CN104292473B

CN104292473B - 一种聚异戊二烯胶乳的制备方法

Info

Publication number: CN104292473B
Application number: CN201410492206.0A
Authority: CN
Inventors: 陆军; 裴素明; 池水媛; 黄丹丹; 王岩; 刘婷
Original assignee: LIAONING HEYUN SYNTHETIC RUBBER RESEARCH INSTITUTE CO LTD
Current assignee: LIAONING HEYUN SYNTHETIC RUBBER RESEARCH INSTITUTE CO LTD
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: CN104292473A

Abstract

本发明公开了一种聚异戊二烯胶乳的制备方法。乳化剂体系中阴离子乳化剂为十二烷基苯磺酸钠和异构醇醚羧酸盐的一种或两种，非离子乳化剂为Tween80、平平加O‑20和十六烷基酚聚氧乙烯醚的一种或多种，乳化剂总的用量为干胶质量的10‑20%，其中助乳化剂所占比例在20%以下。采用饱和烷烃溶解橡胶制备胶液，胶液中橡胶浓度为9.0‑12.0%，油水比为1.0‑1.5。采用“预混+剪切乳化”的乳化方式制得O/W乳液。通过“减压蒸馏+膜蒸馏”的方式将烃溶剂脱除，得到烃溶剂残余量小于80ppm的稀胶乳。减压蒸馏过程中采用氮气或空气气流实现物理消泡，胶乳中聚合物分子量损失小于3.0%。采用高速离心机离心浓缩稀胶乳分别得到浓胶乳和乳清，其中乳清与新配乳化剂溶液混合实现乳清中乳化剂的回用。参照标准测定胶乳的机械稳定度大于400秒。

Description

一种聚异戊二烯胶乳的制备方法

技术领域

本发明涉及一种合成胶乳的制备方法，尤其涉及一种具有较高机械稳定性能的聚异戊二烯胶乳的制备方法。

背景技术

天然胶乳具有易于成膜，制品弹性大以及皮肤亲和性优良等优点，广泛应用于医用手套、避孕套和导尿管等医用制品的生产。但天然胶乳中含有少量的蛋白质成分，其制品与人体接触极易引起过敏反应，危害人体健康。此外，受气候和种植条件的限制，国内的天然胶乳无论是产量以及总体性能均逊于东南亚诸国的天然胶乳。以避孕套为例， 95%以上的国内厂家选用的原料为进口的优质天然胶乳。人造聚异戊二烯胶乳的化学成分与天然胶乳相同，仅含有少量的表面活性剂和防老剂等，不含有致敏性的蛋白质成分，被视为天然胶乳的替代品。目前，聚异戊二烯胶乳的制备方法有乳液聚合法和异戊橡胶溶解乳化法两种，而异戊橡胶溶解乳化法工艺流程简单可控，更易于放大生产。

US 2009/0281211 A1公开了一种人造胶乳的制备方法，该方法提供开了一种用于制备聚异戊二烯胶乳的连续/半连续式乳化工艺。以松香皂类为乳化剂，有机烃溶解聚异戊二烯橡胶制备胶液为油相，油水比（体积比）为1.5-2.5。采用均质器通过二阶段均质实现乳化，再经溶剂脱除后，制得平均粒径为0.5-2.0μm的聚异戊二烯胶乳。其中一阶段均质乳化的线速度为8-16 m/s，二阶段均质乳化的线速度为16-35 m/s。该方法制备的胶乳分子量损失较大，二阶段乳化结束后，聚合物分子量损失为6% - 18%。这一方面可能是由于乳化工艺不当造成的，另一方面是乳化剂浓度偏低且油水比较高时，制备较小平均粒径的水性胶乳需要更高的剪切速度，高剪切力作用容易造成分子链断链。以上原因相互作用，最终导致乳化过程中聚合物分子量的损失较高。US2011/0112217公开了一种聚异戊二烯胶乳的制备方法，采用两级或多级方式逐步脱除O/W乳液中的烃溶剂进而制得胶乳。为了抑制脱溶剂泡沫的形成，需要加入消泡剂。同时需为泡沫层预留出50%左右的蒸发容器高度以防止冲料，蒸发容器的有效体积利用率较低，仅为20%左右。CN 103030820 A提供了一种医用聚异戊二烯胶乳的制备方法，乳化剂的用量较高，其相对于干胶的质量比为30% - 40%，其中非离子乳化剂占50%左右，油水比（质量比）在1.0以下，所制得胶乳可以满足刺激和致敏性的要求。该方法中，乳化剂用量偏高，将不可避免的导致胶乳浸渍制品中残留较高的乳化剂，增加制品的后处理成本。同时乳化剂用量偏高也将推高聚异戊二烯胶乳的价格，强化对天然胶乳的价格劣势。相应的，胶乳浓缩过程产生的乳清废水中表面活性剂残留量也较高，为难处理的高COD废水，带来环境危害。此外，该乳化剂体系中非离子乳化剂比重较高，直接降低离子沉积过程中的胶凝速度，不利于胶乳浸渍制品生产效率的提高。

