高乙烯含量VAE乳液的研究與生產

吳尚，宋孟璐

（安徽皖維高新材料股份有限公司，安徽 巢湖 238002）

VAE 乳液是一種具有環保特性的高級水性產品，在高級膠粘劑的基料上具有廣泛應用，如防水材料、復膜膠等基料[1-2]。隨著相關技術的不斷進步和乳液市場的進一步開發，VAE 乳液的需求量越來越大，對其品種的需求也越來越多，特別是對乙烯含量高的VAE 乳液需求量極大。這是因為高乙烯含量的VAE乳液具有較低的玻璃化轉變溫度和更小的表面張力，使得聚合物更容易形成質地較柔軟的膜。此外，高乙烯含量的VAE乳液的耐水性和耐堿性俱佳[3-5]。因此，對高乙烯含量的VAE乳液的需求已經成為了市場的主要趨勢。

美國空氣公司提出一種采用兩步加料法[6]制備高固含量、高乙烯含量、高分子量的VAE 乳液的制備方法，所得VAE乳液中乙烯含量可達28%。VAE乳液中的乙烯含量主要與聚合壓力、聚合溫度、聚合時間、引發劑濃度、乳化劑的種類和用量以及VAc 的加入方式等有關。受限于聚合反應釜的壓力及聚合反應的關鍵核心工藝控制，在現有的條件下生產的VAE 乳液中乙烯含量一般低于20%。此外，常規的VAE乳液在制備過程中，通常使用部分醇解聚乙烯醇做保護膠體，通過部分醇解聚乙烯醇分子鏈上的乙酰基嫁接到VAE 上，起到穩定體系的作用。但由于PVA 羥基的親水性強，造成VAE 乳液的耐水性普遍不佳。近年來，隨著應用端工藝的變化，市場對VAE乳液耐水性能的要求越來越高[7]。本文就VAE 乳液中乙烯含量的影響因素進行了初步探討，并選用不同分子量的聚乙烯醇（PVA1788、PVA0588）復配做保護膠體，使用疏水基改性PVA 代替部分保護膠體，探究PVA保護膠體對VAE乳液性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所需原料及廠家見表1

表1 實驗原料Tab.1 Experimental materials

1.2 實驗設備及儀器

所用設備及儀器見表2。

表2 實驗設備及儀器Tab.2 Experimental equipment and instrument

1.3 高乙烯含量VAE乳液的制備

（1）乳化劑的配制：按照計量，將乳化劑A 和B 加入乳化劑調配釜中，泵入適量純水，加熱攪拌混合均勻，備用。

（2）保護膠體配制：按照計量，將PVA0588 和PVA1788 加入保護膠體調配釜中，泵入適量純水，加熱攪拌混合均勻，備用。

（3）引發劑的配制：按照計量，在氧化劑調配釜中加入H2O2，泵入適量純水，攪拌混合均勻，備用；在還原劑調配釜中加入ZFS，泵入適量純水，攪拌混合均勻，備用。

（4）乳液聚合反應：檢查反應釜確保釜內無水，先用乙烯進行置換，再通過泵將初始乳化劑溶液輸送入聚合釜中，充入乙烯至規定壓力。之后，開啟加熱系統，使釜內的溫度上升至工藝要求的水平。然后，再泵入適量的初始單體VAc。在此溫度及壓力下，以低轉速攪拌，進行20～40 min的預乳化過程，使單體VAc與乳化劑充分混合，形成穩定的預乳化液。

圖1 VAE乳液生產工藝流程圖Fig.1 VAE emulsion production process flow chart

預乳化結束后，增加攪拌的轉速，并添加少量初始引發劑。待反應完成后，進行30 min 的保溫處理。之后，泄壓并出料，最終得到VAE乳液。

1.4 測試與表征

1.4.1 乙烯含量的測定

（1）將待測樣品均勻地涂抹在載片上，在鼓風干燥箱（115℃）中放置15 min 左右，干燥至透明狀。然后進行紅外光譜掃描，觀察2 860 cm-1以及606 cm-1兩處吸收峰的透過率是否在30%～45%的范圍內；若不在則重新涂膜，直到膜的厚度在該范圍內。

