摘 要 : 目的 以 PAM 代替水性內墻涂料中的 PV F, 消除 PV F 中游離甲醛對環境所造成的污染 . 方法以丙烯酰胺為單體 , 在無引發劑條件下進行水溶液聚合 , 合成 PAM ; 以 PAM 為膠粘劑 , 以淀粉膠和羧甲基纖維素為增稠劑 , 添加助劑制備成內墻涂料 . 結果 制備出無甲醛水性內墻涂料 . 結論 性能測試證明 : PAM 完全能代替現行的以 PV F 為膠粘劑的水性內墻涂料 .
關鍵詞 : 聚丙烯酰胺 ; 水溶液聚合 ; 涂料
聚丙烯酰胺 (PAM ) 及其衍生物是一類新型的功能高分子化合物 , 是重要的水溶性高分子材料 . 因其具有絮凝、增稠和某些生物功能 , 可作為絮凝劑、增稠劑、粘合劑、涂料、表面活性劑和阻垢劑等而廣泛應用于化學、生物、機械、醫學、造紙及石油等許多工業部門 [ 1 ～ 3 ] . 以丙烯酰胺為單體 , 在無引發劑的條件下進行水溶液聚合 , 合成聚丙烯酰胺 (PAM ). 以 PAM 為膠粘劑 , 以淀粉膠和羧甲基纖維素為增稠劑 , N a 2 SiO 3 為防火劑 , 添加超細輕質碳酸鈣和滑石粉等填料制備成無甲醛水性內墻涂料 . 通過性能測試 , 證明其完全能代替現行的以聚乙烯醇縮甲醛 (PV F) 為膠粘劑的水性內墻涂料 .
1 實驗部分
1. 1 聚丙烯酰胺的合成
1. 1. 1 實驗原理
丙烯酰胺水溶液用陽離子交換樹脂交換柱處理 , 以除去其中的阻聚劑 Cu 2+ . 不添加任何引發劑 , 進行水溶液聚合 , 合成聚丙烯酰胺 . 丙烯酰胺分子中含有羰基 (), 為極性雙鍵 . 極性雙鍵呈加成活性 , 且影響到極性雙鍵附近的 Α - C-H 鍵 , 使 Α - C 上的 H 活化 , 易發生轉移反應 , 形成單體自由基和氫原子自由基 [ 4 ] . 由此推斷可能的反應機理如下 :
鏈引發
鏈增長
鏈增長
歧化終止
歧化終止
向單體轉移終止
向單體轉移終止
按照上述機理 , 本實驗在無引發劑的情況下 , 采用水溶液聚合方法合成聚丙烯酰胺 .
1. 1. 2 聚丙烯酰胺的合成 1) 丙烯酰胺用去離子水配成 50 % 的水溶液 , 并經陽離子樹脂交換柱處理去除 Cu 2+ . 2) 將經陽離子樹脂交換柱處理后的丙烯酰胺水溶液倒入反應瓶中 , 并將反應瓶置于水浴中 . 將水浴 加熱至 90 ℃ , 控制反應溫度 (90 ～ 95) ℃ , 反應 1. 5h 結束反應 .
1. 2 性能測試
1. 2. 1 殘留丙烯酰胺含量的測定 [5 ] 丙烯酰胺 ( CH 2 CHCON H 2 ) 無色透明 , 片狀晶體 , 無臭有毒 . 因此 , 必須控制 PAM 中殘留丙烯酰胺的含量 . 按 GB 12005. 3 - 89 規定 , PAM 中殘留丙烯酰胺的含量應≤ 0. 5%.
參照 GB 12005. 3 - 89( 溴化法 ) 測定殘留丙烯酰胺含量 .
