趙擎霄，蘇秀霞,*，劉憲文

（1.陜西科技大學教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西寶塔山油漆股份有限公司，陜西 咸陽 712000）

丙烯酸接枝共聚改性水性硝化纖維乳液的合成及性能研究

趙擎霄1，蘇秀霞1,*，劉憲文2

（1.陜西科技大學教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西寶塔山油漆股份有限公司，陜西 咸陽 712000）

將丙烯酸(AA)與丙烯酸羥乙酯(HEMA)共聚產物引入硝化纖維分子上，采用自乳化法，合成了一種新型水性硝化纖維(NC)乳液，研究了HEMA、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)和引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN)的用量對乳液以及涂膜性能的影響，通過傅里葉變換紅外光譜分析(FT-IR)、熱重分析(TGA)、粒徑分布測量、接觸角檢測及膜的力學性能測試等方法對所得乳液和涂膜性能進行了表征。結果表明，當AA為5.5 g、HEMA 2.1 g、IPDI 0.65 g、NC 3.6 g、三乙胺6.0 g、AIBN 0.052 g時，所合成的丙烯酸接枝共聚水性硝化纖維乳液呈淺黃色，粒徑62.2 nm，能自然穩(wěn)定存放90 d，所得涂膜吸水率為10.8%，水接觸角95.26°，拉伸強度10.8 MPa，其熱穩(wěn)定性高于未改性硝化纖維。

水性硝化纖維；丙烯酸；丙烯酸羥乙酯；接枝共聚；改性；穩(wěn)定性

First-author’s address:Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, Shanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China

硝基涂料由于其干燥速率快、裝飾性能好、施工方便等優(yōu)勢，被廣泛應用于家居涂裝、交通工具修補漆、文具等領域[1]，但其溶劑中 VOC(揮發(fā)性有機化合物)含量過高，易造成環(huán)境污染。隨著人們環(huán)保危機意識的不斷提高，尤其是國家對環(huán)境監(jiān)管力度的加大，以水為分散介質的水性硝化纖維[2-5]引起了人們的廣泛關注與研究熱情，它是一種具有環(huán)保性能的硝基涂料產品。

目前，水性硝化纖維的合成方法有外乳化法、轉相乳化法、種子乳液聚合法、化學改性法、互穿聚合物網(wǎng)絡聚合法以及自乳化合成法[6-7]。其中，自乳化法工藝過程相對簡單，因此近些年采用自乳化法合成水性硝化纖維的報道越來越多。而現(xiàn)有水性硝化纖維乳液幾乎都是以二羥甲基丙酸(DMPA)與異氰酸酯反應生成的聚氨酯預聚體[8-10]為親水基，引入到硝化纖維分子上進行自乳化。然而此種方法所得水性硝化纖維乳液存在穩(wěn)定性較差，貯存穩(wěn)定期較短，且涂膜存在柔韌性差、豐滿度不足、不耐黃變、耐水性及力學性能欠佳等缺陷，嚴重限制了其使用范圍。

丙烯酸類乳液[11-13]具有優(yōu)良的耐水性和耐候性，而且成膜性能優(yōu)異，又具有優(yōu)異的物理和機械性能，且制備丙烯酸樹脂所用單體種類繁多。丙烯酸樹脂合成工藝并不復雜，具有高固含量、所需原料常見、價格低廉、成膜近乎透明、對抗紫外線能力強、不易變黃等特性。本文通過分子設計調整，采用丙烯酸與丙烯酸羥乙酯共聚，通過異氰酸酯將共聚產物帶到硝化纖維上，引入親水基團，使之可自行乳化分散在水中形成較小粒徑的乳液，制備出一種穩(wěn)定且性能良好的新型水性硝化纖維乳液，解決水性硝化纖維乳液穩(wěn)定性及涂膜性能差等問題。

1 反應機理

通過丙烯酸與丙烯酸羥乙酯的共聚反應，得到含有羥基與羧基的共聚物，通過異佛爾酮二異氰酸酯中的異氰酸酯基與羥基的反應，將共聚產物引入到硝化纖維分子上，然后以三乙胺中和成鹽，使接枝上共聚產物的硝化纖維具有親水性，最后進行自乳化，合成出新型水性硝化纖維乳液。反應式如下：

