设备
仪器:
三口烧瓶（250ml） 温度计（0-100°C） 回流冷凝管 恒压滴液漏斗 水浴锅 烧杯（6个） 电子天平 玻璃棒 量筒（10ml和100ml）漏斗 风格仪
设备:
激光粒度分析仪（LS13320 美国贝克曼库尔特公司） HH-1型数显恒温水浴锅（金坛市科析仪器有限公司） NDJ-1型旋转式粘度仪（上海恒平科学仪器有限公司） DHG-9140电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司） DZF-6050电热恒温真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司） 电热鼓风干燥箱（重庆四达）
IS0-811抗渗水性测试仪（上海罗众科技研究所） 涂布机（纺织机械研究所）
电脑式透气性测试仪 YG461E（中国宁波纺织仪器厂）， 傅里叶红外分光光度仪 Varian640-1R
紫外可见分光光度计 UV755B（上海精密科学仪器有限公司） 769YP-15A粉末压片机（天津市科器高新技术公司）
WS70-远红外快速干燥器 WS-701（上海市锦凯科学仪器有限公司） 沾水试验仪（温州市大荣纺织仪器有限公司）
HD026N型电子织物强力仪（南通宏大实验仪器有限公司） 撕破强力仪（USA） 五、实验内容及步骤
1.交联剂N-羟甲基丙烯酰胺的合成 1步骤:
将丙烯酰胺10克溶于26ml水中，甲醛26克，10%碳酸钠调节pH;往三颈瓶中家兔丙烯酰胺溶液和甲醛，边搅拌边用碳酸钠调节pH为8.5，缓慢升温，约30min,升至70°C，保温反应1.5h，反应过程中若pH下降，则用碳酸钠调节pH为8.5，此反应必须回流冷凝，反应结束后，冷却至室温，倒入烧杯中，放入冷冻机中结晶。测含固量，冷冻结晶，过滤，称量计算产率。将所得结晶羟甲基丙烯酰胺打红外光谱，分析谱图上的特征峰。
2.N-羟甲基丙烯酰胺与丙烯酸酯等单体的共聚反应
表1 原料及配方
组分一 原料 甲基丙烯酸甲酯 丙烯酸丁酯 甲基丙烯酸羟丁酯 组分三 质量（g） 12.75 45 2.5 十二烷基硫酸钠 0.75 0.975 组分二 原料 碳酸氢钠 去离子水 质量（g） 0.3 30 N-羟甲基丙烯酰胺 1.5/2.5 去离子水 7.5 组分四 壬基酚聚氧乙烯醚 十二烷基硫酸钠 0.75 0.975 37.5 组分六 过硫酸钾 去离子水 0.45 9 组分五 壬基酚聚氧乙烯醚 去离子水
2.1 步骤：
按照表1的两种配方，分别将组分二，组分三，组分四加入烧杯中预乳化，在150-180r/min的转速下搅拌15min，然后再180-220r/min的搅拌速度下慢慢滴加组分一进行单体预乳化。预乳化时间一般为30min，若有分层则可延长预乳化时间。预乳化结束，将全部的组分五和1∕10的预乳化液加入反应釜，升温，并保持搅拌速度在220r/min左右，待温度升至80°C，加入1∕3的组分六，并保持温度80-83°C 。出现第一次自升温后，开始在80-85°C 滴加剩余的预乳化液和剩余的组分六，滴加时间2.5-3h，滴加完毕再升温至85-90°C 保温反应
1.5h后降温出料，并用氨水调节pH为7-8。转速可视反应液的黏度适当提高。
3性能测试： 3.1乳液含固量
烘干后乳液恒重质量∕乳液质量。 3.2乳液粒径测试
使用显微图像分析系统分析乳液粒径，该方法可通过显微图像比较直观地观察到乳液粒子的形态，计算出乳液中粒子的平均直径和粒径分布。 3.3甲醛含量的测试（GB∕T2912.1-1998）
乳液中如存在大量的甲醛，织物涂层后会残留在织物表面，不环保。乳液中甲醛含量太低，则会影响膜的强度，影响涂层织物的质量。本实验采用GB∕T2912.1-1998方法进行甲醛的测试，直接测定乳液中甲醛的含量。一般乳液中甲醛含量。 3.4测乳液粘度
4.自交联丙烯酸酯乳液的应用 4.1乳液成膜性实验
将合成的乳液在玻璃片或光滑面上用玻璃棒刮薄薄的一层，10分钟后看成膜情况。 4.1.1吸水率
将经烘焙后的干膜称至恒量后，浸入25°C的水中24小时，吸干膜表面水珠，称质量。
膜吸水率=（湿膜质量-干膜质量）∕干膜质量
涂层剂膜的吸水率是随着交联剂MAM用量的增加会呈下降趋势。因为交联剂MAM和功能性单体AA参加共聚反应后，分子链上便引进了-CH0H、-COOH等活性基团，在焙烘条件下，大分子链之间发生交联反应，随着其用量的增加，链节上的亲水性集团被有效封闭，涂层剂膜的吸水率下降，涂层织物的防水性增加。 3.1.2膜强韧性
将膜剪成3cm宽的细条，在强力测试仪上测定应力应变情况，得到拉伸强力
和断裂伸长率。
丙烯酸酯单体与乙烯基单体乳液共聚，可使共聚物的玻璃化温度（Tg）和膜的力学性能得以调节。当硬单体比值太小时，硬单体量少，Tg太低断裂强度值低，膜柔软且发粘；而当硬单体比值太大时，则应单体量过大，Tg太高，断裂强度过高，膜光滑硬脆，聚合物的链节不易旋转，膜伸长率降低在保证膜的柔软韧性和较高的附着力的同时，又要兼顾有一定的强度，故应选取适宜的软硬单体的比例。 4.2织物涂层
将20克乳液用氨水调成pH值为9-10，加入增稠剂（浆料用量的5-8%），调成糊状。用玻璃棒将浆料均匀地涂布在布条上（布条紧拉在架子上），100°C烘2min，140°C烘3min，冷却至室温。 4.2.1测乳液工作粘度
乳液粘度过小，进行涂层时易渗漏，乳液粘度过大，涂层时不均匀，易造成涂层质量下降，因此要保持乳液具有一定工作粘度。 4.2.2涂层织物的涂层质量
将N-强甲基丙烯酰胺不同质量分数的超微乳液涂层剂均匀刮于织物上，刮涂一次，于90°C烘干，140°C烘3min，放置24h，称重，与未涂层织物比较。
织物涂层时涂层质量一般在40-60g∕m2。
4.2.3涂层织物抗渗水性-静水压测试（GB∕T4744-1997）
没有涂层的织物水压为零。一般布面上有3滴以上的水珠出现时读数位涂层织物的水压。
交联剂用量对涂层织物抗渗水性有一定的影响。因为NAM质量分数增加，一方面有利于提高大分子的交联密度，使聚合物膜致密性增加而水渗透性降低，涂层织物抗静水压随之增高；但另一方面又能使聚合物的线性结构向网状结构发生转变，造成分子链段运动的障碍，导致涂层织物的柔软性下降。因此过多的用量可提高涂层织物的抗静水压，但会对织物的柔软性能带来不良影响。一般涂层织物的静水压在200-300mm水柱之间。
将N-强甲基丙烯酰胺不同质量分数的超微乳液涂层剂均与刮于织物上，刮涂一次，于90°C烘干，140°C烘3min，放置24h，测试抗静水压，综合各种因