合成胶乳在输送，存储和配合等过程中受到搅拌带来的剪切力作用，会对胶乳产生强烈的去稳定效应，损害胶乳的性能。为了抵抗这种高剪切作用带来的去稳定作用，胶乳必须具备相当的机械稳定性能，否则极易产生胶凝，影响胶乳的使用。而目前，国内外关于合成聚异戊二烯胶乳的机械稳定度的研究鲜有报道。

综上所述，优化工艺，降低乳化剂以及其他助剂的用量，实现乳清回用以减少废水排放，制备出高机械稳定性能的聚异戊二烯胶乳，既是经济效益的需要，又是胶乳生产行业履行节能减排义务的题中之义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种在较低的乳化剂用量下制备具有较高机械稳定性能的聚异戊二烯胶乳的方法，该方法同时可实现低分子量损失，乳清中乳化剂的回用以及膜分离脱除溶剂。

本发明的目标通过以下步骤实现：

所述制备方法包括如下步骤：

（1）饱和烷烃在50-60℃下溶解异戊橡胶，溶解时间为18-24 h，配制浓度为8.0-15.0%的胶液；将主乳化剂、助乳化剂和稳定剂加入去离子水中，配制乳化剂水溶液，乳化剂水溶液中主乳化剂浓度为1.0-5.0%，助乳化剂浓度为0-2.0%，稳定剂浓度为0.05-0.15%，再用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值到10.0-12.0；所述的主乳化剂为12-20碳链的烷基苯磺酸盐、松香皂、烷基硫酸钠、醇醚羧酸盐中的至少一种，助乳化剂为司班系列、吐温系列、聚氧乙烯醚系列中的至少一种，稳定剂为乙二胺四乙酸或和月桂酸钾；

（2）将胶液按油水比0.5-2.5加入乳化剂水溶液中，利用机械搅拌预混10-40 min后泵入乳化罐中，利用剪切机在剪切线速度为3.0-15.0m/s、剪切时间为10-30min的条件下进行高剪切作用制得O/W型聚合物乳液；

（3）聚合物乳液泵入蒸发釜内，在40-70℃下进行减压蒸馏脱除大部分溶剂（饱和烷烃），通过分布器在泡沫层引入氮气或空气，氮气或空气作为吹扫气通过气体分布管引入到蒸发釜液位上侧1-10 cm处，通过调节阀控制吹扫气的流速进而调整物理消泡速度，其中空气作为吹扫气时，先进入二氧化碳吸附器以脱除空气中二氧化碳，然后进入蒸发釜，引入吹扫气同时调节蒸发釜内的真空度到30-70 kPa，减压蒸馏结束后，聚合物乳液中溶剂残余值小于0.1wt%；

（4）蒸发釜内的聚合物乳液再泵入膜蒸馏装置，控制乳液温度为40-80℃，将乳液中残余的溶剂最终脱除至80 ppm以下，得到固含量在9% -15%稀胶乳；

（5）稀胶乳通过高速离心机，在离心浓缩转速6000-9000 RPM、离心浓缩时间为7-15 min的条件下进行离心浓缩，离心浓缩所得浓胶乳的固含量在57.0-65.0%，乳清固含量小于3.0%；

（6）将制得浓胶乳调配成一定的固含量，测定胶乳的机械稳定度大于400秒。

所述主乳化剂优选十二烷基苯磺酸钠和异构醇醚羧酸盐；助乳化剂为优选Tween80、平平加O-20和十六烷基酚聚氧乙烯醚；乳化剂总的用量仅为干胶质量的10-20%，其中助乳化剂所占比例在20%以下。

