乳液粒径对纸用硅丙乳液应用性能影响的研究

吴盛恩，俞阜东，刘萃莹，王雄振，娄昀璟

（1.国家造纸化学品工程技术研究中心 杭州市化工研究院有限公司，浙江 杭州 310014；

2.浙江省环境工程有限公司，浙江 杭州 310012）

乳液粒径对纸用硅丙乳液应用性能影响的研究

吴盛恩1，俞阜东2，刘萃莹1，王雄振1，娄昀璟1

（1.国家造纸化学品工程技术研究中心 杭州市化工研究院有限公司，浙江 杭州 310014；

2.浙江省环境工程有限公司，浙江 杭州 310012）

该文着重研究纸用硅丙乳液中乳液粒径对于纸张应用性能的影响，选取纸张抗张强度来表征乳液的应用性能。分析引发剂用量与乳液粒径之间的关系，进而研究粒径与抗张强度之间的关系。结果表明，乳液粒径随着引发剂用量的增加而减小，纸张抗张强度随着粒径的逐渐减小呈现先增强后减弱的现象；当乳液平均粒径为90.69 nm时，其所对应的纸张抗张强度最强，贮存稳定性也较佳。

纸用硅丙乳液；粒径；抗张强度；贮存稳定性

丙烯酸酯聚合物原料来源十分丰富，生产简便，其乳液广泛地应用于涂料、胶粘剂、橡胶和树脂抗冲击改性剂等[1]，但也存在容易失光、低温韧性较差及透水性较高等缺点[2]；而硅氧烷分子主链上的Si—O键键能高、分子体积大且内聚能密度低，因此具有良好的耐高温性能、疏水性、透气性和耐候性，但是其乳液一般需要高温固化，且固化时间长、附着力差[3]。硅丙乳液正是有效地结合了丙烯酸酯和硅氧烷二者的优点，目前已经成功地应用于涂料、胶粘剂和皮革涂饰剂等领域。

目前我们正在研究硅丙乳液在造纸方面的一些应用，意在有效结合丙烯酸酯和硅氧烷各自的优点，借鉴硅丙乳液在其他领域的成功经验，生产出具有耐热性能的纸用硅丙乳液。

1 实验部分

1.1 实验试剂和仪器

1.1.1 实验试剂

苯乙烯（St），化学纯，国药集团化学试剂有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA），化学纯，上海化学试剂采购供应五联化工厂；丙烯酸丁酯（BA），化学纯，上海化学试剂采购供应五联化工厂；乙烯基硅氧烷，工业品；十二烷基硫酸钠（SDS），化学纯，西陇化工股份有限公司；辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10），化学纯，上海凌峰化学试剂有限公司；氢氧化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；碳酸氢钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；过硫酸铵[（NH4）2S2O8]，分析纯，西陇化工股份有限公司。

1.1.2 实验仪器

F81.50201型卧式纸张抗张仪，FRANK-PTI公司；Nano ZS90型粒径仪，Malvern公司。

1.2 实验工艺

在装有去离子水的四口烧瓶中加入SDS和OP-10的复配乳化剂少许，加入实验研究用固定配比的单体混合物，搅拌15 min，得到核单体预乳化液，待用。

在装有去离子水的四口烧瓶中加入SDS和OP-10的复配乳化剂少许，加入实验研究用固定配比的单体混合物，加入固定量的乙烯基硅氧烷，搅拌15 min，得到壳单体预乳化液，待用。

分别取定量的核单体和壳单体预乳化液，先后滴加核单体预乳化液和壳单体预乳化液，反应2 h后，冷却，过滤，得到本研究用乳液。

1.3 实验方法

纸用硅丙乳液粒径的大小、分布与引发剂的种类、用量，乳化剂的种类、用量、配比，反应温度，单体加入方式等因素息息相关。在本研究体系中，经过前期的实验研究，发现引发剂的用量对纸用硅丙乳液粒径的影响最大。本文着重研究引发剂用量对纸用硅丙乳液粒径的影响，进而研究纸用硅丙乳液粒径对乳液应用性能的影响，其中乳液的应用性能通过纸张抗张强度来表征。

1.4 分析测试

纸张抗张强度测试方法：使用上述合成得到的纸用硅丙乳液在纸张表面涂布，经恒温鼓风阶梯升温至200℃，保持2 h后取出，静置48 h后，选取定量为120 g/m2左右的纸张，测试其抗张强度。纸张抗张强度依照ISO1924-2标准利用F81.50201型卧式纸张抗张仪测得。

纸用硅丙乳液的粒径测试方法：取合成的具有耐热性能的纸用硅丙乳液10 mL用去离子水稀释至100 mL，超声分散10 min，利用Nano ZS90型粒径仪测定乳液的粒径及其分布。