2 實驗

2. 1 主要試劑

硝化纖維(NC)，工業(yè)級，陜西興平寶塔山涂料廠；異佛爾酮二異氰酸酯單體(IPDI)，工業(yè)級，德固薩公司；丙烯酸(AA)，分析純，天津市天力化學試劑有限公司；丙烯酸羥乙酯(HEMA)，化學純，天津市化學試劑六廠；二月桂酸二丁基錫(DBTDL)，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；三乙胺(TEA)，分析純，天津市富宇精細化工有限公司；丁酮，分析純，天津博迪化工有限公司；偶氮二異丁腈(AIBN)，化學純，北京北化精細化學品有限責任公司；蒸餾水，市售。

2. 2 丙烯酸接枝共聚改性水性硝化纖維的制備

在氮氣保護下，向裝有攪拌和冷凝回流的四口燒瓶中分別加入5.5 g丙烯酸、2.1 g丙烯酸羥乙酯，以0.04 g重結晶的偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑，在75 °C下反應2.5 h，加入經脫水處理的IPDI 0.8 g和催化劑DBTDL 2滴，恒溫(75 °C)反應1. 5 h；再加入3.6 g經丁酮溶解的NC，反應2.0 h；降溫至40 °C，加入6.0 g TEA中和反應30 min；冷卻至26 °C，在高速(2 000 r/min)攪拌下加入去離子水乳化，繼續(xù)攪拌30 min。減壓蒸餾去除丁酮后制得自乳化型水性硝化纖維乳液。

使制得的乳液在聚四氟乙烯板上流延成膜，在室溫下放置72 h，然后放入40 °C烘箱中干燥24 h，取出冷卻至室溫(23 °C)，將膜取下制得厚度約1 mm的涂膜，放入干燥器中待測。

2. 3 結構表征與性能測試

(1) 乳液貯存穩(wěn)定性測試：按GB/T 11175-2002《合成樹脂乳液試驗方法》測定，在室內自然條件下存放90 d(期間最低氣溫15 °C，最高氣溫27 °C，平均氣溫20 °C)，觀察其外觀狀態(tài)，如有黏度急劇增大、凝聚、分層破乳現(xiàn)象，則視為不穩(wěn)定。

(2) 表面水接觸角的測定：采用廈門欣悅儀器儀表有限公司FM40Mk2 EasyDrop型接觸角測量儀測定。

(3) 粒徑及其分布測試：采用馬爾文(Malvern)公司Zen3690型粒度及Zeta電位分析儀，在25 °C下測定膠束粒徑及其分散系數(shù)(PDI)，激光散射角為90°。

(4) 吸水率測試：裁剪一塊約4 cm2的涂膜，用北京賽多利斯CPA26P電子天平稱其質量，記為m0(g)，將其浸入蒸餾水中浸泡24.0 h，取出后用濾紙擦干，再次稱量其質量，記為m1(g)，通過下式計算涂膜吸水率(wm)：

(5) 力學性能測試：選用承德金建檢測儀器有限公司XWW-20B型萬能試驗機測量拉伸強度，夾具速率為10 mm/min，待測涂膜均按照測試要求，提前壓制成啞鈴狀試樣條。

(6) 水分散性測試：用寧波凱諾儀器有限公司DDS-11A型電導儀測定乳液的水分散性，記錄出現(xiàn)最大電導率的時間，評價如下：0 ～ 1 min極好，1 ～ 2 min好，2 ～ 3 min較好，3 ～ 4 min一般，4 min以上差。

(7) 紅外光譜分析：采用德國Bruker公司Vector-22型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)，采用溴化鉀壓片法制樣，測試波數(shù)范圍為600 ～ 4 000 cm-1。

(8) 熱重分析：采用美國TA公司Q600型熱重分析儀(TGA)在N2氣氛下進行，升溫速率為10 °C/min，測試溫度范圍為20 ～ 600 °C，每次樣品用量約為8 mg。

