CN101508755B - 交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液及其制备方法 - Google Patents

交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子化学领域,特别涉及一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液及其制备方法。本发明要克服现有技术存在的成膜性差、氟单体转化率低和对含氟乳液产品防水防油性能和环境保护均不利的问题。技术方案是:本发明产物由下述方法制备得到,(1)制备单体预乳化混合物:阳离子单体与乙烯基单体、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯和功能性单体混合制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和油溶性引发剂混合得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过超声或机械搅拌下预乳化混合均匀;(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。本发明的优点是:乳液稳定性好;乳液涂膜成膜性好;氟单体转化率高;安全环保。

Description

交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子化学领域,特别涉及一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液及其制备方法。
背景技术
全氟丙烯酸烷基酯共聚物具有独特的表面能特征,因此能赋予织物、皮革、纸张等底材优异的防水防油防污效果,其包括溶液型和乳液型,但考虑到安全问题和环境问题,这种聚合物多以水分散乳液型为主要应用形式。
但从目前的使用情况看,全氟丙烯酸烷基酯聚合物还存在着如下的问题:1、成膜性较差:成膜性不好,膜的结晶性能也不好,从而导致聚合物的附着力差,膜的柔韧性等存在缺陷;2、转化率低、氟单体浪费严重:常规乳液聚合过程要求单体通过水相从单体大液滴向胶束内转移,由于全氟烷基单体极难溶解,从而导致了转化率非常低,大量的氟单体被浪费。3、含乳化剂或/和有机溶剂:无论采用何种制备方法,最终产品中均含有常规的乳化剂或/和有机溶剂,这对含氟乳液产品防水防油性能和环境保护均不利,尤其是涂层的表面性能会大幅下降。
发明内容
本发明的目的是要提供一种交联型自乳化阳离子全氟无皂乳液及其制备方法,以克服现有技术存在的成膜性差、氟单体转化率低和对含氟乳液产品防水防油性能和环境保护均不利的问题。
一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,由下述方法制备得到,该方法依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将阳离子单体与乙烯基单体、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯和功能性单体按0.2-0.5∶0.3-0.5∶1∶0.01-0.03的质量比混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和油溶性引发剂按100∶0.05-1的质量比混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过超声或机械搅拌下预乳化混合均匀;
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在60℃-90℃下将溶液B滴加到低沸点有机溶剂中,其中溶液B和有机溶剂的质量比为1∶0.5-1.5,滴加时间为0.5-2小时,然后继续聚合1-3小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的有机溶剂溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水,其中溶液C和水的质量比为1∶0.5-1,搅拌均匀后直接蒸馏除去有机溶剂得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物、水和水溶性引发剂按1∶1-3∶0.01-0.05的质量比混合均匀,于30-90℃下聚合2-6小时即可得到制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。
上述步骤(1)中:
所述的阳离子单体为季铵盐型阳离子单体,可以为丙稀酰氧乙基三甲基氯化铵或甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵;
所述的乙烯基单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸己酯或甲基丙烯酸己酯;
所述的全氟烷基(甲基)丙烯酸酯是分子式为CH2=(R)C(O)CO(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为H或CH3者,n为1、3、5、7、9、11、13、15、17。最好是5、7、9、11。可能是其中的一种或几种单体的混合物;
所述的功能性单体是具有交联性质的功能性单体,可选自丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯或甲基丙烯酸羟乙酯;
所述的油溶性引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化苯甲酰。
上述步骤(2)中有机溶剂可以为丙酮、甲乙酮、四氢呋喃、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、正己烷、环己烷、乙腈或石油醚。
上述步骤(3)中,水溶性引发剂为过硫酸盐型引发剂、氧化还原引发剂或水溶性偶氮引发剂。硫酸盐型引发剂可以为过硫酸铵或过硫酸钾;氧化还原引发剂可以为过硫酸铵-亚硫酸(氢)钠、过硫酸钾-亚硫酸(氢)钠、过硫酸铵-硫代硫酸钠或过硫酸钾-硫代硫酸钠;水溶性偶氮引发剂偶氮二异丁基脒盐酸盐或2,2-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二氢氯化物。
一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液的制备方法,依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将阳离子单体与乙烯基单体、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯和功能性单体按0.2-0.5∶0.3-0.5∶1∶0.01-0.03的质量比混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和油溶性引发剂按100∶0.05-1的质量比混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过超声或机械搅拌下预乳化混合均匀;
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在60℃-90℃下将溶液B滴加到低沸点有机溶剂中,其中溶液B和有机溶剂的质量比为1∶0.5-1.5,滴加时间为0.5-2小时,然后继续聚合1-3小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的有机溶剂溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水,其中溶液C和水的质量比为1∶0.5-1,搅拌均匀后直接蒸馏除去有机溶剂得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物、水和水溶性引发剂按1∶1-3∶0.01-0.05的质量比混合均匀,于30-90℃下聚合2~6小时即可得到制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。
上述步骤(1)中:
所述的阳离子单体为季铵盐型阳离子单体,可以为丙稀酰氧乙基三甲基氯化铵或甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵;
所述的乙烯基单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸己酯或甲基丙烯酸己酯;
所述的全氟烷基(甲基)丙烯酸酯是分子式为CH2=(R)C(O)CO(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为H或CH3者,n为1、3、5、7、9、11、13、15、17。最好是5、7、9、11。可能是其中的一种或几种单体的混合物;
所述的功能性单体是具有交联性质的功能性单体,可选自丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯或甲基丙烯酸羟乙酯;
所述的油溶性引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化苯甲酰。
上述步骤(2)中有机溶剂可以为丙酮、甲乙酮、四氢呋喃、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、正己烷、环己烷、乙腈或石油醚。
上述步骤(3)中,水溶性引发剂为过硫酸盐型引发剂、氧化还原引发剂或水溶性偶氮引发剂。硫酸盐型引发剂可以为过硫酸铵或过硫酸钾;氧化还原引发剂可以为过硫酸铵-亚硫酸(氢)钠、过硫酸钾-亚硫酸(氢)钠、过硫酸铵-硫代硫酸钠或过硫酸钾-硫代硫酸钠;水溶性偶氮引发剂偶氮二异丁基脒盐酸盐或2,2-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二氢氯化物。
与现有技术相比,本发明的优点是:
1.乳液稳定性好:由于采用了两亲性的季铵盐型阳离子单体,使全氟烷基丙烯酸酯共聚物高分子链段一端亲水一端亲油,使具有自乳化功能,可以提高乳液的储存稳定性和稀释稳定性。
