不同复配乳化剂合成乳液对汽车工业滤纸强度性能的影响

刘文波 刘佳维

(1.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150040;2.牡丹江医学院,黑龙江牡丹江,157011)

不同复配乳化剂合成乳液对汽车工业滤纸强度性能的影响

刘文波1刘佳维2

(1.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150040;2.牡丹江医学院,黑龙江牡丹江,157011)

以苯乙烯和丙烯酸酯为主要单体,设计多种复配乳化剂方案,通过单体预乳化、半连续乳液聚合法合成苯丙乳液,用作汽车发动机空气滤清器滤纸浸渍树脂。研究了多种复配乳化剂合成苯丙乳液浸渍对汽车工业滤纸抗张强度、耐破度及挺度的影响,筛选出对滤纸强度性能作用效果良好的复配乳化剂。结果表明,合成乳液浸渍对提高汽车工业滤纸抗张强度、挺度及耐破度作用显著,OP-10/FR-1、OR-2/DSB、FOR-3/RE-610复配乳化剂乳液浸渍的汽车工业滤纸抗张强度高于 3.15 kN/m、挺度大于 3.45 mN·m、耐破度在 250 kPa以上。

乳化剂;苯丙乳液;汽车工业滤纸;强度

汽车工业滤纸水乳型浸渍树脂主要包括醋丙乳液、苯丙乳液、丙烯酸酯乳液及其改性产品[1]。浸渍后的滤纸还存在耐破度、挺度等强度性能指标较低,满足不了后续加工及使用性能和使用寿命等要求。常见改进方法有外加交联剂、采用无皂乳液聚合合成乳液、采用含硅氟单体以及多种功能性单体改性等[2-3]。本实验在确定主要单体/配方、合成工艺条件 (温度、时间、搅拌速度)的前提下,根据合成乳液单体的结构、性质和组成确定可选乳化剂类型,按照合成乳液所需亲水亲油平衡值 (HLB)、离子型乳化剂与非离子型乳化剂复配使用等原则,结合乳液聚合工艺和乳液应用来设计乳化剂选择范畴,根据浸渍乳液特殊性采用含氟、硅元素乳化剂和反应型乳化剂,以提高乳液成膜的憎水性能和减少游离乳化剂的析出[4-5],从而设计出一系列苯丙乳液的乳化方案。研究不同复配乳化剂体系合成乳液对汽车工业滤纸抗张强度、耐破度及挺度性能的影响。

1 实 验

1.1 实验原料与药品

苯乙烯 (ST)、丙烯酸丁酯 (BA)、过硫酸铵(APS),分析纯;丙烯酸 (AA)、N-羟甲基丙烯酰胺(N-MA),化学纯;S-201(全氟烷基乙氧基醚醇非离子氟表面活性剂),OR-2(乙烯氧化物型非离子表面活性剂),FOR-3(壬基酚聚氧乙烯醚),OP-10(壬基酚聚氧乙烯醚)为非离子型乳化剂;DSB (烷基二苯醚磺酸钠)、SDS(十二烷基磺酸钠),S-100(磺酸盐型阴离子氟表面活性剂),FR-1(脂肪族阴离子表面活性剂),SR-10(醚硫酸盐型的阴离子反应性乳化剂),COPS-1(烯丙氧基羟丙磺酸钠),CO-436(壬基酚聚氧乙烯醚硫酸铵),OF-40(烷基胺基乙烯磺酸钠),RE-610(壬基酚乙氧基化物的磷酸酯),RS-610(支链烷基醇聚氧乙烯醚磷酸单酯)为阴离子乳化剂;滤纸原纸,透气度 640 L/(m2·s)、耐破度 61.0 kPa、定量 110 g/m2、平均孔径 76μm。

1.2 合成方法

将部分乳化剂和去离子水加入预乳化瓶中,分散均匀后加入全部单体,高速搅拌乳化 0.5 h,得到乳白色均一的预乳化液。将剩余乳化剂和去离子水加入四口瓶中,升温至 70℃,加入一定量的预乳化液和1/2引发剂,继续升温至 82℃开始反应。待瓶内乳液产生蓝光,将剩余预乳化液和引发剂以一定时间间隔缓慢连续地加入到四口瓶中,整个滴加过程控制在2 h。滴加完毕,升温至 85℃保温 1 h。然后冷却至室温,用氨水溶液调节乳液 pH值到 7～8,用 80目纱布过滤出料。