3 結果與討論

3. 1 丙烯酸羥乙酯用量對乳液及涂膜性能的影響

表1展示了在基礎合成配方下，改變丙烯酸羥乙酯的投料量時，乳液及涂膜性能的檢測結果。由表1可知，當丙烯酸羥乙酯的投料量少于1.3 g時，HEMA中的羥基過少，異氰酸酯基過量，容易發(fā)生凝膠反應；隨著HEMA用量的增加，膠膜的吸水率逐漸降低，但當HEMA的量達到2.1 g時，隨著HEMA投料量的繼續(xù)增加，膠膜的吸水率又增大了。這是因為隨著HEMA用量的增加，交聯(lián)反應的活性點增多，形成交聯(lián)網(wǎng)絡結構，分子排列得較為緊密，膠膜的耐水性提高；當丙烯酸羥乙酯投料量達到2.9 g時，反應過程中交聯(lián)程度過大，導致分子粒徑變大，親水性下降，無法很好地分散在水中，制成膠膜時難以形成連續(xù)、緊密的涂層，使得水分子易滲入其中，膠膜的吸水率增大。因此，適宜的HEMA用量為2.1 g。

表1 HEMA用量對乳液及涂膜性能的影響Table 1 Effect of HEMA content on properties of the emulsion and its film

3.2 異佛爾酮二異氰酸酯單體用量對乳液性能的影響

取丙烯酸羥乙酯的量為2.1 g，固定基礎合成工藝下其他反應物的量不變，改變異佛爾酮二異氰酸酯的用量，所得乳液性能檢測結果如表2所示。

表2 IPDI用量對乳液性能的影響Table 2 Effect of IPDI content on properties of the emulsion

由表2可知，隨著n(IPDI)∶n(NC)的增大，乳液的各種性能不斷變化，這是由于當n(IPDI)∶n(NC)較高時，丙烯酸與丙烯酸羥乙酯共聚物跟異氰酸酯基反應的概率加大，接枝上去的親水集團(—COOH)增多，故乳液的水分散性、貯存穩(wěn)定性提高，粒徑變??；但當該比例大于0.50∶1時，異氰酸酯基過量，發(fā)生凝膠現(xiàn)象。所以最適宜的n(IPDI)∶n(NC)為0.41∶1。由于IPDI摩爾質量為222.28 g/mol，NC的摩爾質量為504.3 g/mol，因此最適宜的IPDI投料量為0.65 g，則硝化纖維為3.6 g。

3.3 引發(fā)劑用量對乳液與涂膜性能的影響

引發(fā)劑的用量對聚合反應速率、是否反應完全以及產物分子量的影響至關重要[14]，因此，它對乳液穩(wěn)定性以及所成薄膜的性能有很大的影響。圖1展示了取丙烯酸5.5 g、丙烯酸羥乙酯的量為2.1 g，固定基礎合成工藝下其他原料的用量不變時，引發(fā)劑偶氮二異丁腈占共聚單體(即AA與HEMA)總量的質量分數(shù)對乳液及涂膜性能的影響。

圖1 引發(fā)劑用量對乳液粒徑與涂膜拉伸強度的影響Figure 1 Effect of initiator dosage on particle size of the emulsion and tensile strength of its film

由圖1可知，當引發(fā)劑的用量少于共聚單體總量的0.2%時，引發(fā)劑的用量過少，自由基較少，僅引發(fā)少量單體發(fā)生聚合，單體轉化率低，不能很好地成核；當引發(fā)劑的量大于單體總量的1.0%時，引發(fā)劑的量過大，自由基增長速率過快，造成體系中瞬間膠粒過于集中，易產生凝膠，也無法參與合成穩(wěn)定的硝化纖維乳液，影響膠乳性能。

