纳米碳酸钙改性苯丙乳液的制备及其在纸张涂料中的应用

【摘要】苯丙乳液（苯乙烯-丙烯酸酯乳液）是由苯乙烯和丙烯酸酯单体经乳液共聚而得。苯丙乳液是乳液聚合中研究较多的体系，为重要的非交联型乳液，在纸张涂布加工中有着广泛的应用。但是，常规苯丙乳液具有耐水性差、热稳定性较低、耐候性欠佳、涂膜强度不高等缺陷，不利于涂布纸光学性能和印刷性能的改善。随着纳米科学与技术的发展，纳米粒子改性乳液的制备及其功能化应用，已经引起了广泛的关注。本论文以苯丙乳液为目标体系，利用表面修饰的纳米碳酸钙粒子对其进行改性，并对改性苯丙乳液在纸张涂料中的功能性应用进行了研究。纳米碳酸钙具有极强的亲水性，难以均匀分散在有机相中，因而需要对其进行表面修饰。首先，本论文利用硅烷偶联剂KH570对纳米碳酸钙进行了表面修饰，着重探讨了KH570用量对改性纳米碳酸钙的微观结构和表面性质的影响。傅里叶红外光谱（FTIR）分析中，2923cm-1、2852cm-1和1641cm-1处功能基团峰的出现，证明硅烷偶联剂已经成功接枝到纳米碳酸钙的表面。而且，热重（TG）分析表明，改性纳米碳酸钙中KH570的最大接枝率为1.5%，最大的接枝效率为36.7%，确定了KH570的最佳用量为5%。依据接触角测试结果，发现修饰后纳米碳酸钙表面极性降低，亲油性大大增加。另外，通过透射电镜（TEM）观察，未经修饰的纳米碳酸钙粒子团聚严重，而经表面修饰后，颗粒分散性得到明显改善。需要指出的是，经KH570表面修饰后的纳米碳酸钙粒子表面含有碳碳双键，这为其分散在有机单体中参加原位乳液聚合反应创造了条件。其次，利用表面修饰的纳米碳酸钙改性苯丙乳液体系，全面探讨了纳米碳酸钙改性苯丙乳液的制备工艺，包括软硬单体的比例、功能单体的用量、乳化剂的选择和用量、纳米碳酸钙的用量等。结果表明，在以下优化工艺条件下，苯乙烯（St）：丙烯酸丁酯（BA）=1:1，功能单体甲基丙烯酸甲酯（MMA）用量为10%（以软硬单体总用量为基准，下同），纳米碳酸钙1%，乳化剂十二烷基硫酸钠（SDS）和烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）的比例为1:2，总量3%，助乳化剂正十六烷（HD）0.6%，pH调节剂NaHCO30.5%，在70oC下细乳液聚合反应5h，可以得到固含量为30%的纳米碳酸钙改性苯丙乳液。结果表明，乳化剂的种类和用量是影响乳液粒子粒径分布和平均粒径的主要因素，而纳米碳酸钙用量对聚合反应过程的反应率和转化率产生重要作用。TEM分析结果表明，形成了以纳米碳酸钙为核、聚合物为壳的核壳结构微粒，实现了纳米碳酸钙粒子与聚合物的复合，平均粒径为130.1nm。另外，纳米碳酸钙改性苯丙乳液表现出良好的钙离子稳定性、机械稳定性、贮存稳定性，而且，与常规苯丙乳液相比，改性苯丙乳液的耐水性提高了48.2%。热重（TG）分析显示，纳米碳酸钙改性苯丙乳液比常规苯丙乳液的分解温度提高了8oC，热稳定性得到了改善。最后，将纳米碳酸钙改性苯丙乳液加入纸张涂料体系中，对其在涂布纸中的功能性应用进行了探讨。结果表明，随着改性乳液用量的增加，涂布纸的白度和光散射系数都逐渐提高，当用量为15%时达到最高，同时，涂布纸的疏水性和表面强度也逐渐增强。与常规苯丙乳液比较，纳米碳酸钙改性苯丙乳液在改善涂布纸的光学性能和印刷性能方面显示出更好的效果。涂布纸的白度、光散射系数、光吸收系数等都有所提高；拉毛强度提高了20%，相对原纸提高了64%，这充分说明改性苯丙乳液能够明显改善涂膜强度；另外，涂层表面疏水性提高了10.9%，相对原纸提高了37.6%，也可以进一步证明纳米碳酸钙改性苯丙乳液的耐水性获得很大改善。通过SEM分析表明，涂布纸表面涂层呈三维微孔网络结构，这种结构决定了涂布纸的功能和物理特征，纳米碳酸钙改性苯丙乳液制备的涂料获得的涂层的微孔结构少，说明孔隙被乳液粒子所填充，这将增强颜料粒子与原纸的结合强度。另外，纸张的横断面SEM图片显示，原纸表面的平凹缺陷经涂布后被涂层覆盖，涂层厚度大约25μm。
【作者】杨志远；
【导师】唐艳军；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】纳米碳酸钙；硅烷偶联剂；乳液聚合；苯丙乳液；纸张涂料；

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