实验配方：m(ST)∶m(BA)=60∶40,AA用量5%,N-MA用量 2%,APS用量为 0.8%。

1.3 乳化剂复配方案

在阴离子乳液合成中,非离子乳化剂与阴离子乳化剂复配有助于提高乳液聚合过程及合成乳液的稳定性;含氟乳化剂合成乳液聚合物成膜具有优异的耐油耐水及表面平整、光滑等性能;使用反应型乳化剂合成乳液能够明显提高乳液成膜强度、耐水性能,降低成本,减少游离乳化剂等功效。本实验根据苯乙烯和丙烯酸丁酯等单体的结构、性质和组成,参照合成乳液所需 HLB值,结合乳化剂选择原则与经验,设计乳化剂 OP-10、含氟乳化剂 S-201、反应型乳化剂OR-2、反应型乳化剂 FOR-3共 4种非离子型乳化剂与不同阴离子乳化剂复配,形成 4种乳化剂体系,如表1。

表1 复配乳化剂体系

1.4 滤纸制备与性能检测

将 15 cm×20 cm的原纸在 6%的乳液中浸渍30～40 s,控制原纸上胶量 25%。然后放入 125～140℃烘箱中干燥固化 7～8 min,于干燥器中冷却到室温备用。滤纸抗张强度、耐破度、挺度按国家相关标准检测。

2 结果与讨论

2.1 复配乳化剂对滤纸抗张强度的影响

滤纸原纸的抗张强度主要是由植物纤维间结合强度决定的,但经苯丙乳液浸渍后的滤纸,抗张强度则是由聚合物在滤纸纤维间形成的聚合物膜的强度和纤维间的结合强度共同决定的,且聚合物膜的强度对滤纸抗张强度起主要作用。实验采用 OP-10、OR-2、S-201和 FOR-3分别与阴离子乳化剂复配合成苯丙乳液,研究不同乳化剂体系对滤纸抗张强度的影响。结果见图 1～图 4。

由图 1～图 4可知,S-201与阴离子乳化剂复配时,滤纸的抗张强度明显高于OP-10、OR-2和 FOR-3与阴离子乳化剂复配时滤纸的抗张强度,除了S-201/S-100以外,其余乳液浸渍滤纸抗张强度均高于 3.30 kN/m,主要由于 S-201与阴离子乳化剂复配反应生成的聚合物内聚力较大;OR-2/阴离子乳化剂对抗张强度影响最大,OR-2为乙烯氧化物附加型非离子乳化剂,对单体乳化和乳液成膜交联性能相对较低。对滤纸的抗张强度较好的复配乳化剂有 OP-10/DSB、OP-10/FR-1、OP-10/OF-40、OP-10/COPS-1、OR-2/DSB、 FOR-3/DSB、 FOR-3/S-100、 FOR-3/COPS-1、FOR-3/FR-1、FOR-3/RE-610,滤纸的抗张强度高于3.15 kN/m,也可以看出十二烷基苯磺酸钠 (DSB)乳化剂对滤纸抗张强度有较好的作用。

2.2 复配乳化剂对滤纸挺度的影响

挺度对于汽车工业滤纸来说是一个非常重要的强度指标。滤纸原纸结构是柔软而且疏松的纤维结构,原纸的挺度非常低,经乳液浸渍后,滤纸的挺度就主要由聚合物膜来决定。实验采用 OP-10、OR-2、S-201和 FOR-3分别与阴离子乳化剂复配合成苯丙乳液,研究不同乳化剂体系对滤纸挺度的影响。其结果见图 5～图 8。

由图 5～图 8可以看出,OR-2/SR-10合成乳液浸渍滤纸的挺度比较特殊,最大值为 5.74 mN·m。滤纸挺度较大的还有 OP-10/SDS、OR-2/DSB、S-201/SR-10、FOR-3/COPS-1、 FOR-3/RE-610, 滤纸挺度在 3.45 mN·m以上。

2.3 复配乳化剂对滤纸耐破度的影响

滤纸浸渍乳液后其耐破度大大提高,主要是由于乳液的使用,使纤维和纤维得到粘结,聚合物膜的形成提供了更强的的抗拉和抗破裂能力。实验采用 OP-10、OR-2、S-201和 FOR-3分别与阴离子乳化剂复配合成苯丙乳液,研究不同乳化剂体系对滤纸耐破度的影响,其结果见图 9～图 12。