在0.2% ～ 1.0%之間，當引發(fā)劑用量少時，膠乳的粒徑較大，乳液不穩(wěn)定，且殘留的單體也會影響薄膜的性能，所以薄膜的力學性能較差。隨著引發(fā)劑用量的增加，其粒徑增加，薄膜的拉伸強度增加，引發(fā)劑用量為0.6% ～0.8%即0.046 ～ 0.061 g時，反應較穩(wěn)定，易于控制，并且所成薄膜的力學性能較佳。本實驗中AIBN取0.052 g時，所得涂膜的拉伸強度最大，為10.8 MPa。

綜上所述，最佳合成工藝為：丙烯酸5.5 g，丙烯酸羥乙酯2.1 g，異氟爾酮二異氰酸酯0.65 g，硝化纖維3.6 g，三乙胺6.0 g，偶氮二異丁腈0.052 g。

3.4 FT-IR分析

圖2顯示了最佳合成工藝下基于丙烯酸接枝共聚的水性硝化纖維乳液和改性前硝化纖維的紅外光譜圖。a曲線中，1 278 cm-1、844 cm-1歸屬于NC的特征峰，2 950 cm-1處的強吸收峰是甲基和亞甲基中C—H的伸縮振動吸收峰，1 450 cm-1處是—NH的彎曲振動峰，1 725 cm-1和1 553 cm-1歸屬于—NH2COO—，表明—OH與—NCO反應生成氨基甲酸酯鍵；在2 280 ～ 2 270 cm-1之間無吸收峰出現(xiàn)，說明—NCO與—OH反應完畢，—NCO基團已不存在。相對于a曲線，b曲線中無NC的特征峰，羰基吸收峰是在1 900 ～ 1 600 cm-1區(qū)域，C=O的伸縮振動由于受氫鍵的影響，其C=O吸收向低波數(shù)移動，曲線b中1 960 cm-1為羧基中羰基的吸收峰，而曲線a中并未出現(xiàn)，曲線a中1 724 cm-1、1 560 cm-1處有吸收峰說明丙烯酸羥乙酯中的羥基與丙烯酸羥乙酯反應生成了氨基甲酸酯鍵，2 280 ～ 2 270 cm-1之間仍有吸收峰存在，說明仍有異氰酸酯基剩余，以便在接下來的反應中接枝硝化纖維。FT-IR分析表明，已成功將硝化纖維接枝到預聚體上，制備了目標產物，即丙烯酸接枝共聚水性硝化纖維乳液。

圖2 水性硝化纖維預聚體改性前后的FT-IR光譜Figure 2 FT-IR spectra of the waterborne nitrocellulose prepolymer before and after modification

3.5 乳液粒徑及粒徑分布

最佳合成工藝下得到的乳液的粒徑分布如圖3所示。由圖3可知，粒徑分布圖只有一個峰值，即乳液的粒徑呈一元分散狀態(tài)，平均粒徑為62.2 nm。乳液粒徑分布很窄，PDI值為0.041，證明粒徑分布均勻，乳液穩(wěn)定。

3.6 接觸角檢測

圖4為丙烯酸接枝共聚水性硝化纖維乳液涂膜的接觸角檢測結果。由圖4可知，所得丙烯酸接枝共聚合成的水性硝化纖維涂膜的接觸角為95.26°，大于90°，涂膜具有疏水性。因此，基于丙烯酸接枝共聚所合成的水性硝化纖維膜，把丙烯酸酯結構成功導入水性硝化纖維分子上，不僅引入了耐水性基團，而且所形成的網(wǎng)絡結構限制了水分子的進入，使涂膜具有一定的耐水性。

圖3 丙烯酸接枝共聚水性硝化纖維乳液的粒徑分布圖Figure 3 Particle size distribution of the acrylic copolymergrafted water-based nitrocellulose emulsion

圖4 丙烯酸接枝共聚水性硝化纖維乳液涂膜的水接觸角檢測結果Figure 4 Water contact angle test result for the film of acrylic copolymer-grafted water-based nitrocellulose