2.乳液涂膜成膜性好:由于加入了羟基丙烯酸酯类的交联剂,使共聚物的高分子链段结晶性提高,容易成膜,增加了全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液的应用性能。
3.氟单体转化率高:为了提高单体转化率,本发明采用两步聚合法,先在将全氟烷基单体等在有机溶剂中充分进行预聚,后再将有机溶剂充分蒸除,再进行水相无皂乳液聚合,大大提高了全氟烷基单体的转化率,减少了不必要的浪费,使成本降低,聚合物性能大幅提高。
4.安全环保:采用本发明可以完全消除小分子乳化剂和有机溶剂对产品应用性能和环境保护的不利影响,提高了共聚物的表面性能,消除产品中的有机挥发物。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做详细地说明。
实施例1:一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,由下述方法制备得到,该方法依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将丙稀酰氧乙基三甲基氯化铵20g与丙烯酸甲酯30g、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯(CH2=(R)C(O)CO(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为CH3,n为5)100g和丙烯酸羟乙酯1.5g,混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和偶氮二异丁腈0.755g混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过机械搅拌下预乳化混合均匀。
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在70℃下将溶液B滴加到甲乙酮91g中,滴加时间为0.5小时,然后继续聚合2小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的甲乙酮溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水122g,搅拌均匀后直接蒸馏除去甲乙酮得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将全氟烷基丙烯酸酯预聚物中加入水275g和过硫酸铵-亚硫酸氢钠引发剂3g混合均匀,于75℃下聚合4小时即可得到全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。
实施例2:一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,由下述方法制备得到,该方法依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵35g与丙烯酸丁酯36g、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯(CH2=(R)C(O)CO(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为H原子,n为7)100g和丙烯酸羟乙酯1.8g,混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和偶氮二异庚腈1.5g混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过超声下预乳化混合均匀。
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在85℃下将溶液B滴加到乙酸异丙酯156g中,滴加时间为1小时,然后继续聚合3小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的乙酸异丙酯溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水270g,搅拌均匀后直接蒸馏除去乙酸异丙酯得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将此全氟烷基丙烯酸酯预聚物中加入水500g和偶氮二异丁基脒盐酸盐引发剂15g混合均匀,于56℃下聚合5小时即可得到全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。
实施例3:一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,由下述方法制备得到,该方法依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将丙稀酰氧乙基三甲基氯化铵30g与甲基丙烯酸丁酯45g、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯(CH2=(R)C(O)CO(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为CH3,n为11)100g和甲基丙烯酸羟乙酯2.5g,混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和过氧化苯甲酰1g混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过超声下预乳化混合均匀;
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在65℃下将溶液B滴加到四氢呋喃200g中,滴加时间为2小时,然后继续聚合3小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的四氢呋喃溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水300g,搅拌均匀后直接蒸馏除去四氢呋喃得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将全氟烷基丙烯酸酯预聚物中加入水800g和过硫酸钾引发剂8g混合均匀,于30℃下聚合6小时即可得到全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。
实施例4:一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,由下述方法制备得到,该方法依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将丙稀酰氧乙基三甲基氯化铵45g与甲基丙烯酸己酯35g、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯(CH2=(R)C(O)CO(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为H原子,n为13)100g和丙烯酸羟丙酯3g,混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和偶氮二异丁腈1g混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过机械搅拌下预乳化混合均匀;
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在90℃下将溶液B滴加到乙腈200g中,滴加时间为1.5小时,然后继续聚合1小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的乙腈溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水230g,搅拌均匀后直接蒸馏除去乙腈得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将全氟烷基丙烯酸酯预聚物中加入水500g和过2,2-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二氢氯化物引发剂7g混合均匀,于90℃下聚合2.5小时即可得到全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。
实施例5:一种交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,由下述方法制备得到,该方法依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将甲基丙稀酰氧乙基三甲基氯化铵40g与丙烯酸己酯50g、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯的混合物(CH2=(R)C(O)CO(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为CH3,n平均值为9)100g和丙烯酸羟乙酯2.5g,混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和偶氮二异庚腈1.3g混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过超声或机械搅拌下预乳化混合均匀;
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在60℃下将溶液B滴加到乙酸乙酯220g中,滴加时间为2小时,然后继续聚合3小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的乙酸乙酯溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水330g,搅拌均匀后直接蒸馏除去乙酸乙酯得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将全氟烷基丙烯酸酯预聚物中加入水600g和过硫酸铵钠引发剂6g混合均匀,于85℃下聚合4.5小时即可得到全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。

