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聚合物乳胶粒形态、膜结构及压敏特性的构效关系

来源:小奈知识网
第24卷第5期 高分子材料科学与工程 vo1.24。№.5 2008年5月POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING May 2008 聚合物乳胶粒形态、膜结构及压敏特性的构效关系 巫 辉 ,龚 俊 ,李建宗2 (1.武汉理q- ̄学应用化学系,湖北武汉430070;2.湖北大学化学系,湖北武汉430062) 摘要:介绍了通过综合考虑乳胶粒形态形成过程的相关热力学和动力学因素所建立的聚合物乳胶粒形 态的构筑理论和模型,从而对设计、模拟、构筑和调控实际乳胶粒形态的形成进行指导,得到具有不同结 构形态的乳胶粒及膜,以改善或获得特殊的压敏特性。 关键词:聚合物乳胶粒形态;膜结构;压敏特性 中图分类号:TQ316.33 4 文献标识码:A 文章编号:1000—7555(2008)05—0108—05 I聚合物乳胶粒形态的构筑理论 Sundberg[8】、ChenL9J等人通过计算乳液聚合过 高分子材料的宏观性能一方面与组成高分 程中各种可能存在的热力学不稳定形态的形成 子的分子链结构有关,另一方面更为重要的是 所对应的体系自由能的变化,提出了界面自由 依赖于分子链层次以上的高级结构…。由聚 能变化最小的形态是热力学存在的最有利形 合物胶乳所形成的膜的力学性能可通过在界面 态。Durant【10]等人从界面自由能出发采用一 张力下的粘弹松弛以及胶粒间聚合物分子链段 种迭代运算方法,通过计算一系列可能出现的 的相互作用来实现。这种松弛和相互作用与聚 乳胶粒形态(Fig.1)所对应的界面自由能变化, 合物玻璃化转变温度有关,其本质与胶粒的形 创造性地提出了一个连续的界面自由能面 态有关[2l。 (Fig.2),面上的最低点即为热力学最稳定的形 自从Okubo[3-5]提出“粒子设计”新概念 态。此外,他们还通过建立新的界面自由能变 后,许多有关聚合物乳胶粒形态的设计理论、模 化方程,引入由弹性力而引起的自由能改变,探 型、方法以及由此研发的具有新的性能特别是 讨了交联对乳胶粒平衡形态的影响【n,l2J。 功能化的结构胶粒备受关注。研究结果表明, 聚合物乳胶粒形态形成的主要动力源自化学热 力学和动力学 J。 热力学因素决定了乳胶粒最终的平衡形 态。上世纪70年代以来,热力学因素对聚合物 乳胶粒平衡形态的影响一直是人们关注的热点 之一。Torza和MaSOn【7】提出了由相间界面张 力来设计并预测胶粒形态的“三相(低分子量化 Fig.1 Topological map for two- ̄omponent polymer 合物)不相容体系界面行为”的热力学模型,通 partilces.Dark phase is seed polymer and light 过测定一系列液体的界面张力及所观察到的相 phaseis second stage polymer 应体系的相结构,证实了相间界面张力是胶粒 形态结构形成的主要驱动力。在此基础上, 收稿日期:2007—06-04;修订日期:2007—11—02 联系人:巫辉,主要从事高分子及复合材料方面的研究,E-mail:wuhui@mail.whut.edu.cn 第5期 巫辉等:聚合物乳胶粒形态、膜结构及压敏特性的构效关系 Fig.2 Surfacefree energymapfor all possible equilibrium morpholo ̄es 热力学因素是乳胶粒形态形成的必要条 件,而在乳液聚合过程中,由于体系黏度不断增 加,以及由此产生的对聚合物链蠕动和相迁移 的限制,使得最终形成的乳胶粒形态与热力学 的预测存在较大差异,甚至可能是多种形态结 构胶粒的共混。因此,动力学因素是乳胶粒形 态构成的充分条件,决定了取得这种热力学上 有利形态的难易程度。Gonzalez_Ortiz[13 ̄15]等 人综合考虑了乳胶粒形态形成的相关动力学和 热力学因素,提出了旨在描绘乳胶粒形态构筑 过程的簇迁移模型。该模型认为乳胶粒形态的 构筑过程如下:(1)聚合物链在乳胶粒中的一定 位置上形成;(2) ̄11果新生成的聚合物链和已存 在的聚合物链是不相容的,则出现相分离。相 分离导致簇的形成;(3)为了使Gibbs自由能最 小化,簇朝着热力学平衡形态的方向迁移。在 迁移过程中,簇内单体的聚合、聚合物链向簇内 扩散和簇问相互碰撞凝结使簇不断长大。聚合 物链的扩散、簇的凝结与迁移强烈依赖于各归 属相的黏度。其运动方程为: i= =F—i 一6 6i/a 式中:mi——簇J的质量;Xi——簇 的位置 向量;Fi——作用于. 簇的范德华力; ——聚 合物相2的黏度;bj是簇 的摩擦系数,对于刚 性球体,bj=67【 i; j为簇 的半径。 作用于每一个簇上范德华力F;可通过下 式计算: Fj Fj3+h: jFjh 式中:H_一簇数;F|h——簇J与另一簇h的 相互作用力;Fj3——簇 与水相的相互作用 力。