蘇蘭輝,柴于登,吳宇鵬
(浙江衢州巨塑化工有限公司,浙江 衢州 324004)
熱膨脹微球(又稱熱塑性微球、發(fā)泡微球)由發(fā)泡劑(液態(tài)低沸點(diǎn)烷烴或其他化合物)和熱塑性聚合物外殼構(gòu)成[1-2],是一種具有殼核結(jié)構(gòu)的聚合物微球。加熱時(shí),發(fā)泡劑汽化產(chǎn)生內(nèi)壓,熱塑性聚合物外殼受熱軟化,微球向外膨脹;冷卻后,微球仍能保持發(fā)泡形狀[3-4]。微球發(fā)泡后,其直徑可增至3~5倍,密度約從1 100 kg/m3下降至30 kg/m3[5-7]。由于其質(zhì)輕和均一發(fā)泡的特性,膨脹后的微球在隔熱、隔聲、減重、減震等方面具有廣泛應(yīng)用,其研究也受到廣泛關(guān)注[8]。
熱膨脹微球按起始發(fā)泡溫度范圍可分為3類:低溫(低于120 ℃)、中溫(120~180 ℃)、高溫(高于180 ℃)。其中,低溫?zé)崤蛎浳⑶蛲ǔS糜诘妥枞?、低加工溫度的材料改性,如用于皮革、油墨、印花、紙張改性等領(lǐng)域[9-10]。在這些領(lǐng)域,材料生產(chǎn)及加工溫度過(guò)高將導(dǎo)致基材本身性能下降[11]。
熱膨脹微球的制備主要使用懸浮聚合方式,分為有限凝結(jié)聚合、界面活化穩(wěn)定聚合、界面活化聚合(微懸浮聚合)[12]。有限凝結(jié)聚合使用無(wú)機(jī)分散劑和低分子質(zhì)量的脂肪酸和醇胺縮合物促進(jìn)劑等分散劑作為分散體系,其優(yōu)點(diǎn)是:低轉(zhuǎn)速合成小粒徑樹(shù)脂,其粒徑分布小、大小均一且不聚并。界面活化穩(wěn)定聚合可以無(wú)機(jī)分散劑或有機(jī)分散劑作為分散體系,同時(shí)引入少量的表面活性劑輔助分散。界面活化穩(wěn)定聚合的優(yōu)點(diǎn)是可以合成小粒徑;缺點(diǎn)是靠高轉(zhuǎn)速剪切分散合成小粒徑樹(shù)脂,顆粒分布寬且易聚并。界面活化聚合(微懸浮聚合)使用表面活性劑作為分散體系,可以合成2 μm以下聚合物微球[13]。本文中采用有限凝結(jié)聚合法,通過(guò)調(diào)節(jié)單體比例、發(fā)泡劑用量、交聯(lián)劑種類及用量,合成一種低溫高膨脹倍率的熱膨脹微球。
(1)原料。偏氯乙烯(VDC),自制,工業(yè)級(jí);丙烯腈(AN),丙烯酸異丁酯(BA),浙江衛(wèi)星石化股份有限公司,工業(yè)級(jí);異戊烷、聚乙烯吡咯烷酮(PVP),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,分析純;硅溶膠(50%),諾力昂新材料(蘇州)有限公司,工業(yè)級(jí);二甲基丙烯酸己二醇酯(HDDMA),上海阿拉丁生化科技股份有限公司,分析純;過(guò)氧化月桂酰(LPO),上海阿拉丁生化科技股份有限公司,分析純;去離子水,自制。
(2)設(shè)備儀器。1 L高壓玻璃反應(yīng)釜,CF-41循環(huán)式油溫機(jī),HRT-500K顯微鏡熱臺(tái),SSD-550體視光學(xué)顯微鏡,JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(SEM),Mastersizer-v3.62激光粒度分析儀,TMA-Q400熱機(jī)械分析儀。
取一定量去離子水、硅溶膠、PVP、亞硝酸鈉、氯化鈉加入燒杯,開(kāi)啟攪拌,調(diào)節(jié)pH值至3~4,形成水相。取一定量VDC、AN、BA、發(fā)泡劑、過(guò)氧化二月桂酰、交聯(lián)劑加入燒杯,開(kāi)啟攪拌,配制成油相。將水相和油相加入均化器,在8 000~10 000 r/min轉(zhuǎn)速下均化5 min后,加入1 L反應(yīng)釜,控制反應(yīng)溫度62 ℃,轉(zhuǎn)速400 r/min,反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束,降溫出料,洗滌干燥。
