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结合磷阻燃型苯丙共聚乳液胶粘剂的合成研究

作者:liqiang  阅读:419次  发表时间:2014-12-04 10:34:45

  结合磷阻燃型苯丙共聚乳液胶粘剂的合成研究
  0 前言
  胶粘剂在许多应用中都要求其具备阻燃性能,如办公室或公共建筑物用装饰材料、交通运输领域的内饰材料等。据有关文献报道,为使胶粘剂具有良好的阻燃效果,通常在胶粘剂中加入含卤阻燃剂,但此类阻燃剂燃烧时会释放出大量有毒气体(卤化氢)。目前,全世界都已严禁使用含卤阻燃剂,即其已被高效、低烟、低毒和无卤产品所取代[1]。聚磷酸铵(APP)是阻燃防火涂料中必用的阻燃剂之一,但其加入量过多时又会导致胶膜耐水性能急剧下降。
  本研究在共聚物中引入了苯乙烯链段(以提高胶膜的耐水性能)[2],并采用预乳化种子乳液聚合法合成了阻燃性能良好的PSA(结合磷型苯丙共聚乳液胶粘剂);然后在降低无机阻燃剂含量的基础上制备了CPSA(复合型阻燃胶粘剂)。通过系统研究含磷单体和APP质量分数对乳液稳定性、胶膜剥离强度、涂层阻燃性和热性能等影响,优选出制备PSA、CPSA的最佳工艺条件,以期为进一步提高其综合性能研究提供理论依据。
  1 试验部分
  1.1试验原料
  苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸乙酯(EA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸(AA)、十二烷基硫酸钠(SDS),化学纯,国药集团化学试剂有限公司;丙烯酸聚醚磷酸酯(APE-2005),工业级,上海忠诚精细化工有限公司;平平加O,工业级,浙江科峰化工有限公司;N-羟基丙烯酰胺(NMA),化学纯,天津市化学试剂研究所;过硫酸铵(APS),分析纯,上海青析化工科技有限公司;聚磷酸铵(APP),工业级,上海旭森非卤消烟阻燃剂有限公司;碳酸氢钠,化学纯,上海虹光化工厂;对苯二酚,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;氢氧化钠(NaOH),分析纯,上海试剂一厂;苯丙乳液胶粘剂(SA),自制。
  全棉漂白织物,市售。
  1.2 试验仪器
  Nano-ZS型纳米粒度与电位分析仪,英国马尔文仪器公司;HK-S型强力测试仪,美国TiniiusOlsen公司;TG209F型热重分析仪,德国Netzsch公司;YG815A型织物阻燃性能测试仪,温州方圆仪器有限公司;JSM-5600LV型扫描电镜,日本JEOL公司。
  1.3 试验制备
  1.3.1 PSA的合成
  (1)预乳液的制备:用5%NaOH溶液对BA、EA和MMA进行碱洗提纯,用减压蒸馏法提纯St、AA;边搅拌边依次加入一定量的乳化剂、St、BA、EA、MMA、AA和APE-2005,预乳化30min,备用。
  (2)种子乳液的制备:在250mL四口烧瓶中加入1/6预乳液、5mL8g/L碳酸氢钠缓冲溶液,边升温边开始反应;当温度升至60℃时,滴加20g/L引发剂(APS)溶液;待体系出现蓝色荧光时,恒温若干时间即可。
  (3)在种子乳液中滴加剩余的预乳化液、引发剂和100g/L交联剂(NMA),反应温度为(80±1)℃;30min内滴毕后,恒温1h,(82±1)℃保温20min;结束反应,冷却至40℃以下,过滤出料即可。
  1.3.2 CPSA的制备
  将PSA倒入250mL烧杯中,边搅拌(800r/min)边加入APP(添料速率0.2g/min);加料完毕后,继续搅拌30min,使乳液和APP混合均匀即可。
  1.3.3 涂层织物
  将SA、PSA和CPSA均匀刮涂在全棉漂白织物表面,上胶量为250~300g/m2,经60℃预烘3min、90℃焙烘4min后即可。
  1.4 测试与表征
  (1)基本性能(包括转化率、固含量和凝聚率等)[3]:采用称重法进行测定。
  (2)粒径及其多分散性指数(PDI):采用纳米粒度与电位分析仪进行测定。
  (3)剥离强度[4]:按照GB/T2791—1995标准,采用强力测试仪进行测定(加载速率为100mm/min,测试温度为23℃,相对湿度为50%)。
  (4)阻燃性能(包括损毁碳长、续燃时间和阴燃时间等)[5]:按照GB/T5455—1997标准,采用织物阻燃性能测试仪进行测定。
