無(wú)皂乳液聚合理論及應(yīng)用研究進(jìn)展

王 波，劉 旭，楊金明

（陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054）

無(wú)皂乳液聚合理論及應(yīng)用研究進(jìn)展

王 波，劉 旭，楊金明

（陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054）

無(wú)皂乳液聚合是在傳統(tǒng)乳液聚合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)聚合反應(yīng)新技術(shù)，相比傳統(tǒng)乳液聚合具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此廣受關(guān)注。介紹了無(wú)皂乳液聚合的反應(yīng)機(jī)理（包括成核機(jī)理、穩(wěn)定機(jī)理）和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，無(wú)皂乳液的制備方法，并對(duì)無(wú)皂乳液聚合的應(yīng)用和發(fā)展前景做了展望。

無(wú)皂乳液；機(jī)理；穩(wěn)定性；應(yīng)用

乳液聚合是高分子合成過(guò)程中常用的一種合成方法，它以水作分散劑，在乳化劑的作用下并借助于機(jī)械攪拌，使單體在水中分散成乳狀液，由引發(fā)劑引發(fā)而進(jìn)行的聚合反應(yīng)。由于傳統(tǒng)的乳液聚合中會(huì)使用乳化劑，反應(yīng)后乳化劑會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能有一定影響，而且乳化劑價(jià)格昂貴，對(duì)環(huán)境造成一定污染。因此，人們開(kāi)始致力于無(wú)皂乳液聚合技術(shù)。

無(wú)皂乳液聚合是指不含乳化劑或僅含少量乳化劑（其濃度小于臨界膠束濃度CMC）的乳液聚合，但少量乳化劑所起的作用與傳統(tǒng)的乳液聚合完全不同。最早的無(wú)皂型乳液聚合是Gee，Davis和Melvile于1939年進(jìn)行的丁二烯乳液聚合。由于無(wú)皂乳液聚合環(huán)保，并且可以賦予乳液諸多優(yōu)異的性能而備受關(guān)注，成為近年迅速發(fā)展的一項(xiàng)聚合反應(yīng)新技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)乳液聚合方法相比無(wú)皂乳液聚合具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)乳液聚合中的乳化劑會(huì)被帶入到最終產(chǎn)品中去，其純化工藝非常復(fù)雜，因此無(wú)皂乳液可以免去去除乳化劑的后處理，產(chǎn)品可以直接應(yīng)用；（2）無(wú)皂乳液聚合由于不含乳化劑，所制備的乳膠粒子表面比較潔凈，從而避免了乳化劑對(duì)聚合物產(chǎn)品光學(xué)性、電性能、耐水性及成膜性等的不良影響；（3）無(wú)乳化劑乳液聚合所制備的聚合物微球具有單分散性，微球尺寸較常規(guī)乳液聚合的大，還可得到具有一定表面化學(xué)性質(zhì)的功能性顆粒。

1 無(wú)皂乳液聚合機(jī)理

1.1 無(wú)皂乳液聚合的成核機(jī)理

無(wú)皂乳液聚合體系的粒子密度、粒徑大小與成核機(jī)理密切相關(guān)。自1965年Matsumoto和Ochi在完全不含乳化劑的條件下，合成了具有單分散性乳膠粒粒徑乳液以來(lái)，人們便對(duì)無(wú)乳化劑乳液聚合的機(jī)理進(jìn)行了大量廣泛深入的研究[2]，提出了多種無(wú)皂乳液聚合成核機(jī)理，普遍為人們所接受的為“均相凝聚成核機(jī)理”和“齊聚物膠束成核機(jī)理”，但是現(xiàn)有的任何一種成核機(jī)理均難以描述所有單體粒子成核的機(jī)理。