參照 GB 12005. 3 - 89( 溴化法 ) 測定殘留丙烯酰胺含量
式中 Α AM 為丙烯酰胺含量 , ? Α ; V 1 為空白實驗所消耗的硫代硫酸鈉標準溶液的體積 , mL; V 2 為試樣所消耗的硫代硫酸鈉標準溶液的體積 , mL; C 為硫代硫酸鈉標準溶液的濃度 , mo l / L; 0.035 54 為與 1. 00mL 硫代硫酸鈉標準溶液 ([N a 2 S 2 O 3 ]= 1. 00mo l / L) 相當的丙烯酰胺的質量 , g; m 為試樣質量 , g; S 為試樣固含量 ,.
1. 2. 2 聚丙烯酰胺的相對分子質量的測定
聚丙烯酰胺的性能與其相對分子質量有關 , 作為膠粘劑聚丙烯酰胺的相對分子質量不能太高 , 應控制在 500 × 10 4 左右 . 用直徑為 (0. 7 ～ 0. 8)mm 的烏式粘度計按一點法測定其相對分子質量 [6 ] .
聚丙烯酰胺的相對分子質量的測定
(2) 式中 t 為 PAM 溶液在烏式粘度計中的停留時間 ; t 0 為溶液在烏式粘度計中的停留時間 ; Γ r 為相對粘度 , Γ r = t / t 0 ; Γ sp 為增比粘度 , Γ sp = Γ r -1; [ Γ ] 為特性粘度 ; c 為待測聚丙烯酰胺溶液的濃度 ,g / ml
聚丙烯酰胺的相對分子質量的測定
式中 K = 3. 75 × 10 -2 , Α = 0. 66; c 的值在數值上等于聚丙烯酰胺的質量的一半 ; t 0 = 111 s.
1. 3 涂料制備
1) 涂料配方 . 涂料配方如表 1 所示 .
表 1 涂料制備配方
Ta b . 1 Form ular of coating p reparation
物料 PAM 水溶液 g 淀粉膠 g 防火劑 g 水 mL 聚乙烯醇 g
用量 25 75 0. 1 75 1
2) PAM 水溶液的制備 . 取 10 g 聚丙烯酰胺水凝膠 ( 固含量為 50% ) 加 190mL 水 , 配成 2. 5% 的聚丙烯酰胺水溶液 , 加熱至 90 ℃ 使之充分溶解 , 備用 .
3) 淀粉膠的制備 . ① 在 1 000 mL 三口瓶中加水 480mL. ② 加入淀粉糊 . 150 g 淀粉用 108mL 水混合攪拌均勻 , 此時不超過 40 ℃ , 同時開始攪拌 . ③ 攪拌 15m in 后 , 加入 FeSO 4 水溶液 . FeSO 4 水溶液的配制 : 0. 272 g FeSO 4 用 2. 6mL 水溶解 . ④ 加入 N aOCl 水溶液 . 2. 8mL N aOC l 水溶液用 20 mL 水稀釋 . ⑤ 在 60 ℃ 時加入 N aOH 水溶液 . 3. 68g N aOH 用 36mL 水溶解 . ⑥ 保溫 90m in 后加入硼砂水溶液 . 0. 048 g 硼砂用 4 mL 水溶解 , 再反應 1h 后出料 .
4) 涂料的制備 . 由于涂料的粘度直接影響涂料的施工性能 ( 粘度太大 , 容易產生刷痕 ; 粘度太小 , 容易產生流掛現象 ), 所以涂料的粘度應為優先考慮的因素 . 其主要操作步驟如下 : ① 加入 75 g 制備好的淀粉膠與 25 g 聚丙烯酰胺水溶液于三口燒瓶中 , 開動攪拌 . ② 將 0. 5g 羧甲基纖維素 , 1g 聚乙烯醇 , 0. 1g 六偏磷酸鈉 , 分別用 20 mL 水加熱溶解后加入三口燒瓶中 . ③ 1g 硅酸鈉用 20mL 水完全溶解后加入三口燒瓶中 . ④ 稱取膨潤土 1. 2g, 輕質碳酸鈉 22. 5g, 滑石粉 10. 5g 并量取 40mL 水加入三口燒瓶中繼續攪拌 . ⑤ 物料加完后繼續攪拌 0. 5h; 加消泡劑和染料漿 , 攪拌 10m in 后出料 .