1.3.1 粒徑及粒徑分布
取熱膨脹微球,加入去離子水,超聲振蕩5 min,配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的懸浮液。滴加懸浮液至Mastersizer-v3.62激光粒度分析儀,進(jìn)行測(cè)試。粒徑分布寬度的表示方法采用span法。
1.3.2 微觀形貌
將待測(cè)熱膨脹微球置于導(dǎo)電膠,樣品噴金后進(jìn)行SEM表征。
取一定量發(fā)泡樹(shù)脂置于顯微鏡熱臺(tái),設(shè)置熱臺(tái)升溫速率20 ℃/min,從20 ℃升至300 ℃,觀察熱膨脹微球發(fā)泡情況。
1.3.3 發(fā)泡性能測(cè)試
使用TMA-Q400熱機(jī)械分析儀表征微球發(fā)泡性能,稱取4 mg熱膨脹微球置于鋁制小坩堝內(nèi),測(cè)量樣品高度,記為D樣品。施加0.01 N載荷,空氣氛圍下以15 ℃/min升溫速率至300 ℃,觀察探針位置隨溫度的變化,Tstart為微球起始發(fā)泡的溫度,Tmax為微球膨脹至最大時(shí)的溫度。Dmax為微球最大膨脹高度,微球膨脹倍率=(Dmax+D樣品)/D樣品。
軟單體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低。加入軟單體可以降低聚合物外殼軟化點(diǎn),制備出發(fā)泡溫度低、韌性優(yōu)異的熱膨脹微球。本研究主要采用BA作為軟單體,研究其用量(BA質(zhì)量/單體總質(zhì)量)對(duì)熱膨脹微球發(fā)泡性能和粒徑的影響,結(jié)果如圖1、圖2所示。
圖1 BA單體比例對(duì)發(fā)泡性能的影響Fig.1 Effect of monomer BA content on foaming performance
圖2 BA單體比例對(duì)粒徑及粒徑分布的影響Fig.2 Effect of monomer BA content on particle size and its distribution
在圖1中,隨著B(niǎo)A單體比例增大,微球發(fā)泡起始溫度和發(fā)泡終止溫度開(kāi)始降低,穩(wěn)泡溫程增大,發(fā)泡倍率則先增大后減小。當(dāng)BA單體比例為4%時(shí),熱膨脹微球起始發(fā)泡溫度為98 ℃,終止發(fā)泡溫度為136 ℃,穩(wěn)泡溫程為38 ℃,發(fā)泡倍率為75.7%。隨著B(niǎo)A單體增加,發(fā)泡起始溫度和終止溫度出現(xiàn)降低,是因?yàn)锽A單體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低,隨著其添加量增加,聚合物外殼軟化點(diǎn)降低,微球發(fā)泡起始溫度和終止溫度降低。發(fā)泡倍率先增大后減小,則是因?yàn)锽A加入量較小時(shí),隨著B(niǎo)A含量增加,聚合物外殼韌性增強(qiáng),微球不易破損,微球發(fā)泡倍率增大。而當(dāng)BA含量過(guò)大時(shí),隨著B(niǎo)A含量增加,聚合物外殼氣密性下降,微球發(fā)泡倍率減小。
對(duì)于微球粒徑,如圖2所示,BA單體的加入,對(duì)微球粒徑及粒徑分布影響較小。從圖2也可看出微球粒徑分布較窄,有利于其發(fā)泡均一性。