乳化剂水溶液中主乳化剂浓度优选1.5-2.5%；助乳化剂浓度优选0.2-0.5%，胶液浓度优选9.0-12. 0 %。

步骤（2）中，机械搅拌预混时间优选15-25 min，剪切线速度优选5.0-9.0 m/s，剪切时间，优选15-25min；采用“预混+剪切乳化”的乳化方式制备出O/W型聚合物乳液。

步骤（4）中，膜蒸馏为真空膜蒸馏和吹扫气膜蒸馏型式，优选真空膜蒸馏型式，膜蒸馏过程中的料液温度为40-70℃，真空度为50-85 kPa。

步骤（5）中，胶乳的平均粒径为0.30-1.20 μm，胶乳中聚合物分子量损失小于5.0%。

本发明的优点在于：（1）乳化剂总的用量仅为干胶质量的10-20%，其中助乳化剂所占比例在15%以下；

（2）采用“预混+剪切乳化”的乳化方式，胶乳中聚合物分子量损失小于5.0%；

（3）脱溶剂过程中提供一种物理消泡方式，通过分布器在蒸发釜的泡沫层引入氮气或空气气流，利用气流的吹扫实现物理消泡，避免了消泡剂的使用的同时实现蒸发釜体积利用率为50-60%；

（4）提供一种胶乳脱溶剂方式，采用减压蒸馏和膜蒸馏技术实现胶乳中烃溶剂残余量低于80ppm；

（5）浓缩产生的乳清中橡胶的回收以及乳清中乳化剂的回用，最大限度地减少胶乳生成过程中乳清废水的排放；

（6）制备的胶乳具有较高的机械稳定性能。

具体实施方式

通过以下具体的实施例和对比例对本发明内容做进一步的描述。以下实施例进一步说明本发明的优点，但不应将本发明限制在所述实施例。

实施例1

取异戊橡胶浓度为9.0 %的胶液1000份，加入到1000份乳化剂水溶液中，其中乳化剂浓度为1.8%，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。采用强力机械搅拌预混15 min，然后转移至乳化罐中，利用剪切机剪切乳化15 min，线速度为5.4 m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱除烃溶剂，其中乳液温度为65℃，蒸发釜内真空度为55 kPa，减压蒸馏70min后停止，测定乳液中烃溶剂残余值为760 ppm。再泵入真空膜蒸馏装置，进一步脱除烃溶剂，其中料液，即乳液流经膜组件的壳程，温度为70℃。管程抽真空，真空度为80 kPa，30 min后得到烃溶剂残余值为50 ppm的稀胶乳。采用卧式离心机在7500RPM下离心浓缩稀胶乳7min，得到浓胶乳和乳清。

取一定量的稀胶乳，去离子水洗涤破乳，放入40℃的真空干燥箱内处理24h，取出测定聚合物的分子量损失。

参照测试标准GB/T 8301-2008，测定胶乳的机械稳定度大于400秒。

实施例2

取异戊橡胶浓度为10.5 %的胶液1000份，加入到750份乳化剂水溶液中，其中乳化剂浓度为2.0%，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。采用强力机械搅拌预混20 min，然后转移至乳化罐中，利用剪切机剪切乳化15 min，线速度为8.7 m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱溶剂，其中乳液温度为65℃，蒸发釜内真空度为55 kPa，减压蒸馏70分钟后停止，测定乳液中烃溶剂残余值为720 ppm。再泵入真空膜蒸馏装置，进一步脱除烃溶剂，其中料液，即乳液流经膜组件的管程，温度为65℃。壳程抽真空，真空度为70 kPa，30min后测得烃溶剂残余值为70 ppm的稀胶乳。采用卧式离心机，在8000RPM下离心浓缩稀胶乳9min，得到浓胶乳和乳清。

胶乳中聚合物分子量损失以及胶乳机械稳定度的测定同实施例1，测得机械稳定度大于400秒。

实施例3

取异戊橡胶浓度为12.0 %的胶液1000份，加入到1000份乳化剂水溶液中，其中乳化剂浓度为1.8%，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。采用强力机械搅拌预混25 min，然后转移至乳化罐中，利用剪切机剪切乳化20 min，线速度为7.3 m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱溶剂，其中乳液温度为70℃，蒸发釜内真空度为55 kPa，减压蒸馏60分钟后停止，测定乳液中烃溶剂残余值为530ppm。再泵入真空膜蒸馏装置，进一步脱除烃溶剂，其中料液，即乳液流经膜组件的壳程，温度为70℃。管程抽真空，真空度为80 kPa，30min后测得烃溶剂残余值为30ppm的稀胶乳。采用卧式离心机，在6500RPM下离心浓缩稀胶乳10min，得到浓胶乳和乳清。