5) 涂料性能測試 [7 ] . ① 固含量測試按 GB1725 - 79 (89) ( 涂料固體含量測定法 ) 進行 ; ② 附著力測定按 GB1720 - 79 (89) ( 涂膜附著力測定法 ) 進行 ; ③ 粘度測定按 GB / T1723 - 93( 涂料粘度測定法 ) 進行 . 6) 涂料性能測試結果 . 按照以上的測試標準 , 對制得的涂料進行性能測試 , 結果如表 2 所示 .
表 2 涂料性能測試結果
Ta b . 2 Tested results of coating p roperties
涂料性能測試結果
由以上的測試結果得知 , 所作的涂料性能較好 , 可滿足內墻涂料的使用要求 .
2 結果分析與討論
2. 1 聚丙烯酰胺對涂料性能的影響
所制備的無甲醛水性內墻涂料的基材是聚丙烯酰胺 , 它是一種性能良好的膠粘劑 . 基材的性質對形成涂膜的硬度、柔性、耐磨性、耐水性、耐沖擊性及其它物理化學性能起決定性的作用 . 基材在配制成涂料的儲存期間 , 應相當穩定 , 不發生明顯的物理和化學變化 . 涂料的狀態及涂膜固化方式也由基材決定 . 聚丙烯酰胺能夠滿足對涂料的基材的要求且無毒 , 用其代替內墻涂料中的聚乙烯醇縮甲醛 (PV F) , 可消除由于 PV F 中的游離甲醛所造成的對環境的污染 .
2. 2 淀粉膠和羧甲基纖維素對涂料性能的影響
在涂料的配制中 , 要考慮涂料的貯存穩定性 , 長期放置不能分層 , 否則影響涂料的使用 . 淀粉膠和羧甲基纖維素能使涂料增稠起懸浮作用 , 對涂料的貯存穩定性有很大的影響 , 對提高涂料的耐水性有一定的作用 . 因此 , 制備淀粉膠時要控制其粘度為 (25 ～ 35) Pa · s.
2. 3 填料對涂料性能的影響
涂料中加入填料可增進涂料的流動性 , 可使涂膜消光 , 提高涂膜的遮蓋力 , 還可以降低涂料的成本 , 但填料的加入量要適當 . 加入量太多時由于填料與膠液的混溶性不太好 , 而導致涂料分層沉淀 , 且隨著填料的體積濃度的增大 , 涂膜的耐老化性能也隨之降低 ; 加入量太少 , 會使涂料固含量太低 , 影響涂膜的遮蓋力且涂料易流淌影響施工性能 . 本次實驗用的填料為超細輕質碳酸鈣和滑石粉 , 其用量為涂料總質量的 20%.
2. 4 流變助劑對涂料性能的影響
加入流變助劑可防止涂裝時涂料的流掛 , 儲存過程中顏填料沉降以及涂料向多孔底材滲透 , 并可改善涂料涂刷時的操作性能 . 本實驗選用的流變助劑是聚乙烯醇 , 使用時應事先用 (90 ～ 95) ℃ 的熱水溶解之 .
2. 5 分散劑等對涂料性能的影響
為了使顏填料充分發揮其著色作用 , 需向涂料中加入分散劑 . 分散劑可把處于聚集狀態的顏填料顆粒分散成單個粒子 , 并使其穩定地分散在涂料中 , 防止聚集 . 本實驗選用的分散劑是六偏磷酸鈉 , 使用時 , 應事先用水溶解之 . 加入少量 N a 2 SiO 3 作為防火劑 , 提高涂料的安全性 [8 ] .
3 結 論
本研究以丙烯酰胺為單體 , 不加任何引發劑 , 采用水溶液聚合方法合成聚丙烯酰胺 . 以聚丙烯酰胺為基材制備了符合內墻涂料技術指標的無甲醛水性內墻涂料 . 以 PAM 代替水性內墻涂料中的 PV F, 可消除由于 PV F 中的游離甲醛所造成的對環境的污染 , 該涂料可稱為綠色涂料 .