1.1.1 均相凝聚成核機(jī)理

一般認(rèn)為均相凝聚成核機(jī)理適用于極性單體對(duì)于非極性單體的成核機(jī)理，目前爭(zhēng)議較多。均相凝聚成核機(jī)理是1969年由Fitch等人首先提出的，而后Goodwin Hansen和Vgelstad以及Feeny等人對(duì)這一機(jī)理進(jìn)行了完善和充實(shí)。該機(jī)理認(rèn)為引發(fā)劑分解產(chǎn)生的初級(jí)自由基在水相中引發(fā)溶于水的單體聚合生成自由基活性鏈，并進(jìn)行鏈增長(zhǎng)，當(dāng)該自由基達(dá)到一定的聚合度時(shí)就變得不溶于水而沉淀，形成基本初始粒子。基本初始粒子一旦生成便會(huì)捕捉水相中的自由基活性鏈，而繼續(xù)增長(zhǎng)形成基本粒子，然后由于表面電荷密度不足以及水溶性較好的分子鏈伸展到水相中而導(dǎo)致的鏈纏結(jié)，基本粒子將發(fā)生凝聚、粒子數(shù)目減少、粒子體積增大、表面電荷密度增大、界面張力減小、粒子穩(wěn)定性不斷提高，最終形成穩(wěn)定的聚合物乳膠粒。膠粒成核過(guò)程在轉(zhuǎn)化率達(dá)到1%之前就結(jié)束了，此后膠粒數(shù)目保持恒定，聚合就在膠粒中進(jìn)行，這種成核機(jī)理可用圖1（a）表示。Arial等人也完善了Ftich的膠粒成核模型，認(rèn)為每個(gè)超過(guò)臨界尺寸的增長(zhǎng)自由基及“死”聚物均形成新的顆粒，形成的聚合物粒子穩(wěn)定而不發(fā)生凝聚。整個(gè)聚合物顆粒的體積增長(zhǎng)通過(guò)3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：（1）新顆粒的生成；（2）增長(zhǎng)自由基進(jìn)入聚合物顆粒內(nèi)；（3）顆粒內(nèi)部的增長(zhǎng)反應(yīng)[3]。

1.1.2 齊聚物膠束成核機(jī)理

Goodall等人研究了苯乙烯/過(guò)硫酸鉀/水體系的無(wú)皂乳液聚合的成核機(jī)理，提出了一種齊聚物膠束成核機(jī)理。帶有離子鏈端的齊聚物先在水相中形成膠束而引發(fā)聚合，然后隨著聚合的進(jìn)行，膠粒表面積增大而導(dǎo)致的表面電荷密度下降，此時(shí)早期產(chǎn)生的初級(jí)膠粒通過(guò)凝聚重新獲得膠態(tài)穩(wěn)定性，一旦穩(wěn)定的膠粒生成之后，聚合主要在被單體溶脹的膠粒中進(jìn)行。此時(shí)的膠粒增長(zhǎng)類(lèi)似于常規(guī)乳液聚。由于這類(lèi)體系中的膠粒穩(wěn)定性來(lái)自引發(fā)劑的離子碎片，膠粒表面的電荷密度通常較低，因此體系的固含量一般在10%以下，體系中膠粒數(shù)目與常規(guī)體系中的相比低得多，所以無(wú)皂體系的聚合速率較低。由于齊聚物膠束成核生成的乳液固含量較低，在應(yīng)用中受到了限制。為了提高乳液的固含量，2階段法得到了廣泛應(yīng)用，即先合成具有一定分子質(zhì)量的親水親油的兩親齊聚物作為乳化劑，將共聚單體加入一定量的齊聚物中進(jìn)行反應(yīng)。該齊聚物一般含有與合成乳液相同的分子鏈段，以利于2者相溶提高乳化效果，該反應(yīng)成核機(jī)理亦為膠束成核機(jī)理，這種成核機(jī)理可用圖1（b）表示。其聚合規(guī)律與常規(guī)乳液是一致的，由該方法合成的乳液固含量可達(dá)50%～55%，甚至高達(dá)60%以上。齊聚物膠束理論問(wèn)世后，引起頗多爭(zhēng)議，相繼出現(xiàn)了先均相成核，生成母體粒子后凝聚成核，再生成乳膠粒子的“母體離子凝聚成核”機(jī)理和“2階段模型”等。Song等人提出的“2階段模型”即KPS/St體系的無(wú)皂乳液聚合的成核期包括齊聚物膠束形成和粒子增長(zhǎng)、聚并2個(gè)階段。

1.2 無(wú)皂乳液的穩(wěn)定機(jī)理

影響無(wú)皂乳液穩(wěn)定性的因素主要有以下幾類(lèi)：

（1）表面活性物質(zhì)的影響

在無(wú)皂乳液聚合過(guò)程中，形成的表面活性物質(zhì)包括表面活性齊聚物自由基及“死”的表面活性齊聚物，它們都對(duì)乳液穩(wěn)定性有所貢獻(xiàn)。乳液具有一定的稀釋穩(wěn)定性，粒子的形成和表面活性齊聚物（SA0）達(dá)到CMC同時(shí)發(fā)生，SAO的表面張力等溫線(xiàn)行為與低相對(duì)分子質(zhì)量表面活性物質(zhì)相似，SAO的大小因體系而異，不同作者用不同的方法得到的結(jié)果差異也較大。

（2）結(jié)構(gòu)因素

無(wú)皂乳液的穩(wěn)定性與聚合物的極性有關(guān)。聚合物的極性增加引起水相界面相互作用增強(qiáng)，并能降低表面能，所以可提高膠乳的聚集穩(wěn)定性；反之，憎水性增加，穩(wěn)定性降低[4]。

