CN113603825A - 一种用于防油纸的丙烯酸乳液、其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了防油纸用丙烯酸乳液，其由硬单体、软单体、功能性单体、乳化剂、引发剂、改性剂、消泡剂和软水制备得到；本申请提供的丙烯酸乳液通过选用适合的硬单体、软单体及功能性单体配比，在反应型乳化剂的协同作用下，调节乳液的分子量，提高涂层分子致密性，从而提高涂层的防水防油性能；同时在丙烯酸树脂主链上引入交联改性剂，当丙烯酸乳液涂布干燥成膜时，通过交联改性基团之间的反应，生成具有网状结构的聚合物涂层，提高涂层对防油纸表面的附着力。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种用于防油纸的丙烯酸乳液、其制备方法与应用。
背景技术
目前，随着禁塑令的升级，纸张的应用领域越来越广泛，很多纸张应用需要具有一定的防油性，如各种食品的包装纸、外包装纸板、离型纸、无碳复写纸及各种艺术用纸。研究和开发新型、高效的防油纸将成为防油纸领域发展的主流。
现在市场上使用的防油纸基本上都是将热熔PE塑料粒子均匀地喷淋在纸张表面上，从而形成淋膜纸，相比起普通的纸张，淋膜纸具有防水、防油等特点，如专利CN107738491 A涉及的耐高温淋膜纸。但是纸张经过淋膜后，一次性纸碗、纸杯等使用后的废弃物，若想回收分离PE层后再制浆，难度非常大。若任由自然分解，需要很长的时间，给环境造成了很大污染，同时也浪费了纸资源。
为了解决淋膜纸回收难问题，国内外已经开始研究通过功能涂层来解决纸张的防油问题，如中国专利CN 103669105 A涉及的一种防油纸及其生产方法；其特点是在原纸上涂防油涂层，得到的防油纸防油指数虽然能达到7级，但是使用的防油涂料通过加入塑化剂来提高纸张的防油性能。国家已经明文规定塑化剂不能用于加工食品，也不允许使用在食品包装上。针对目前防油涂层技术上的不成熟，若能开发一种安全、环保的功能防油涂层，将在一定程度上拓宽了防油纸的应用。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种防油纸用丙烯酸乳液，本申请提供的防油纸用丙烯酸乳液具有较好的防水、防油性能，且对防油纸具有较好的附着力。
有鉴于此，本申请提供了一种用于防油纸的丙烯酸乳液，由以下组分制备得到：
所述硬单体选自甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯和丙烯腈中的一种或多种；
所述软单体选自丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸正辛酯中的一种或多种。
优选的，所述功能性单体选自N-羟甲基丙烯酸和二丙酮丙烯酰胺中的一种或两种。
优选的，所述引发剂选自过硫化铵和过硫化钾中的一种或两种。
优选的，所述乳化剂选自丙烯酰胺基异丙基磺酸钠和乙烯酸磺酸钠中的一种或两种。
优选的，所述改性剂选自氢氧化钾和氢氧化钠中的一种或两种；所述消泡剂选自聚醚类消泡剂。
优选的，所述硬单体的含量为5～7.5wt％。
优选的，所述软单体的含量为3～5.5wt％。
优选的，所述改性剂的含量为8.5～10wt％。
本申请还提供了所述的用于防油纸的丙烯酸乳液的制备方法，包括以下步骤：
将5～15wt％的硬单体、3～9wt％的软单体和1～3wt％的功能性单体混合，得到混合单体；
将6～8wt％的软水和0.5～2wt％的乳化剂混合，得到乳化剂溶液；
将9～12wt％的软水和0.2～1wt％的引发剂混合，得到引发剂溶液；
将45～62wt％的软水和20wt％的混合单体、10wt％的乳化剂溶液、5wt％的引发剂溶液混合抽真空，再加热，在得到的混合液中加入剩余的混合单体、乳化剂溶液、引发剂溶液；
在得到的混合液中加入3～10wt％的改性剂和0.2～0.5wt％的消泡剂，得到用于防油纸的丙烯酸乳液。
本申请还提供了一种复合防油纸，包括防油纸和涂层，所述涂层由所述的丙烯酸乳液或所述的制备方法所制备的丙烯酸乳液制备得到。
本申请提供了一种防油纸用丙烯酸乳液，其由硬单体、软单体、功能性单体、乳化剂、引发剂、改性剂、消泡剂和软水制备得到；本申请通过适合的单体配比，尤其是加入功能性单体，调节乳液的分子量，提高了涂层分子致密性，从而提高涂层的防水防油性能；同时由于使用反应型乳化剂，它不仅本身起到乳化作用，还参与乳液的聚合反应，以共价键的形式结合在丙烯酸主链上，使乳液涂布烘干后的涂层具有超强的疏油效果，水滴或油滴可以在微动力作用下在涂层的表面滚落，更加稳定了防水、防油等性能；在丙烯酸树脂主链上引入交联改性剂，当丙烯酸乳液涂布干燥成膜时，通过交联基团之间的反应，生成具有网状结构的聚合物涂层，提高涂层对防油纸表面的附着力。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于现有技术中，防油纸用涂层防油、防水和环保的需求，本申请提供了一种提高防油纸防油、防水性能的丙烯酸乳液；具体的，本发明实施例公开了一种用于防油纸的丙烯酸乳液，由以下组分制备得到：
