【集萃網(wǎng)觀察】采用自由基乳液聚合工藝合成的水性聚丙稀酸酯乳液(水性PA)具有較好的耐水性,耐候性、耐化學(xué)性,廣泛用于印染行業(yè)的涂料印花工藝。近年來(lái),因環(huán)保及能源緊張的原因,人們嘗試用涂料印花工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的染料印花,以達(dá)到節(jié)水、節(jié)能、清潔生產(chǎn)目的。但是,目前市售的粘合劑普通存在手感偏硬、牢度偏低的缺點(diǎn),影響染品的質(zhì)量。水性聚氨酯乳液(水性PU)具有耐低溫、柔韌性好、粘結(jié)強(qiáng)度大優(yōu)點(diǎn),但耐高溫性和耐水性差及成本較高的缺點(diǎn)限制了其在印染業(yè)中應(yīng)用。PU/PA網(wǎng)絡(luò)互穿粘合劑的性能較好,制備這類粘合劑的認(rèn)識(shí)方法就是將水性PA與水性PU共混,但很難達(dá)到提高牢度的。本實(shí)驗(yàn)用含不飽和和鍵的單體對(duì)水性PU進(jìn)行封端,然后與水性PA在自由基引發(fā)劑的存在下進(jìn)行反應(yīng),形成網(wǎng)絡(luò)互穿分子結(jié)構(gòu),可得到手感柔軟,干、濕摩擦牢度好的粘合劑,用于涂料印花。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 原料及儀器
水性PU(自制);丙稀酸丁酯、丙稀酸異辛酯、甲酯丙稀酸甲酯,工業(yè)品,北京東方化工廠;OS-15、十二烷基酸鈉K12,天津北辰化工廠;聚乙二醇(PEG800),工業(yè)品,邢臺(tái)第二化工廠;封端劑A(自制);二羥基丙酸(DMPA),工業(yè)品,成都聚氨酯品廠;辛酸亞錫,分析純,北京試劑廠;過(guò)硫酸銨,工業(yè)品,石家莊化工廠;KBrKbrO3溶液,KI溶液,NA2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液;淀粉指示劑;涂料藍(lán)。
儀器:qq-1型增力電動(dòng)攪拌器,TDW型溫度控制儀,101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱、y571B型摩擦牢度測(cè)試儀、z571型刷洗牢度測(cè)試儀等。
1.2合成
1.2.1水性PA
在四口瓶中加入2/3的離子水、1/2的復(fù)合乳化劑(KOS-15)、1/2的過(guò)硫酸銨溶液[過(guò)硫酸銨用量為0.4%~0.5%(對(duì)單位質(zhì)量)]及丙稀酸、丙稀酸異辛酯、甲基丙稀甲酯,高速攪拌40MIN,乳化成預(yù)乳液。在另一四口瓶中加入剩余的去離子水、乳化劑、引發(fā)劑及1/5的預(yù)乳液,升溫至80~85C,滴加已制備好的預(yù)乳液,1~2h加完后在80~85C保溫1H,過(guò)濾,出料。
1.22 水性PU
在四口瓶中加入計(jì)量的PEG800,攪拌下升溫至120C左右,減壓脫水1H后降溫至60c左右,加入計(jì)量的TDI,反應(yīng)約4H后加入辛酸亞錫、二羥甲基丙酸、封端劑A,保溫30MIN,出料。
1.2.3水性PA和水性PU的共聚
按一定比例加入水性PU和水性PA,升溫至80~85C,滴加1%的過(guò)硫酸銨水溶液,在1~2H內(nèi)加完,保溫1H,過(guò)濾,出料。
1.3印花工藝
將涂料藍(lán)(5%)、粘合劑(15%)、增稠劑(4%)打成色漿,在T/C細(xì)紡布上刮樣,85C烘干,150C焙烘3MIN。
1.4測(cè)試
1.4.1水性PA單體負(fù)殘余率
準(zhǔn)確稱取試樣0.2~0.3G,置于盛有50ML0.5%十二烷基硫酸鈉的碘量瓶中,搖勻。吸入25ML濃度為0.05mol/L的KBr—KBrO3溶液,然后加入10ML濃度為6mol/L的HCL溶液,塞緊瓶塞,搖勻,置于暗處放置30MIN,加入10ML10%的KI溶液,立即用0.05mol/L的Na2SO標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,當(dāng)溶液滴定至稻草色時(shí),加入2ML淀粉指示劑,繼續(xù)滴定至藍(lán)色恰好消失為終點(diǎn),同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。計(jì)算單體殘余率。
1.4.2凝膠率
要聚合完成后,用100目濾布過(guò)濾,濾渣用清水小心清洗,烘至質(zhì)量恒定,凝膠率=M1/M2*100%,其中M1為濾渣質(zhì)量,M2為單體質(zhì)量。
1.4.4玻璃化溫度(T)
取一定量的粘合劑乳液放入聚四氟乙稀模具中,加熱至40~50C成膜3天,然后加熱至80C保溫1H,脫膜。將粘合劑膜放入安瓿瓶中,采用動(dòng)態(tài)法,用膨脹計(jì)測(cè)定玻璃化溫度T。
1.4.5粘合劑牢度
粘合劑牢度參照EN ISO 105—C07—2001紡織品色牢度實(shí)驗(yàn)第C07部分:顏料印花紡織品耐濕刷洗的色牢度印花牢度測(cè)試。
2結(jié)果與討論
2.1水性PA乳液聚合反應(yīng)的影響因素
2.1.1乳化劑用量、配比
由表1可以看出,乳化劑過(guò)少易生成凝膠,放置穩(wěn)定性差,游離單體多;用量為3.0%~4.0%會(huì)發(fā)生突變,4.0%左右可以得到穩(wěn)定的乳液。因乳化劑本身親水,用量過(guò)多必然影響最終產(chǎn)品的濕牢度。因此,選擇乳化劑用量為4.0%~5.0%。