（3）靜電因素

在乳膠粒中大分子鏈上的離子基團(tuán)分布在乳膠粒表面上，使乳膠粒帶上電荷，不同的乳膠粒帶有同種電荷，相互排斥，使乳膠粒穩(wěn)定地懸浮于乳液體系[5]。

1.3 無(wú)皂乳液聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

由于無(wú)皂乳液的成核及穩(wěn)定機(jī)理不同于傳統(tǒng)的乳液聚合，因此在反應(yīng)成核階段和粒子增長(zhǎng)階段的動(dòng)力學(xué)也不同于傳統(tǒng)的乳液聚合。

在無(wú)皂乳液聚合的成核階段，由于不存在單體增溶膠束，因此反應(yīng)初期的動(dòng)力學(xué)遵從溶液聚合。在乳膠粒增長(zhǎng)階段，傳統(tǒng)乳液聚合乳膠粒內(nèi)的自由基數(shù)為0.5，并存在一個(gè)恒速期，對(duì)苯乙烯體系該恒速期可持續(xù)到單體轉(zhuǎn)化率40%。對(duì)于無(wú)皂乳液聚合乳膠粒增長(zhǎng)反應(yīng)將主要在殼層進(jìn)行，且殼層的厚度與聚合物分子尺寸均方末端距尺寸相當(dāng)。這種殼層增長(zhǎng)機(jī)理，使自由基間相互碰撞，終止幾率較小，乳膠粒內(nèi)部自由基數(shù)目遠(yuǎn)大于1。單體轉(zhuǎn)化率的2/3次方與聚合時(shí)間t成線(xiàn)性關(guān)系，這種線(xiàn)性關(guān)系可一直持續(xù)到單體轉(zhuǎn)化率達(dá)50%[6,7]，該階段比常規(guī)乳液聚合的恒速期要長(zhǎng)。這種線(xiàn)形關(guān)系與Smith-Gardon理論估計(jì)是完全一致的[8]。

近來(lái)，人們對(duì)加入親水性和離子型共聚單體的無(wú)皂乳液聚合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)極性共聚單體的引入會(huì)對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生重要影響。許涌深等[9]對(duì)St/MMA體系進(jìn)行研究，討論了共聚單體組成的變化對(duì)動(dòng)力學(xué)和成核機(jī)理的影響，指出即使少量MMA參與共聚，也可大大提高反應(yīng)速率，且聚合速率隨MMA摩爾分?jǐn)?shù)的增大而提高。Zhang等[10]還討論了單體極性對(duì)聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及粒子形態(tài)的影響，提出極性單體用量增加會(huì)導(dǎo)致聚合速率和粒子數(shù)增大，粒子半徑、表面張力和黏度下降。

2 無(wú)皂乳液制備方法

2.1 無(wú)皂核/殼乳液聚合法

無(wú)皂核/殼乳液聚合是將無(wú)皂乳液聚合和核/殼乳液聚合相結(jié)合的聚合新技術(shù)，并且兼?zhèn)?者的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)皂核/殼結(jié)構(gòu)乳液一般以先聚合的材料為核，后聚合的為殼，使乳膠粒子的內(nèi)核和外殼分別富集不同成分，通過(guò)核殼的不同組合，得到不同形態(tài)的非均相粒子。

2.2 引發(fā)劑碎片法

在無(wú)皂乳液聚合過(guò)程中，引入可離子化的引發(fā)劑，使之在分解后，生成離子型自由基，乳液穩(wěn)定性依靠粒子表面的高聚物末端離子基團(tuán)間的靜電作用和聚合過(guò)程中所生成的表面活性物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用引發(fā)劑碎片法得到的無(wú)皂乳液表面電荷密度低，乳液穩(wěn)定性差，聚合速率慢，通常只能得到固含量為10%左右的乳液。

2.3 加入助溶劑法

在無(wú)皂乳液聚合體系中加入一種既能與水和單體無(wú)限混溶又不溶解聚合物的有機(jī)溶劑（如甲醇或丙酮），可以增大單體在分散相中的溶解度，提高單體對(duì)聚合物膠粒的溶脹能力，使引發(fā)劑在引發(fā)反應(yīng)中的消耗量增大，所形成的乳膠粒子表面具有更多的離子基團(tuán)，這既能提高乳液的穩(wěn)定性，又有利于提高無(wú)皂乳液的聚合速率和固含量。

2.4 水溶性單體共聚法

在無(wú)皂乳液聚合反應(yīng)體系中，引入水溶性共聚單體參與共聚反應(yīng)，不僅可以增加水相中的單體濃度，提高聚合反應(yīng)速率，而且還可在乳膠粒表面形成水化層，起到穩(wěn)定乳膠粒、提高乳液穩(wěn)定性的作用。采用水溶性共聚單體的無(wú)皂乳液聚合，反應(yīng)速率快、穩(wěn)定性好。