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  (5)热性能:采用热失重分析(TGA)法进行表征(将乳液涂敷在全棉漂白布上,取5mg左右样品进行分析)。
  (6)微观形貌:采用扫描电镜(SEM)进行观测。
  2 结果与讨论
  2.1 含磷单体对乳液及PSA性能的影响
  含磷单体(APE-2005)为丙烯酸聚醚磷酸酯,由于其内含双键结构,故可作为反应性单体,并能与其他丙烯酸酯单体进行共聚。在其他条件不变的前提下[如m(St)∶m(BA)∶m(EA)∶m(MMA)∶m(AA)=16∶90∶60∶24∶5、m(St+BA+EA+MMA+AA)=40g等],APE-2005含量对乳液及PSA性能的影响如表1所示。
  由表1可知:随着含磷单体含量的不断增加,单体转化率逐渐降低(这是由于APE-2005的空间位阻较大,故其反应活性不高所致),剥离强度呈先升后降态势[并且在w(含磷单体)=2%(相对于单体总质量而言)时相对最大],但乳液粒径随之增大,外观也随之变差。这是由于APE-2005单体中含有多个双键[6],可使聚合物呈交联结构,故随着含磷单体含量的不断增加,体系黏度急剧上升;当w(含磷单体)=8%时,体系中出现大量凝聚物和粗大颗粒(乳液粒径增大);当体系中含磷单体过多时,胶粘剂内聚强度过大(在一定范围内提高了黏性),但附着力降低,并且胶液对织物表面的润湿性变差,故剥离强度也随之呈下降态势。
  2.2 含磷单体对PSA热性能的影响
  将5mg左右的SA涂层棉织物和w(含磷单体)=2%的PSA涂层棉织物,在0~600℃范围内进行热性能表征,两者的TGA曲线和TGA特征参数如图1、表2所示。
  PSA涂层棉织物的外延起始失重温度(T0)、外延终止失重温度(Tf)均高于SA涂层棉织物,说明含磷单体的加入有利于提高聚合物的热稳定性能;另外,前者的质量损失率(44.15%)低于后者(55.80%),说明含磷单体的存在促进了碳化物的形成。综合考虑PSA的剥离性能和热稳定性能,选择w(含磷单体)=4%时较适宜。
  2.3 APP对乳液及PSA性能的影响
  APP作为添加型阻燃剂,其含量直接影响胶粘剂的阻燃性能,同时因其具有增塑剂功能,故对胶粘剂黏性的影响也相对较大。本研究采用先共聚后共混法制备复合型阻燃胶粘剂(CPSA),并在其他条件保持不变的前提下,考察了APP含量对CPSA剥离强度和阻燃性能的影响,结果如表3所示。
  随着APP含量的不断增加,CPSA的阻燃性能不断提高,剥离强度呈先升后降态势,并且在w(APP)=3%(相对于单体总质量而言)时相对最大。这是由于APP具有增塑剂的功能,可削弱聚合物分子之间的范德华力(增加了聚合物分子链的移动性,降低了CPSA的内聚力),并且在一定范围内可提高胶粘剂对被粘物表面的润湿性,故其剥离强度随APP含量增加而增大;然而,当APP含量过多时,胶粘剂内聚强度过低,故剥离强度不升反降。综合考虑,选择w(APP)=12%时较适宜,此时胶粘剂的阻燃性能达到GB17591—2006标准中B1级指标要求[7]。
  2.4 不同涂层棉织物的微观形貌
  分别将SA涂层棉织物、PSA涂层棉织物和CPSA涂层棉织物的燃烧物残渣进行微观形貌对比,以观察不同涂层棉织物表面的损毁情况,结果如图2所示(放大倍数为3000)。
  以SA作为涂层的棉织物,其燃烧后纤维断裂、变细,纤维之间的间隙以及织物网格变大,呈中空状态;以PSA作为涂层的棉织物,其燃烧后纤维表面虽出现断裂、疏松现象,但纤维粗细、纤维之间的间隙和排列致密程度均变化不大;以CPSA作为涂层的棉织物,其燃烧后纤维表面几乎没有孔洞和破损,并且纤维表面仍有涂层。
  综上所述,PSA在一定程度上抑制了棉织物在燃烧过程中的降解现象,CPSA作为复合型阻燃胶粘剂对棉织物具有良好的阻燃效果。
  3 结语
  (1)在PSA中添加适量无机阻燃剂(APP),采用预乳化种子乳液聚合法制备CPSA。
  (2)当m(St)∶m(BA)∶m(EA)∶m(MMA)∶m(AA)=16∶90∶60∶24∶5、m(St+BA+EA+MMA+AA)=40g、w(含磷单体)=4%和w(APP)=12%时,可制成稳定性、剥离强度和阻燃性能俱佳的CPSA。
  (3)将PSA涂敷在棉织物表面,其600℃时的残炭率高于SA涂层棉织物,并且前者燃烧后纤维表面形态优于后者,说明PSA涂层本身提高了棉织物的热稳定性能。
  (4)将CPSA涂敷在棉织物表面,其损毁碳长、续燃时间和阴燃时间均达到GB17591—2006标准中B1级指标要求,并且CPSA在保持一定剥离强度的同时,仍具有良好的阻燃性能。