实施例4

取异戊橡胶浓度为9.0 %的胶液900份，加入到600份乳化剂水溶液中，其中乳化剂浓度为1.8%，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。采用强力机械搅拌预混25 min。然后转移至乳化罐中，利用剪切机剪切乳化25 min，线速度为5.4 m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱溶剂，其中乳液温度为60℃，蒸发釜内真空度为60kPa，减压蒸馏70min后停止，测定乳液中烃溶剂残余值为710 ppm。再泵入真空膜蒸馏装置，进一步脱除烃溶剂，其中料液，即乳液流经膜组件的壳程，温度为70℃。管程抽真空，真空度为85 kPa，30min后测得烃溶剂残余值为45 ppm的稀胶乳。采用卧式离心机，在7500RPM下离心浓缩稀胶乳7min，得到浓胶乳和乳清。

实施例5

取异戊橡胶浓度为12.0 %的胶液1000份，加入到1000份乳化剂水溶液中，其中乳化剂浓度为1.8%，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。采用强力机械搅拌预混30 min。然后转移至乳化罐中，利用剪切机剪切乳化20 min，线速度为8.7 m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱溶剂，其中乳液温度为65℃，蒸发釜内真空度为55 kPa，减压蒸馏70min后停止，测定乳液中烃溶剂残余值为850 ppm。再泵入真空膜蒸馏装置，进一步脱除烃溶剂，其中料液，即乳液流经膜组件的壳程，温度为65℃。管程抽真空，真空度为75 kPa，30min后测得烃溶剂残余值为65ppm的稀胶乳。采用卧式离心机，在7500RPM下离心浓缩稀胶乳15min，得到浓胶乳和乳清。

实施例6

取异戊橡胶浓度为12.0 %的胶液1000份，加入到1000份乳化剂水溶液中，其中乳化剂浓度为2.0%，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。采用强力机械搅拌预混15 min。然后转移至乳化罐中，利用剪切机剪切乳化20 min，线速度为5.4 m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱溶剂，其中乳液温度为70℃，蒸发釜内真空度为50kPa，减压蒸馏70min后停止，测定乳液中烃溶剂残余值为750 ppm。再泵入真空膜蒸馏装置，进一步脱除烃溶剂，其中料液，即乳液流经膜组件的壳程，温度为65℃。管程抽真空，真空度为80 kPa，30min后测得烃溶剂残余值为50ppm的稀胶乳。采用卧式离心机，在7500RPM下离心浓缩稀胶乳7min，得到浓胶乳和乳清。

实施例7

取异戊橡胶浓度为9.0 %的胶液1000份，加入到1000份乳化剂水溶液中，其中乳化剂溶液的组成为：乳化剂浓度为1.6%的新配制乳化剂溶液500份和实施例1中得到的乳清500份，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。采用强力机械搅拌预混15 min。然后转移至乳化罐中，利用剪切机剪切乳化20min，线速度为8.7m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱除烃溶剂，其中乳液温度为65℃，蒸发釜内真空度为55 kPa，减压蒸馏70分钟后停止，测定乳液中烃溶剂残余值为760 ppm。再泵入真空膜蒸馏装置，进一步脱除烃溶剂，其中料液，即乳液流经膜组件的壳程，温度为50℃。管程抽真空，真空度为85 kPa，30min后得到烃溶剂残余值为50 ppm的稀胶乳。采用卧式离心机在7000RPM下离心浓缩稀胶乳7min，得到浓胶乳和乳清。

对比例1

取异戊橡胶浓度为9.0%的胶液1000份，加入到1000份乳化剂水溶液中，其中乳化剂浓度为1.8%，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。采用强力机械搅拌预混15 min。然后转移至乳化罐中，利用剪切机剪切乳化15 min，线速度为8.7m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱溶剂，其中乳液温度为65℃，蒸发釜内真空度为65 kPa，减压蒸馏100分钟后停止，得到烃溶剂残余值为520 ppm的稀胶乳。采用卧式离心机，在7500RPM下离心浓缩稀胶乳7min，得到浓胶乳和乳清。