2.5 反應(yīng)性乳化劑共聚法

反應(yīng)型乳化劑又稱(chēng)為表面活性單體，一般都含有反應(yīng)基團(tuán)能夠參與聚合反應(yīng)，在聚合過(guò)程或聚合反應(yīng)發(fā)生以后，表面活性劑分子以共價(jià)鍵的方式牢固地接枝到乳膠粒子上，降低聚合物本身的表面張力，提高乳膠粒的穩(wěn)定性和乳液固含量，同時(shí)又不影響聚合反應(yīng)速率。

2.6 超聲無(wú)皂乳液聚合法

當(dāng)超聲波在液體媒介中傳播時(shí)，聲空化效應(yīng)產(chǎn)生局部高溫、高壓，并伴隨有強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，因此超聲空化能產(chǎn)生強(qiáng)烈的分散、攪拌、乳化、引發(fā)等作用，可大大縮短乳液聚合的時(shí)間，制備出性能穩(wěn)定的乳液，而且乳液具有更高的單體轉(zhuǎn)化率和聚合速率。

2.7 微波無(wú)皂乳液聚合法

微波無(wú)皂乳液聚合法是近幾年新發(fā)展的一種以微波為加熱源的聚合方法，具有反應(yīng)速度快、選擇性高、產(chǎn)率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.8 添加無(wú)機(jī)粉末法

在無(wú)機(jī)粉末存在下的無(wú)皂乳液聚合，可以制備有機(jī)-無(wú)機(jī)均勻分散的復(fù)合體系。有無(wú)機(jī)填料參與的無(wú)皂乳液聚合，在無(wú)機(jī)與有機(jī)界面形成了化學(xué)鍵從而可提高復(fù)合材料的耐熱性和強(qiáng)度。

3 無(wú)皂乳液的應(yīng)用

目前常用的無(wú)皂乳液體系是丙烯酸烷基酯及其共聚物體系，主要是由于該體系Tg較低，有較好的粘接性，并且由于表面純凈，無(wú)小分子乳化劑，因此產(chǎn)物耐水性和耐候性?xún)?yōu)異。因?yàn)闊o(wú)皂乳液聚合反應(yīng)的膠粒成核階段短，且體系中膠粒數(shù)目小于常規(guī)體系，所以可以用來(lái)制備單分散性聚合物乳膠粒子。在這種單分散性聚合物微球表面，可通過(guò)共聚結(jié)合上功能性反應(yīng)基團(tuán)，因此可作為生物醫(yī)學(xué)和催化劑的載體。生物醫(yī)學(xué)中利用這些聚合物微球表面鍵合上抗原，用于免疫檢測(cè)，方法簡(jiǎn)單，用掃描電鏡或熒光就能研究細(xì)胞表面抗原的分布。另外，利用無(wú)皂乳液聚合可制備均勻分散的含無(wú)機(jī)填料的聚合物復(fù)合材料等。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)皂乳液聚合不僅生態(tài)環(huán)保而且還可以賦予乳液許多優(yōu)異性能，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。存在問(wèn)題是，聚合機(jī)理研究不夠成熟；無(wú)皂乳液聚合由于沒(méi)有乳化劑的保護(hù)，不易獲得高固含量和穩(wěn)定性的乳液，無(wú)皂乳液的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用尚有困難。因此，探討研究無(wú)皂乳液聚合理論，開(kāi)發(fā)更好的無(wú)皂乳液聚合技術(shù)，提高無(wú)皂乳液體系的穩(wěn)定性和固含量，通過(guò)粒子設(shè)計(jì)使粒子表面帶有各種功能基團(tuán)，制備性能優(yōu)良具有多功能或特殊功能的無(wú)皂乳液，擴(kuò)大無(wú)皂乳液的應(yīng)用范圍，應(yīng)是今后研究的方向。

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Advances in the polymerization theory and application of emulsifier-free emulsions

WANG BO,LIU Xu,YANG Jin-ming
(Shaanxi Research Design Institute of Petroleum and Chemical Industry,Xian,Shaanxi 710054,China)

The emulsifier - free emulsion polymerization is a new polymerization technique developed on the basis of the onventional emulsion polymerization.It is received widely attentions because its many advantages compared to the traditional mulsion polymerization. In this paper ,the mechanism(including nucleation and stability) and kinetics of the emulsifier-free mulsion polymerization, and the preparation methods were presented in detail.Also the application and development oreground of the emulsifier-free emulsion polymerization were outlined.

emulsifier-free emulsion;mechanism;stability;application

TQ331.4

A

1001-5922（2015）02-0069-04

2014-04-01

王波（1983-），男，工程師，碩士，現(xiàn)從事高分子加工方面科研工作。E-mail：qipilang-123456@163.com。