（2）將光譜掃描記錄方式更改為吸光度法進行掃描，掃描范圍為4 000～400 cm-1的波數。

（3）在靠近3 100～2 775 cm-1的區間內畫一條基線，以吸光度為單位，測量2 860 cm-1峰頂至基線的吸收峰值。同時，在靠近704～573 cm-1的區間內畫另一條基線，以吸光度為單位，測量606 cm-1峰頂至基線的吸收峰值。計算公式：

式中：W1—試樣的乙烯含量，%（mol/mol）；W2—試樣的乙烯含量，%（m/m）；1.733—工作曲線的截距；0.040 74—工作曲線的斜率；28.05—乙烯的摩爾質量，g/mol；86.09—乙酸乙烯酯的摩爾質量，g/mol。（注：結果表示到小數點后兩位）

1.4.2 玻璃化轉變溫度測定

將固化后的膠膜靜置48 h，隨后使用差示掃描量熱儀對其玻璃化轉變溫度（Tg）進行測試。測試時，溫度范圍設定為-60℃～100℃，并以10℃/min的速率升溫。

1.4.3 乳液粒徑及粒徑分布

在VAE 乳液的聚合過程中，用一次性吸管定時取樣，滴入到激光粒度儀（MalvernMasterSizer2000，英國）配備的1 L 去離子水杯中，混合均勻，至儀器規定遮光強度范圍內進行粒徑及分布測試。

1.4.4 殘存VAc的測定

（1）溴-溴化鉀溶液的配制：準確稱量60 g 溴化鉀置于燒杯中，再加入200 mL 去離子水至完全溶解。再將溶液轉移至1 000 mL 的大容量瓶中，加入去離子水至容量瓶體積的一半，進行定容。使用移液管精密移取15 mL 溴素至容量瓶中，確保充分溶解后，再加入去離子水稀釋至刻度線，充分搖勻后，倒入棕色細口瓶中保存備用。

（2）溴-溴化鉀溶液的標定：移取20 mL 的溴-溴化鉀溶液（至少放置1 周）于盛有50 mL 水的250 mL 碘量瓶中，加入15%碘化鉀溶液10 mL，密封后，在暗處溫度為20℃～25℃的條件下放置5 min，用0.1 mol/L的硫代硫酸鈉標準乳液進行滴定，直到溶液呈現淺黃色，再加入1 mL的濃度為10 g/L的淀粉指示劑，繼續進行滴定，直到溶液無色。計算公式如下：

式中：c（1/2Br2）—溴-溴化鉀溶液濃度，mol/L；V—消耗的硫代硫酸鈉體積，mL；c—硫代硫酸鈉標準溶液濃度，mol/L。

（3）操作步驟

準確稱取5～6 g的均勻乳液樣品，倒入250 mL容量的碘量瓶中，再加入100 mL的蒸餾水進行溶解，用標定過的溴-溴化鉀溶液滴定至微黃色為終點。

（4）結果的計算

式中：c（1/2Br2）—溴-溴化鉀標準溶液濃度，mol/L；V—滴定消耗的溴-溴化鉀標準溶液體積，mL；m—乳液試樣質量，g；0.043—與1.00 mL溴-溴化鉀溶液c（1/2Br2）=1.000 mol/L相當的以克表示的乙酸乙烯酯質量，g。

注：平行試驗的滴定值的絕對誤差≤0.1 mL，以算術平均值表示結果，保留兩位有效數字。

1.4.5 分子量檢測

用500 μm 涂膜器將PVAc/VAE 乳液涂膜，干燥后以丙酮為溶劑采用索氏提取器萃取干膜中的VAE聚合物，用水沉淀，得到PVAc/VAE 聚合物。在80℃真空條件下，干燥24 h 后，采用凝膠滲透色譜（GPC，Waters1515，美國）對共聚物的相對分子質量進行表征（選擇測試樣品的濃度為2～6 mg/mL，置于室溫下溶解24 h以上，以保證樣品完全溶解），色譜儀上串聯3根色譜柱（styragel@HR5THF 7.8 mm×300 mm，styragel@HR4 THF 7.8 mm×300 mm和styragel@HR3 THF 7.8 mm×300 mm），以四氫呋喃（THF）為溶劑，流速為0.5 μL/min，使用聚苯乙烯（ShodexS-47，Mn=4.54×104，PDI=1.03）來校正儀器。