2 结果与讨论

2.1 引发剂用量对纸用硅丙乳液粒径的影响

纸用硅丙乳液的其他合成工艺保持不变，改变引发剂（NH4）2S2O8用量，利用粒径仪测得纸用硅丙乳液的粒径数据，结果如表1所示。

表1 引发剂用量对乳液粒径的影响

在本研究体系中，（NH4）2S2O8作为水溶性引发剂，主要作用分2步来实现：第1步为分解成自由基，引发少量的单体成为带自由基的活性链；第2步为自由基活性链在水相中扩散，进入乳液胶粒或者胶束引发聚合。单体浓度一定的条件下，随着引发剂用量的增加，自由基的浓度随之增大，生成的乳液胶粒数量就会增多，成核粒子相应也多，进入乳液胶粒的单体就会相应地减少，从而导致生成的乳液粒径逐渐变小。当引发剂（NH4）2S2O8在体系中质量分数为0.45%时，测得的乳液粒径分布如图1。

图1 乳液粒径分布图

图1展示了本研究体系中，乳液平均粒径为90.69 nm时，测得的乳液粒径分布情况。此时PDI值为0.186，小于0.3，乳液粒径分布窄。其他各组实验样品粒径分布均较窄。

2.2 纸用硅丙乳液粒径对乳液应用性能的影响

在本研究体系中，选取纸张的抗张强度作为对乳液应用性能的表征，得到了乳液粒径与纸张抗张强度之间的关系，见表2。

表2 纸用硅丙乳液粒径对乳液应用性能的影响

为便于直观地分析，以表2的数据作图（见图2）。

图2 纸用硅丙乳液粒径对乳液应用性能的影响

在分析图2的数据之前，重申本研究所采用的纸张抗张强度测试方法：经恒温鼓风阶梯升温至200℃，保持2 h后取出，静置48 h后，选取定量为120 g/m2左右的纸张，测试其抗张强度。分析图2的数据可知，由于乳液粒径的不断变小，乳液的耐热性能总体上会逐渐减弱，纸张的抗张强度也随之逐渐降低。但是当乳液的平均粒径为90.69 nm，即（NH4）2S2O8加入量为0.45%时，纸张的抗张强度达到了本次研究的最大值，这说明在这个点纸张的耐热性能较好，纸张抗张强度的保留率相应较大。

2.3 乳液粒径对产品贮存稳定性的影响

为了考察乳液粒径对产品实际贮存稳定性的影响，跟踪3个月对比了多个乳液粒径对应的产品的贮存稳定性，结果见表3。

表3 乳液粒径对产品贮存稳定性的影响

通过表3可以看出，乳液平均粒径和乳液稳定性之间存在一一对应的关系。13号实验分层，可能是由于引发剂用量不足，单体残余过多，导致产品的稳定性不佳。17号和18号实验分层，可能是由于生成的乳液胶粒粒径较小，在过量的引发剂作用下，未被完全包裹的活性基团又相互反应，最终导致了乳液分层。

3 结论

在本研究体系中，随着引发剂用量的不断增加，乳液粒径逐渐变小，而随着乳液粒径逐渐变小，经过纸张老化实验测得的纸张抗张强度呈现先增强后减弱现象，平均粒径为90.69 nm的乳液具有最好的纸张抗张强度，其贮存稳定性也较佳。

［1］ Gloaguen J M，Heim P，Gaillard P，et al.Plasticity of rubber-toughened poly（methyl methacrylate）：effect of rubber particle size［J］. Polymer，1992，33（22）：4741-4746.

［2］ Li H，Zhang Z B，Hu C P，et al.Surface composition and property of film prepared with aqueous dispersion of polyurethaneurea-acrylate including fluorinated block copolymer［J］.Eur Polym J，2004，40（9）：2195-2201.

［3］ 王智英，胡瑛，邓锐，等.硅丙乳液制备方法及稳定性研究进展［J］.有机硅材料，2011，25（1）：44-49.

Study on the Effect of Particle Size on the Performance of Silicone Acrylate Emulsion Used in Paper

WU Sheng-en1，YU Fu-dong2，LIU Cui-ying1，WANG Xiong-zhen1，LOU Yun-jing1
（1.National Eng.&Tech.Research Center for Paper Chemicals，Hangzhou Research Institute of Chemical Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China；2.Environmental Engineering Co.，Ltd.，of Zhejiang Province，Hangzhou 310012，China）

The effect of particle size of emulsion on the application performance of paper is studied in the paper. The properties of the emulsion are characterized by the tensile strength of paper.The relationship between the particle size and the amount of initiator is discussed.And then the relationship between the particle size and tensile strength is studied.The results of experiments indicate that the particle size of emulsion decreases with the increase of initiator dosage，the tensile strength of paper firstly increases and then decreases with the gradual decrease of particle size.When the average particle size of the emulsion is 90.69 nm，the tensile strength of the paper is the highest，and the storage stability of emulsion is good under this condition.

silicone acrylate emulsion for paper；size；tensile strength；storage stability

TS727+.2

A

1007-2225（2016）05-0010-03

吴盛恩先生（1986-），工程师；主要研究方向：特种纸用化学品；E-mail：524634945@163.com。

2016-07-27

本文文献格式：吴盛恩，俞阜东，刘萃莹，等.乳液粒径对纸用硅丙乳液应用性能影响的研究[J].造纸化学品，2016，28（5）:10-12.