这些力可由界面自由能计算得到(Fi=一 VEi)。 上述有关聚合物乳胶粒形态构筑的理论和 模型对设计、模拟、构筑和调控实际乳胶粒形态 的形成具有明显的指导意义。为了进一步完善 该理论,更多研究工作开始着重于探索多元乳 液体系的因素分析与形态的设计与构筑、界面 张力的准确测量、相分离乳胶粒的聚合动力学 分析等【6,16 J。 2聚合物乳胶粒形态、膜结构及压敏特性 乳胶粒形态的制备和精确调控可通过化学 合成和物理合成的方法来实现,如种子乳液聚 合、溶胀聚合、半连续乳液聚合、机械共混等方 法。 Aymonier[17 9]等人以甲基丙烯酸甲酯 ( ,IA)和丙烯酸异辛酯(EHA)为主要原料, 分别通过间歇乳液聚合(Batch)、半连续梯度乳 液聚合(St2 Gradient)和半连续混合乳液聚合 (sc Mixture)合成了一系列具有不同结构形态 的乳胶粒,研究了乳胶粒形态及膜结构对压敏 特性的影响(Fig.3及Tab.1)。利用差示扫描 量热仪、表面自由能测量仪、流变仪和原子力显 微镜等对乳胶粒形态及膜结构进行表征,证实 曩÷ 乳胶粒的形态结构在成膜后仍保留。 睾甲 Latex partic1CS Films 稿中 墨墨巫 Fig.3 Structure of latex partilces and of cotTespond ̄ iflms after particle ̄oa]esoeno ̄ schematic description of the film behavior during the tack test(black:PEHA;gray:EHA-MMA; white:PMMA) Batch方法采用一次性快速投入共聚单体 的混合溶液进入反应体系,制得均匀性介于前 两者之间的乳胶粒及其膜。由于锥形共聚物的 形成,该膜软、硬相区具有一定的相容性,从而 可获得粘合与内聚的良好平衡,然而其粘性仍 处于一个较低水平。而采用半连续饥饿态的加 110 高分子材料科学与工程 2008在 料方式进行乳液聚合可使乳胶粒的瞬间组成接 时缠结密度的降低导致内聚强度下降,高温时 近于投料组成。SC Mixture方法以恒定速率滴 (80℃)粘合失败。SC Gradient方法则以可变 加共聚单体的混合溶液进入反应体系,制得几 速率分别滴加共聚单体进入反应体系,制得不 乎均匀的乳胶粒及其膜。该膜由缠结密度很高 均匀的乳胶粒及其膜。该膜由于软、硬相区相 的柔性长链高分子构成,因此初粘过程中对底 容性的缺乏导致粘合和内聚的断裂,表现出不 材表现出适当润湿性,而高的膜内损耗能量对 协调的粘弹行为,即在粘合过程主要表现为弹 脱粘合过程有利,直到发生纤维化(纤维的形成 性行为(低的润湿性),而在脱粘合过程主要表 和形变导致高的断裂能量和粘性【 oj),因而在 现为粘性流体行为(低能量的内聚失败),所获 室温下呈现较好的压敏特性。随着温度升高, 压敏特性很差。 链发生解缠结,使得初粘润湿性进一步提高,同 Tab.1 Tack parameters of 50/50 MMA-EHA SC Gradient,Batch,and SC Mixture films at various temperatures 量IA则得到单核一壳结构形态的乳胶粒,PS以 伯巾O科协 -冉-4,MA^ 单粒径分散于胶粒内部,赋予压敏胶更高的剥 I 离强度。而以MMA和BA为主要聚合单体, ∞嗍l 制备出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分散于乳 胶粒表面和内部的草莓状结构形态的乳胶粒。 与加入少量IA相比,乳液聚合中加入少量 或AA得到良好分散的草莓状乳胶粒,赋 予压敏胶更好的持粘性。 {m搴thyI} mmac I啦 此外,他们还采用相同原料,分别通过无规 共聚合和机械共混合成了一系列聚合物乳液, 并对其压敏特性进行了对比。 Fig・4 TM-AFMphase hnagesfor swettmg polymerfilms 采用半连续种子乳液可得到不同结构形态 Kirsch【2 J等人采用溶胀种子乳液聚合方 的乳胶粒。张心亚(22 J等人采用半连续种子乳 法,先用丙烯酸正丁酯(BA)和少量羧酸甲基丙 液聚合制得一种新型具有核 结构的有机硅 烯酸(MAA)、丙烯酸(AA)或衣康酸(IA)共聚 改性丙烯酸酯压敏胶聚合物乳液,与相同配方 制得种子乳液,然后加入苯乙烯(st)或甲基丙 的常规乳液压敏胶比较,具有更高的持粘力和 烯酸甲酯(MMA)进行溶胀聚合,合成了一系列 剥离强度,且初粘力保持不变。 不同结构形态的乳胶粒(Fig.4),并对其压敏特 通过某种独特设计还可合成具有特殊压敏 性进行了表征。 特性的聚合物乳液。Richard[23 J采用乳液聚合 研究发现,以St和BA为主要聚合单体, 法先合成了一种亲水性的种子聚合物,然后加 制备出一系列核壳结构形态的乳胶粒。其中聚 入疏水性单体进行聚合,得到了一种“翻转”型 苯乙烯(PS)以不同的粒径大小及分布分散于 核/壳乳胶粒,通过调节体系的pH值可使亲水 所得聚合物胶粒内部。