1.4.6 機械穩定性的評估

將試樣注入到離心管中，然后在離心機上進行離心處理，設置轉速為4 000 r/min，處理0.5 h。觀察乳液是否出現破乳，如果沒有出現或僅有少量的絮凝，則表明乳液的機械穩定性合格。

1.4.7 化學穩定性測試

參照GB/T 11175—2002 標準，將大約2 mL 的乳液樣品和0.5 mL 的CaCl2溶液（質量濃度為0.5%）加入一個50 mL 的燒杯中，充分搖勻后，再靜置至少48 h。如果乳液沒有出現凝膠或者分層現象，則表明化學穩定性合格；反之，則為不合格。

1.4.8 乳液固含量的測定

將小燒杯洗凈后置于110℃左右的烘箱內干燥后取出，然后稱取1～2 g乳液試樣置入燒杯中，放入135℃的烘箱內干燥55 min后取出稱重。計算公式：

式中：m—烘干后小燒杯和乳液的總質量，g；m1—小燒杯質量，g；m2—烘干前乳液質量，g。

2 結果與討論

2.1 乳化劑含量對乳液性能的影響

在乳液聚合體系中，雖然乳化劑不會直接參與聚合反應，但其種類、濃度和可能對乳化劑的乳化作用產生影響的各個因素，都能直接影響到聚合反應的穩定性，并最終對乳液的性能造成影響[8]。乳化劑表面的靜電屏蔽效應以及空間位阻效應對乳液的形成、乳液聚合速率、乳液穩定性、乳膠粒的大小以及結構等都有明顯的影響[9]。本文將陰離子乳化劑A和非離子乳化劑B進行復配，考查乳化劑的含量對單體轉化率、乳液凝膠率、乳液的化學穩定性、機械穩定性及乳液外觀的影響。由表3 和圖2 可知，隨著乳化劑用量的增加，轉化率逐漸增大，凝膠率逐漸降低。當乳化劑的含量大于4%，轉化率呈下降趨勢，其化學穩定性較差。上述現象可以解釋為單體分散成小液滴，與乳化劑形成更多的增溶膠束。當乳化劑濃度高于CMC 時，體系中的膠束成核成為聚合位點。因此，乳化劑在控制體系中顆粒的數量和分布方面起著重要的作用。根據這一實驗結果，確定本實驗最適乳化劑含量為4%。

圖2 乳化劑含量對轉化率和凝膠率的影響Fig.2 Effect of emulsifier content on conversion rate and gel rate

表3 乳化劑含量對乳液性能的影響Tab.3 Effect of emulsifier content on emulsion properties

2.2 引發劑用量對分子量和乳液粘度的影響

引發劑是整個VAE 乳液配方中最重要的組成部分，它分解釋放出自由基，是乳液聚合發生的基礎。由于VAE 乳液應用性能主要受保護膠體體系、共聚單元比例和共聚物相對分子質量影響，因此本文探究了引發劑用量對VAE 乳液的分子量和粘度的影響，如圖3所示。由圖3 可知，隨著引發劑含量的增加，分子量和粘度均呈現上升的趨勢，最佳的引發劑用量為2.5%。

圖3 引發劑用量對分子量和乳液粘度的影響Fig.3 Effect of initiator dosage on molecular weight and emulsion viscosity

2.3 反應溫度對乳液反應的影響

醋酸乙烯與乙烯的乳液聚合反應是一個典型的放熱反應。初始引發劑的加入，會引發體系產生劇烈反應，同時釋放出大量熱量，迅速升高體系內的溫度。因此，需嚴格控制體系溫度。不同反應溫度下的反應現象如表4所示。由表4可知，隨著反應溫度的升高，反應速度加快，殘留單體含量降低，凝聚物增多。這是由于隨著反應溫度的升高，引發劑的分解速率隨之加快，生成更多的自由基，引發活性中心增多。活性中心增多，即乳膠粒量增加，粒徑減小，反應速度增加，反應相對完全，殘留單體減少，乳液的性能較好。然而，當溫度升高，加劇了乳膠粒之間的布朗運動，導致它們相互碰撞并聚結的速度增加。這不僅使乳膠粒表面的水化層減薄，還減小了靜電斥力，從而增加了乳膠粒碰撞的機會。這些因素共同導致乳液的穩定性降低，甚至可能發生凝膠或破乳[10]。因此，確定初始反應溫度為65℃，后期反應溫度為70℃～85℃。

