全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液的合成及表面施胶性能研究

摘要

目前，随着人们的生活水平不断提高，社会对纸张的需求量不断增大，人们对纸张的性能要求越来越高。施胶剂作为造纸工业过程中必不可少的化学助剂，也越来越受到重视。用水性丙烯酸酯共聚物乳液作为表面施胶剂对纸张进行表面施胶，胶料涂敷于纤维表面，可显著降低其表面自由能，使纸张具有更好的防水防油性和提高强度等性能，以满足一些特种纸的性能需要。表面能较小的全氟烷基化合物具有防水防油性能和防玷污性能，且与生物相容性很好。全氟烷基丙烯酸酯共聚物乳液，可赋予聚合物涂膜优异的表面性能，解决传统水性丙烯酸酯共聚物乳液防水防油性能不佳的问题，同时全氟烷基化合物的加入也可提高聚合物的耐热性、化学稳定性等性能。
　　本课题采取间歇加料乳液聚合法，用过硫酸铵(APS)作为引发剂，用甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HMEA)、丙烯酸丁酯(BA)作为单体，用聚氧乙烯辛基苯酚醚（OP-10）、十二烷基硫酸钠(SDS)、烷基醇聚氧乙烯硫酸铵(DNS-18)作为乳化剂，制备丙烯酸酯共聚物细微乳液(WPA)。探讨了丙烯酸酯共聚物细微乳液制备的最佳合成条件和方案，并研究了最佳条件方案下制备的丙烯酸酯共聚物细微乳液和胶膜的性能。加入全氟烷基乙基丙烯酸酯(FM)对丙烯酸酯共聚物进行改性，得到性能优异的全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液(WFPA)。研究了不同FM加入量下的WFPA的乳液性能和胶膜性能。将制备的WFPA应用于纸张表面施胶剂中，讨论了不同FM加入量的WFPA对纸张防水防油性能和各项力学性能的影响。本文的主要工作流程如下:
　　(1)采用间歇加料乳液聚合法进行合成丙烯酸酯共聚物细微乳液。当聚合温度为80℃、搅拌速率为175r/min、乳化剂用量为5％、引发剂用量为0.5％、反应时间为4h，且乳化剂选用配比为m(OP-10)∶m（DNS-18）∶m(SDS)=1∶1∶1时，所制备的WPA的乳液稳定性能最佳。WPA胶膜与水的静态接触角为73.2°，与液体石蜡的静态接触角为47.1°，WPA胶膜的防水防油性能较差。
　　(2)通过加入FM单体改性，得到稳定性好的WFPA细微乳液，可以有效增强了聚合物胶膜的防水防油性能，WFPA胶膜与水和液体石蜡的接触角随着FM含量增加而增大，吸水率随之增加而变小。当FM单体加入量为7％时，胶膜与水的静态接触角最大为124.7°，胶膜与液体石蜡的静态接触角最大为101.4°。
　　(3)WFPA细微乳液型表面施胶剂对纸张表面施胶后，可使纸张表面的纤维间结合更加平整紧实，纸张纤维表面变得平滑，明显提高了纸张的力学强度性能。
　　(4)具有较低表面能的含氟基团的WFPA通过对纸张表面施胶，明显提高了纸张的防水防油性能，当FM单体加入量为7％时，施胶后纸张与水的静态接触角达到了134.2°、与液体石蜡的静态接触角达到了116.3°。

目录

摘要

1 引言

1．1 造纸施胶剂

1．2 表面施胶剂

1．2．1 表面施胶剂国内外发展概况

1．2．2 表面施胶的目的和用途

1．2．3 表面施胶剂的作用机理

1．2．4 合成表面施胶剂的分类

1．3 有机氟表面活性剂与抗油纸

1．3．1 纸张抗油的性能要求

1．3．2 全氟表面活性剂的特性

1．4 丙烯酸酯共聚物

1．4．1 丙烯酸酯的反应特征

1．4．2 丙烯酸酯共聚物合成方法的对比

1．4．3 乳液聚合的基本工艺

1．5 本课题研究意义和研究内容

1．5．2 研究内容

2 丙烯酸酯共聚物细微乳液及胶膜的制备和结构性能表征

2．1 主要原料和仪器

2．1．1 主要原料

2．1．2 实验仪器

2．2．1 工艺流程及反应机理

2．2．2 实验方案

2．2．5 乳液稳定性测定

2．3 实验因素对共聚物生成的影响分析

2．3．1 聚合温度对共聚物生成的影响分析

2．3．2 搅拌速率对共聚物生成的影响分析

2．3．3 乳化剂用量及选择配比对共聚物稳定性的影响分析

2．3．4 引发剂用量对共聚物生成的影响分析

2．3．5 反应时间对共聚物生成的影响分析

2．4 丙烯酸酯共聚物细微乳液及胶膜结构表征

2．4．1 傅立叶红外光谱的表征

2．4．2 共聚物分子量测定

2．4．3 乳液粒径测定

2．4．4 胶膜表面接触角

2．5 结果与讨论

2．5．1 丙烯酸酯共聚物红外光谱表征

2．5．2 丙烯酸酯共聚物分子量分析

2．5．3 丙烯酸酯共聚物细微乳液粒径分析

2．5．4 丙烯酸酯共聚物胶膜表面接触角分析

2．6 小结

3 全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液及胶膜的制备和结构性能表征

3．1 主要原料主要原料和仪器

3．1．1 主要原料

3．2．2 实验仪器

3．2 全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液及胶膜的制备

3．2．1 全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液的制备

3．2．2 全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液制备方案

3．2．3 全氟烷基丙烯酸酯共聚物胶膜的制备

3．3 全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液及胶膜性能表征

3．3．1 乳液稳定性测定

3．3．2 红外光谱表征

3．3．3 共聚物分子量测定

3．3．4 乳液粒径测定

3．3．5 胶膜表面结构测试

3．3．6 胶膜表面接触角测试

3．3．7 胶膜吸水率测定

3．3．9 胶膜表面元素分析测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液外观及稳定性分析

3．4．2 全氟烷基丙烯酸酯共聚物红外光谱表征

3．4．3 全氟烷基丙烯酸酯共聚物分子量分析

3．4．4 全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液粒径分析

3．4．5 全氟烷基丙烯酸酯共聚物胶膜X光电子能谱

3．4．6 全氟烷基丙烯酸酯共聚物胶膜表面接触角分析

3．4．7 全氟烷基丙烯酸酯共聚物胶膜吸水率测定

3．4．8 全氟烷基丙烯酸酯共聚胶膜热重分析

3．4．9 全氟烷基丙烯酸酯共聚物胶膜表面形貌分析

3．5 小结

4 全氟烷基丙烯酸酯共聚物细微乳液表面施胶性能

4．1 实验

4．1．1 实验仪器

4．1．2 纸张表面施胶

4．2 纸张性能测试

4．2．1 纸张扫描电镜测试

4．2．2 纸张施胶度测试

4．2．3 纸张表面接触角测试

4．2．4 纸张撕裂指数测试

4．2．5 纸张耐破度测试

4．2．6 纸张环压强度测试

4．2．7 纸张抗张指数测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 纸张扫描电镜分析

4．3．2 纸张施胶度分析

4．3．3 纸张表面接触角分析

4．3．4 纸张撕裂度分析

4．3．5 纸张耐破度分析

4．3．6 纸张环压强度分析

4．3．7 纸张抗张强度分析

4．4 小结

5 结论与展望

5．1 主要工作及结论

5．2 主要创新点及下一步工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的成果

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