乳液聚合中加入少量 性聚合物溶解,所合成的压敏胶具有可除去的 MAA或AA可制备多核一壳结构形态的乳胶 特点。 粒,PS以多粒径分散于胶粒内部,而只加入少 此外,由于成膜过程的影响,胶粒形态结构 第5期 巫辉等:聚合物乳胶粒形态、膜结构及压敏特性的构效关系 111 相同的聚合物乳液形成的膜结构也可能存在较 大差异,从而影响其压敏特性。林芸 J等人考 察了降解天然胶乳与萜烯树脂乳液组成的水乳 型橡胶压敏胶成膜条件,探讨了微观结构与宏 观性能的关系。实验结果表明,当温度适中,橡 胶与萜烯树脂达到或接近分子的扩散平衡时, 可获得性能优良的压敏胶制品。 3结语 聚合物乳胶粒形态的控制是制备高性能乳 液的关键。通过对乳胶粒进行形态设计,可得 到不同结构的乳胶膜,从而改善或获得特殊的 压敏特性。迄今为止,无论是乳胶粒形态的构 筑理论,还是结构与压敏特性构效关系,都已取 得了巨大的发展,但仍有许多工作有待科学工 作者们不懈努力,如建立更加完备的乳胶粒形 态的构筑理论,更加系统地研究乳胶粒形态、膜 结构与压敏特性的构效关系等。 参考文献: [1]何曼君(HEMarl-jur1),陈维孝(CHENWei—xiao),董西 侠(D NG Xi—xia).高分子物理(Macromolecule Physics).复旦大学出版社(Fudan University Press), 2Oo0. 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Keywords:polmyer latex particlse morpholgoy;film structure;pressure-sensitive propertise (上接第107页。mntmu ̄from P.107) Miscibility of Polyamide-6 with Manganese or Sodium Sulfonated Polystyrene Ionomers Evaluated by Isothermal Crystallization Dynamics ZHANG Gong—zheng,LIU Can—qiang,FAN Xiang—cui (School ofChemical Engineeringand Environment,Bering Instituteof Technology,Beijing 100081,Chian) ABSTRACT:The crystlalization dynamisc of oplyamide一6 and a sulofnated oplystyrene neutralized iwth sodium, manganese(PA-6/NaSPS, PA一6/MnSPS)was analyzed by DSC under isothermal ocnditions.The crystla growth rate(G)and the nucleation rate(N)depended on both the degree of supercooling(AT)and the blend weight fraction(9M ̄SPS)for PA-6/MnSPS blends.However,G nad N Of PA一6 aSPS blends depended only on△T and was independent of 9NaSPS.The AT/T ̄m values obtained at the fixed G,which corresponded to the chemical optential difference between molceulse in the liquid and the crystla state,and the surface free energy parameters(K and S)of PA・6 crystals evaluatde from G and N depended on 9 ̄ses fOr PA一6 nSPs blends,although the AT/ values and surface free energy parameters of PA一6/NaSPS Was almost constnat and independent of 9NaSPS. These results suggest that PA-6 以nSPS blends are miscible but PA-6/NaSPS blends are immicsible. Keywords: polyamide-6;sulofnatde polystyrene ionomer;micsibility;isothermal crystlaliaztion dynamisc 

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