表4 不同溫度反應現象Tab.4 Reaction phenomena at different temperatures

2.4 聚合反應壓力對乙烯含量、固含量、粘度的影響

VAE 乳液的乙烯含量與聚合反應壓力有關。反應壓力越大，溶解在水中的乙烯量越多，在配方、反應溫度、加料程序等反應條件不變的情況下，通過提高乙烯壓力來改變反應壓力，考查反應壓力與VAE 乳液中乙烯含量的變化關系，結果如圖4、圖5 所示。由圖4 可知：在一定幅度內提高反應壓力，VAE 乳液中的乙烯含量逐漸提高，產物的玻璃化轉變溫度逐漸下降，當反應壓力達到7.5 MPa 時，乙烯含量可達21%，玻璃化轉變溫度降低到-4℃。由圖5 可知：在最佳的反應條件下，固含量隨著聚合反應壓力的增大，呈現上升的趨勢，但變化不大，均在（56±0.5）%的范圍內；乳液粘度則隨著聚合反應壓力的增大呈現先上升后下降的趨勢，在聚合壓力為6 MPa時達到最大值，為3 200 mP·s，后隨之下降，表明一定的壓力可以有利于聚合反應的進行，增加乳液的粘度。

圖4 聚合反應壓力對乙烯含量和玻璃化轉變溫度的影響Fig.4 Effect of polymerization pressure on ethylene content and glass transition temperature

圖5 聚合反應壓力對固含量和粘度的影響Fig.5 Effect of polymerization pressure on solid content and viscosity

2.5 改性PVA做保護膠體對VAE乳液性能的影響

為改善VAE 乳液的耐水性，采用含有疏水基團的改性PVA 替代部分PVA1788 保護膠體，由于改性PVA的價格較貴，因此，考查改性PVA 的含量（占總保護膠體）在10%～50%時對VAE 乳液的穩定性、粘度以及耐水性的影響，結果如表5 所示。由表5 可知，隨著改性PVA 含量的增加，乳液未出現破乳現象，穩定性均表現良好，說明改性PVA 對整個體系的穩定性影響不大。由圖6 所示，隨著改性PVA 含量的增加，乳液的粘度呈上升趨勢，在改性PVA 含量5%時最大，達到4 000 mPa·s，這可能是由于改性PVA 的聚合度較高的緣故。

圖6 改性PVA的含量對乳液粘度和耐水性的影響Fig.6 The effect of the content of modified PVA on the viscosity and water resistance of the emulsion

表5 改性PVA做保護膠體對VAE乳液性能的影響Tab.5 Effect of modified PVA as protective colloid on the properties of VAE emulsion

2.6 不同乙烯含量及性能的VAE乳液

在考查了不同反應條件對VAE乳液性能的影響后，本文制備了不同乙烯含量、玻璃化轉變溫度以及殘存VAc的差異化VAE乳液，各乳液性能檢測指標如表6所示。

3 結論

本文考查了原料（包括引發劑、乳化劑、保護膠體等）、聚合反應工藝和反應條件（反應壓力、反應溫度、反應時間）以及不同的加料方式對VAE乳液的乙烯含量、固含量、粘度、玻璃化轉變溫度和相對分子質量的影響，然后使用改性PVA 做保護膠體，考查改性PVA 對VAE乳液耐水性能的影響。

最佳的初始反應溫度為65℃，后期反應溫度為70℃～85℃，最佳的乳化劑含量為4%，最佳的引發劑用量為2.5%，通過調整反應壓力，制備了乙烯含量在9%～23%的VAE 乳液，通過使用疏水基改性PVA 代替部分保護膠體，乳液的耐水性得到明顯提高。

本文考查了原料、聚合反應工藝、反應條件以及不同的加料方式對VAE 乳液性能的影響，探究VAE 的耐水性，為后續高乙烯含量耐水VAE 乳液的研制提供參考，推動VAE乳液進一步發展，擴展VAE乳液的應用。