Claims (8)

1.一种交联型自乳化阳离子金氟共聚物无皂乳液,由下述方法制备得到,该方法依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将阳离子单体与乙烯基单体、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯和功能性单体按0.2-0.5∶0.3-0.5∶1∶0.01-0.03的质量比混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和油溶性引发剂按100∶0.05-1的质量比混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过超声或机械搅拌下预乳化混合均匀;
所述的乙烯基单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸己酯或甲基丙烯酸己酯;
所述的功能性单体是具有交联性质的功能性单体,选自丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯或甲基丙烯酸羟乙酯;
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在60℃-90℃下将溶液B滴加到低沸点有机溶剂中,其中溶液B和有机溶剂的质量比为1∶0.5-1.5,滴加时间为0.5-2小时,然后继续聚合1-3小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的有机溶剂溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水,其中溶液C和水的质量比为1∶0.5-1,搅拌均匀后直接蒸馏除去有机溶剂得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物、水和水溶性引发剂按1∶1-3∶0.01-0.05的质量比混合均匀,于30-90℃下聚合2-6小时即可得到制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。 
2.如权利要求1所述的交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,其特征在于:上述步骤(1)中:所述的阳离子单体为季铵盐型阳离子单体,是丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵;
所述的全氟烷基(甲基)丙烯酸酯的分子式为
CH2=C(R)C(O)O(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为H或CH3,n为1、3、5、7、9、11、13、15、17;
所述的油溶性引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化苯甲酰。
3.如权利要求2所述的交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,其特征在于:上述步骤(2)中有机溶剂是丙酮、甲乙酮、四氢呋喃、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、正己烷、环己烷、乙腈或石油醚。
4.如权利要求3所述的交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液,其特征在于:上述步骤(3)中,水溶性引发剂为过硫酸盐型引发剂、氧化还原引发剂或水溶性偶氮引发剂。
5.如权利要求1所述的交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液的制备方法,依次包括下述步骤:
(1)制备单体预乳化混合物:将阳离子单体与乙烯基单体、全氟烷基(甲基)丙烯酸酯和功能性单体按0.2-0.5∶0.3-0.5∶1∶0.01-0.03的质量比混合均匀制得混合物溶液A;再将混合物溶液A和油溶性引发剂按100∶0.05-1的质量比混合均匀得到混合物溶液B,将混合物溶液B通过超声或机械搅拌下预乳化混合均匀;
所述的乙烯基单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸己酯或甲基丙烯酸己酯; 
所述的功能性单体是具有交联性质的功能性单体,选自丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯或甲基丙烯酸羟乙酯;
(2)制备水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物:在60℃-90℃下将溶液B滴加到低沸点有机溶剂中,其中溶液B和有机溶剂的质量比为1∶0.5-1.5,滴加时间为0.5-2小时,然后继续聚合1-3小时后得到全氟烷基丙烯酸酯预聚物的有机溶剂溶液C;然后在溶液C中边搅拌边添加水,其中溶液C和水的质量比为1∶0.5-1,搅拌均匀后直接蒸馏除去有机溶剂得到水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物;
(3)制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液:将水溶性全氟烷基丙烯酸酯预聚物、水和水溶性引发剂按1∶1-3∶0.01-0.05的质量比混合均匀,于30-90℃下聚合2-6小时即可得到制备全氟丙烯酸酯共聚物无皂乳液。
6.如权利要求5所述的交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中:
所述的阳离子单体为季铵盐型阳离子单体,是丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵;
所述的全氟烷基(甲基)丙烯酸酯的分子式为
CH2=C(R)C(O)O(CH2)2(CF2)nCF3,式中R为H或CH3,n为1、3、5、7、9、11、13、15、17;
所述的油溶性引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化苯甲酰。
7.如权利要求6所述的交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液的制备方法,其特征在于:上述步骤(2)中有机溶剂是丙酮、甲乙酮、四氢呋喃、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、正己烷、环己烷、乙腈或石油醚。 
8.如权利要求7所述的交联型自乳化阳离子全氟共聚物无皂乳液的制备方法,其特征在于:上述步骤(3)中,水溶性引发剂为过硫酸盐型引发剂、氧化还原引发剂或水溶性偶氮引发剂。 
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