以乳化劑用量4.0%為基礎(chǔ),考察了K12和OS-15質(zhì)量比對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響,結(jié)果見表2。
由表2可看出,M(K12):OS-15在1:5~1:6為佳。
注:50C~55C和60C~65C2 個(gè)溫度段反應(yīng)非常慢,均是反應(yīng)24H后檢測(cè)?赡芤?yàn)榉磻?yīng)過(guò)于慢,幾乎無(wú)凝膠生成。
由表3可以看出,溫度低,反應(yīng)緩慢,隨著溫度的上升,反應(yīng)速度逐漸加快,溫度過(guò)高時(shí),反應(yīng)速度過(guò)快,導(dǎo)致局部過(guò)熱易形成凝膠。80~85C反應(yīng)較適宜。
2.2 二羥甲基丙酸用量對(duì)粘合劑性能的影響
離子化試劑是使PU具有良好水分散性和自乳化性的關(guān)鍵原料,可使PU沒(méi)有外加乳化劑的情況下形成穩(wěn)定的水分散體。實(shí)驗(yàn)用二羥甲基丙酸(DMPA)為陰離子化試劑。在M(水性PU):M(水性PA)為1:10條件下,改變二羥甲基酸用量,考察其對(duì)產(chǎn)品性能的影響,結(jié)果表4。
表4 二羥甲基丙酸(DMPA)用量為粘合劑性能有影響
從表4可以看出,DMPA用量過(guò)少,難以形成穩(wěn)定的水性PU體系,在和水性PA復(fù)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的水性PU體系,在和水性PA復(fù)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的凝膠:若過(guò)多,則形成的膜親水性強(qiáng),成品的濕度摩擦牢度顯著降低。DMPA用量為7%左右時(shí),形成的乳液穩(wěn)定且牢度較好。
資料顯示,PEG的分子質(zhì)量過(guò)小,成膜的硬度及脆性增大粘結(jié)強(qiáng)度下降,分子質(zhì)量過(guò)大,雖可以成膜的硬度,但拉伸性下降,并導(dǎo)致產(chǎn)品的手感發(fā)硬。本實(shí)驗(yàn)采用的PEG分子質(zhì)量為800左右。
2.3M(PU):M(PA)對(duì)粘合劑性能的關(guān)系
水性PA具有很強(qiáng)成膜性,但單體使用時(shí),其干摩擦牢度較差。采用水性PU與水性PA網(wǎng)絡(luò)互穿反應(yīng)后,由于強(qiáng)度性水性PU形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使膜肯有很高強(qiáng)度和韌性,可大幅度提高粘合劑的干濕摩擦牢度。實(shí)驗(yàn)顯示,通過(guò)優(yōu)化PU和PA的質(zhì)量比可以得到手感和牢度都較好的粘合劑,結(jié)果見表5。
表5M(PU):M(PA)對(duì)粘合劑綜合性能的影響
從表5可以看出,M(PU):M(PA)在1:10~2:10時(shí)手感最好;隨PU的增加,手感逐漸變硬,,干濕摩擦牢度變好,但凝膠率增加。因此,適宜的比例為1:10。
筆者認(rèn)為,用水性PU與水性PA合成的網(wǎng)絡(luò)互穿粘合劑,應(yīng)以水性PA為主體,水性PU起補(bǔ)充、輔助作用。因此,水性PA的性能對(duì)成品在重要的影響。為了提高粘合劑的柔軟度,左選用單體時(shí),應(yīng)盡量使粘合劑膜的玻璃化溫度(T)低一些。因?yàn)椴AЩ瘻囟仁歉叻肿渔湺螣o(wú)能無(wú)能運(yùn)動(dòng)被激活(或被凍結(jié))有轉(zhuǎn)變溫度,鏈段運(yùn)動(dòng)通過(guò)主鏈的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn),高聚物的T與高分子鏈的柔性密切相關(guān),凡能增加大分子鏈柔性的因素都能使高聚物的T降低。因此,左高聚物合成時(shí)可以選用適當(dāng)增加主鏈段的柔性成分,降低T以求獲得柔軟的粘合劑膜。加入增塑劑或溶劑也能使粘合劑膜變軟,但會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度降低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)玻璃化溫度應(yīng)控制在-35C左右,所得產(chǎn)品手感柔軟。
3結(jié)論
合成PU/PA網(wǎng)絡(luò)互穿粘合劑可采用三步反應(yīng),其中,水性PA合成中,乳化劑選擇K12和OS-15,二者質(zhì)量比為1:5~1:6,乳化劑用量為4.0%~5.0%(對(duì)單體質(zhì)量),聚合溫度為80~85C;水性PU以TDI和聚乙二醇800(PEG800)聚,少量辛酸亞錫作為催化劑,二羥甲基丙酸(DMPA)為離子化試劑(占單體質(zhì)量的7%)。然后將PU和PA以1:10的質(zhì)量比混合,在80~85C下,滴加1%過(guò)硫酸銨溶液[過(guò)硫酸銨用量為0.4%~0.5%(對(duì)單體質(zhì)量)],合成的成品外觀為乳白色稠厚液體,放置穩(wěn)定性好,涂料印花牢度基本可以和染料印花媲美,手感較柔軟。