由图 9～图 12可知,苯丙乳液应用于滤纸后,滤纸的耐破度都有大幅度提高。滤纸耐破性能较好的有 OP-10/DSB、OP-10/S-100、OP-10/SR-10、OP-10/FR-1、OP-10/SR-610、OR-2/SDS、OR-2/DSB、OR-2/OF-40、S-201/COPS-1、S-201/RE-610、S-201/SR-610、FOR-3/DSB、FOR-3/RE-610,滤纸耐破度都在250 kPa以上。

3 结 论

采用 4种非离子型乳化剂与 10种不同阴离子乳化剂复配形成的复配乳化剂体系合成乳液浸渍汽车工业滤纸,研究了其对汽车工业滤纸抗张强度、挺度、耐破度的影响。

3.1 S-201/阴离子乳化剂乳液浸渍滤纸抗张强度较高,OR-2/阴离子乳化剂乳液浸渍滤纸抗张强度较低,DSB乳化剂对提高滤纸抗张强度作用较明显。

3.2 合成乳液浸渍滤纸的挺度达到 3.45 mN·m以上的有OR-2/DSB;OP-10/FR-1;S-201/SR-10;FOR-3/COPS-1、FOR-3/RE-610乳化体系。

3.3 乳液浸渍后滤纸的耐破度都有大幅度提高。OP-10/DSB、OP-10/S-100、OP-10/SR-10、OP-10/FR-1、OP-10/SR-610复配体系、OR-2/SDS、OR-2/DSB、OR-2/OF-40复配体系、S-201/COPS-1、S-201/RE-610、 S-201/RS-610;FOR-3/DSB、 FOR-3/RE-610复配体系乳液浸渍滤纸耐破度都在 250 kPa以上。

3.4 乳液浸渍滤纸抗张强度高于 3.15 kN/m、挺度大于 3.45 mN·m、耐破度都在 250 kPa以上的复配乳化剂有 OP-10/FR-1、OR-2/DSB、FOR-3/RE-610。

[1] 黄小华,周雪松,郑炽嵩,等.滤清器滤纸浸渍用苯丙乳液耐水性研究[J].中国造纸,2004,23(7)：20.

[2] CHEN Li-jun,ZHANG Xin-ya,HUANG Hong.Influence of NP/DBS Mixed Emulsifiers on Properties of Styrene-Acrylate Emulsions[J].Journal of Southwest China Normal University(Natural Science),2005,30(5)：849.

[3] 张晓东.高分子乳化剂用于苯丙无皂乳液聚合的研究[J].涂料工业,2010,40(6)：37.

[4] 戴建才,黄国东,张庆华,等.乳液型发动机滤纸浸渍剂的合成及性能[J].纸和造纸,2006,25(4)：34.

[5] 张珍英,管 蓉,陈正国.含氟乳化剂丙烯酸酯乳液的制备及性能[J].胶体与聚合物,2001,19(1)：11.

(责任编辑：马 忻)

I nfluence of Emulsifier on the Strengthen Properties of Filter Paper I mpregnated with Syrene-acrylic Eulsion

L I U Wen-bo1,＊L I U Jia-wei2
(1.Key Lab of B io-based Material Science and Technology of Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin,Heilongjiang Province,150040;2.Pharmacy Department,Mudanjiang Medical College,Mudanjiang,Heilongjiang Province,157011)
( ＊ E-mail：hljlwbo@163.com)

In this work,styrene-acrylic emulsion using for impregnating automobile filter paper was prepared by preemulsification and semicontinuous copolymerization process,using styrene and acrylate as monomers and using various combined emulsifiers.The influence of emulsifiers on tensile and burst properties,and stiffness of the filter paper was investigated,and then the combined emulsifiers with best performances were selected.The use of emulsifiers contributed significantly to tensile and burst properties,and stiffness of the filter paper.The tensile strength of above 3.15 kN/m,stiffness of above 3.45 mN·m,and burst strength of above 250 kPa were achieved when the emulsifiers includingOP-10/FR-1,OR-2/DSB,and FOR-3/RE-610 were used.

emulsifier;styrene-acrylic emulsion;automobile filter paper;strength

TS761.2

A

0254-508X(2011)04-0026-04

刘文波先生,博士,副教授;主要从事加工纸与特种纸的教学和科研工作。

2010-12-17(修改稿)

本课题得到中央高校基本科研业务费专项资金资助 (DL09CB07)。