胶乳中聚合物分子量损失以及胶乳机械稳定度的测定同实施例1，测得机械稳定度为414秒。

对比例2

取异戊橡胶浓度为9.0%的胶液1000份，加入到已加入1000份乳化剂水溶液的乳化罐中，其中乳化剂浓度为2.0%，用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值。剪切机剪切乳化20 min，线速度为8.7 m/s，得到O/W型乳液。泵入蒸发釜中进行减压蒸馏脱溶剂，其中乳液温度为65℃，蒸发釜内真空度为55 kPa，减压蒸馏70分钟后停止，得到烃溶剂残余值为860 ppm的稀胶乳。再泵入真空膜蒸馏装置，进一步脱除烃溶剂，其中料液，即乳液流经膜组件的壳程，温度为70℃。管程抽真空，真空度为80 kPa，30 min后测得烃溶剂残余值为50 ppm的稀胶乳。采用卧式离心机，在6000 RPM下离心浓缩稀胶乳10 min，得到浓胶乳和乳清。

胶乳中聚合物分子量损失以及胶乳机械稳定度的测定同实施例1，测得机械稳定度为208秒。

实施例与对比例的数据统计表：

Claims

1.一种聚异戊二烯胶乳的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

（1）饱和烷烃在50-60℃下溶解异戊橡胶，溶解时间为18-24 h，配制浓度为8.0-15.0%的胶液；将主乳化剂、助乳化剂和稳定剂加入去离子水中，配制乳化剂水溶液，乳化剂水溶液中主乳化剂浓度为1.0-5.0%，助乳化剂浓度为0-2.0%，稳定剂浓度为0.05-0.15%，再用氢氧化钾或磷酸二氢钾调节乳化剂水溶液的pH值到10.0-12.0；所述的主乳化剂为十二烷基苯磺酸钠和异构醇醚羧酸盐中的至少一种，助乳化剂为Tween80、平平加O-20和十六烷基酚聚氧乙烯醚中的至少一种，稳定剂为乙二胺四乙酸；乳化剂总的用量为干胶质量的10-20%，其中助乳化剂所占比例在15%以下，

（3）聚合物乳液泵入蒸发釜内，在40-80℃下进行减压蒸馏脱除大部分溶剂，通过分布器在泡沫层引入氮气或空气，氮气或空气作为吹扫气通过气体分布管引入到蒸发釜液位上侧1-10 cm处，通过调节阀控制吹扫气的流速进而调整物理消泡速度，其中空气作为吹扫气时，先进入二氧化碳吸附器以脱除空气中二氧化碳，然后进入蒸发釜，引入吹扫气同时调节蒸发釜内的真空度到50-70 kPa，减压蒸馏结束后，聚合物乳液中溶剂残余值小于0.1wt%；

（4）蒸发釜内的聚合物乳液再泵入膜蒸馏装置，控制乳液温度为40-80℃，真空度为50-85 kPa，将乳液中残余的溶剂最终脱除至80 ppm以下，得到固含量在9% -15%稀胶乳；

（6）将制得浓胶乳调配成一定的固含量，参照测试标准GB/T8301-2008测定胶乳的机械稳定度均大于400秒。

2.根据权利要求1所述的一种聚异戊二烯胶乳的制备方法，其特征在于：乳化剂水溶液中主乳化剂浓度优选1.5-2.5%；助乳化剂浓度优选0.2-0.5%，胶液浓度优选9.0-12. 0 %，油水比为1.0-1.5。

3.根据权利要求1所述的一种聚异戊二烯胶乳的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，机械搅拌预混时间优选15-25 min，剪切线速度优选5.0-9.0 m/s，剪切时间，优选15-25min；采用“预混+剪切乳化”的乳化方式制备出O/W型聚合物乳液。

4. 根据权利要求1所述的一种聚异戊二烯胶乳的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，膜蒸馏为真空膜蒸馏型式，膜蒸馏过程中的料液温度优选为50-70℃，真空度优选为60-85 kPa。

5.根据权利要求1所述的一种聚异戊二烯胶乳的制备方法，其特征在于：所制备胶乳的平均粒径为0.30-1.20 μm，胶乳中聚合物分子量损失小于5.0%。