3. 7 TGA分析

圖5為硝化纖維涂膜與基于丙烯酸接枝共聚合成的水性硝化纖維涂膜的TGA曲線。由圖5可知，在130 °C以下時，二者的失重率均極小。失重可能是涂膜體系中微量溶劑揮發(fā)或者小分子低聚物的分解所致。由圖 5還可看出，采用丙烯酸共聚接枝合成的水性硝化纖維的熱分解溫度較高。聚合物的熱穩(wěn)定性與其結構、相對分子質量以及聚合物分子鏈中各基團的耐熱性相關，所以基于丙烯酸共聚接枝合成的水性硝化纖維引入了剛性的丙烯酸酯基團，具有較高的耐熱性。

圖5 丙烯酸接枝共聚前后硝化纖維涂膜的熱重分析曲線Figure 5 Thermogravimetric analysis curves for the films of nitrocellulose before and after acrylic grafting copolymerization

4 結論

(1) 采用自乳化法，成功將丙烯酸與丙烯酸羥乙酯共聚產物引入到硝化纖維分子上，合成了一種乳液穩(wěn)定且涂膜性能良好的新型水性硝化纖維。紅外檢測表明，丙烯酸與丙烯酸羥乙酯共聚產物的引入未破壞硝化纖維的特征基團，符合預先設計的分子結構；接觸角檢測結果表明，此種合成方法將丙烯酸酯的優(yōu)良性能引入到了水性硝化纖維中，改善了以往水性硝化纖維乳液耐水性差的問題；熱重曲線分析表明，基于丙烯酸共聚接枝合成的水性硝化纖維乳液具有較好的熱穩(wěn)定性。

(2) 分別對丙烯酸羥乙酯、異佛爾酮二異氰酸酯和引發(fā)劑偶氮二異丁腈的投料量做單因素實驗，通過對比分析乳液的穩(wěn)定性、平均粒徑和水分散性以及膜的吸水率及力學性能等檢測結果，探索出了最佳合成工藝：丙烯酸5.5 g，丙烯酸羥乙酯2.1 g，異佛爾酮二異氰酸酯0.65 g，硝化纖維3.6 g，三乙胺6.0 g、偶氮二異丁腈0.052 g。該工藝下合成的丙烯酸接枝共聚水性硝化纖維乳液呈淺黃色，粒徑為62.2 nm，能穩(wěn)定地自然存放90 d，其涂膜吸水率為10.8%，水接觸角95.26°，拉伸強度10.8 MPa，熱穩(wěn)定性高于未改性硝化纖維。

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[ 編輯：韋鳳仙 ]

Study on synthesis and properties of waterborne nitrocellulose emulsion modified by acrylic grafting copolymerization

ZHAO Qing-xiao, SU Xiu-xia*, LIU Xian-wen

A novel waterborne nitrocellulose (NC) emulsion was synthesized by self-emulsification via introducing the copolymerization product of acrylic acid (AA) and hydroxyethyl acrylate (HEMA) to nitrocellulose molecule. The effects of the dosages of AA, HEMA, isophorone diisocyanate (IDPI), and initiator azobisisobutyronitrile (AIBN) on properties of the emulsion and its film were studied. The performances of the emulsion and its film were characterized by Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), particle size distribution measurement, contact angle detection, and mechanical property test. The results indicated that the acrylic copolymer-grafted waterborne nitrocellulose emulsion synthesized with AA 5.5 g, HEMA 2.1 g, IPDI 0.65 g, NC 3.6 g, trimethylamine 6.0 g, and AIBN 0.052 g is canary yellow with a particle size of 62.2 nm and stable during the storage at natural state for 90 days. Its film has a water absorption of 10.8%, water contact angle 95.26°, tensile strength 10.8 MPa, and higher thermal stability than the unmodified nitrocellulose film.

waterborne nitrocellulose; acrylic acid; hydroxyethyl acrylate; graft copolymerization; modification; stability

TQ316.61

A

1004 - 227X (2015) 18 - 1009 - 06

2015-03-31

2015-06-02

陜西省教育廳2012年產業(yè)化培育項目（2012JC04）。

趙擎霄（1990-），女，安徽宿州人，在讀碩士研究生，研究方向為水性硝化纖維乳液的合成與涂膜性能。

蘇秀霞，教授，(E-mail) suxiuxia@sust.edu.cn。