發(fā)泡劑位于核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部,加熱時(shí)發(fā)生汽化,從而給微球足夠的內(nèi)壓使其外殼伸展體積膨脹。發(fā)泡劑須與聚合單體互溶而不溶于生成的聚合物。此外,發(fā)泡劑對(duì)聚合物外殼要有較低的透過(guò)性,且發(fā)泡劑不參與化學(xué)反應(yīng)。本研究主要采用異戊烷作為發(fā)泡劑。研究發(fā)泡劑用量(異戊烷質(zhì)量/單體總質(zhì)量)對(duì)熱膨脹微球發(fā)泡性能和粒徑的影響,結(jié)果如圖3、圖4所示。
圖3 異戊烷用量對(duì)微球發(fā)泡性能的影響Fig.3 Effect of isopentane added amount on the foaming properties of microspheres
圖4 異戊烷用量對(duì)微球粒徑及粒徑分布的影響Fig.4 Effect of isopentane added amount on particle size and its distribution
圖3中,隨著發(fā)泡劑用量增加,微球發(fā)泡起始溫度和發(fā)泡終止溫度降低,穩(wěn)泡溫程和發(fā)泡倍率則先增大后減小。當(dāng)異戊烷用量為30%時(shí),熱膨脹微球發(fā)泡性能最佳。隨著異戊烷用量增加,發(fā)泡起始溫度和終止溫度出現(xiàn)降低,是因?yàn)殡S著異戊烷用量增加,微球在更低的溫度下就能產(chǎn)生足夠的內(nèi)壓使其外殼伸展,體積膨脹,同時(shí)也在更低的溫度下膨脹微球出現(xiàn)破泡現(xiàn)象。發(fā)泡倍率先增大后減小,則是因?yàn)樵谶m當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑用量下,增大發(fā)泡劑用量,發(fā)泡劑汽化時(shí)可以形成更大的膨脹微球。而當(dāng)發(fā)泡劑過(guò)量時(shí),膨脹微球較易出現(xiàn)破損漏氣,導(dǎo)致發(fā)泡倍率下降。
對(duì)于微球粒徑,如圖4所示,發(fā)泡劑用量增加,微球粒徑增大。因?yàn)榫酆衔锿鈿ぶ袉误w聚合時(shí)體積產(chǎn)生收縮,而發(fā)泡劑含量高時(shí),聚合物外殼更薄,體積收縮更不明顯,所以微球具有更大粒徑。從圖4也可以看出,微球粒徑分布較窄,這有利于其發(fā)泡均一性。
取4%BA、30%異戊烷合成的熱膨脹微球,采用SEM觀察膨脹前發(fā)泡微球(如圖5所示)。取熱膨脹微球,置于顯微鏡熱臺(tái)上,使用光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)泡過(guò)程,結(jié)果如圖6所示。
(a)低倍
(b)高倍圖5 低溫?zé)峥膳蛎浳⑶騍EM圖Fig.5 SEM of low-temperature thermal expansion microspheres
(a)發(fā)泡前
(b)開(kāi)始發(fā)泡
(c)最大發(fā)泡
(d)破泡圖6 微球發(fā)泡過(guò)程Fig.6 Foaming process of microspheres
從圖5可以看出:發(fā)泡微球粒徑小、粒徑分布窄,且其球形度好。
光學(xué)顯微鏡下,觀察低溫?zé)崤蛎浳⑶虬l(fā)泡過(guò)程,從圖6可以看出:微球發(fā)泡前后微球粒徑相差大,發(fā)泡倍率高;微球開(kāi)始發(fā)泡時(shí)間接近,微球大小相近,發(fā)泡均一。
AB單體為4%時(shí),膨脹微球具有最佳的發(fā)泡倍率、較好的穩(wěn)泡溫程和較好的粒徑分布。異戊烷發(fā)泡劑為30%時(shí),膨脹微球穩(wěn)泡溫程最佳,發(fā)泡倍率最佳,粒徑分布較好。其起始發(fā)泡溫度為98 ℃,終止發(fā)泡溫度為136 ℃,穩(wěn)泡溫程為38 ℃,發(fā)泡倍率為75.7%。