所述硬单体选自甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯和丙烯腈中的一种或多种；
所述硬单体选自丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸正辛酯中的一种或多种。
在本申请中，所述功能性单体选自N-羟甲基丙烯酰胺和二丙酮丙烯酰胺中的一种或两种。所述功能性单体的含量为1～3wt％，更具体地，所述功能性单体的含量为1.3～2.5wt％。
所述硬单体具体选自甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯和丙烯腈中的一种或多种；所述硬单体的含量为5～15wt％，更具体地，所述硬单体的含量为5～7.5wt％。
所述软单体具体选自丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸正辛酯中的一种或多种。所述软单体的含量为3～9wt％，更具体地，所述软单体的含量为3～5.5wt％。
所述乳化剂具体为反应型乳化剂，其具体选自丙烯酰胺基异丙基磺酸钠和乙烯酸磺酸钠中的一种或两种；所述乳化剂的含量为0.5～2wt％，更具体地，所述乳化剂的含量为0.6～1.8wt％。
所述引发剂选自过硫酸钾和过硫酸铵中的一种或两种；所述引发剂的含量为0.2～1.0wt％，更具体地，所述引发剂的含量为0.2～0.6wt％。
所述消泡剂具体选自选自聚醚类消泡剂。所述消泡剂的含量为0.2～0.5wt％，更具体地，所述消泡剂的含量为0.3～0.4wt％。
本申请还提供了用于防油纸的丙烯酸乳液，包括以下步骤：
将5～15wt％的硬单体、3～9wt％的软单体和1～3wt％的功能性单体混合，得到混合单体；
将6～8wt％的软水和0.5～2wt％的乳化剂混合，得到乳化剂溶液；
将9～12wt％的软水和0.2～1wt％的引发剂混合，得到引发剂溶液；
将45～62wt％的软水和20wt％的混合单体、10wt％的乳化剂溶液、5wt％的引发剂溶液混合抽真空，再加热，在得到的混合液中加入剩余的混合单体、乳化剂溶液、引发剂溶液；
在得到的混合液中加入3～10wt％的改性剂和0.2～0.5wt％的消泡剂，得到用于防油纸的丙烯酸乳液。
在上述过程中，乳化剂和引发剂分别先溶于水中，分别制备了乳化剂溶液和引发剂溶液，且混合单体半连续加入，提高单体转化率的同时，保持了胶乳的稳定性。
更具体的，所述牛皮纸用丙烯酸乳液的制备方法包括以下步骤：
(1)将5～15％的硬单体、3～9％的软单体、1～3％的功能性单体加入到A料罐中，室温下搅拌均匀，配成混合单体，待用；
(2)将部分软水(占总量的10％)和0.5～2％的乳化剂加入到B料罐中，室温下搅拌均匀，配成乳化剂溶液，待用；
(3)部分软水(占总量的15％)和0.2～1％的引发剂加入到C料罐中，搅拌均匀，配成引发剂溶液，待用；
(4)在反应釜中加入剩余的软水，20％的混合单体，10％的乳化剂溶液，5％的引发剂溶液，密封后抽真空到-(0.01～0.06)MPa，开启搅拌和加热装置，搅拌速度设定为100～200r/min，待温度达到80～85℃后，保温0.5～1小时，通过计量泵连续加入配制好的混合单体、乳化剂溶液、引发剂溶液，滴加时间控制为2～3小时；
(5)待加料完成后，在70～75℃保温1～2小时，然后加入3～10％的改性剂和0.2～0.5％的消泡剂，充分搅拌0.5～1小时后，静置待冷却后即制得本发明的丙烯酸乳液。
本申请还提供了一种复合防油纸，包括防油纸和涂层，所述涂层由上述丙烯酸乳液或上述所述的制备方法所制备的丙烯酸乳液制备得到。
本申请提供的丙烯酸乳液涂布在80～150g/m2的原纸上，涂布量为3～5g/m2。
在本申请提供的制备方法中，在加热前由于先将反应釜抽真空到负压状态避免釜内空气参与产生副反应，同时又使聚合反应时反应产生的压力在安全范围内，保证设备人员的安全；采用种子聚合工艺，半连续加料方法，使聚合体系的单体转化率始终处于较高水平，保持胶乳的稳定性。
本发明提供的丙烯酸乳液涂在纸上做成的防油纸，既解决了淋膜纸的回收难问题，又具有超强的阻油效果。与现有的丙烯酸乳液进行对比，使用本发明乳液制作的防油纸防油等级更高，而且涂层表面张力较小，油滴在涂层表面上形成超强的疏油效果。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的用于防油纸用丙烯酸乳液及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
1、原料配方：
2、乳液制备：
(1)将硬单体、软单体、功能性单体于室温下搅拌均匀，配成混合单体；
(2)将占总量的10％的软水和乳化剂于室温下搅拌均匀，配成乳化剂溶液；
(3)将占总量的15％的软水和引发剂加于室温下搅拌均匀，配成引发剂溶液；
(4)在反应釜中加入剩余的软水，20％的混合单体，10％的乳化剂溶液，5％的引发剂溶液，密封后抽真空到-0.01MPa，开启搅拌和加热装置，搅拌速度设定为150r/min，待温度达到80℃后，保温1小时，通过计量泵连续加入配制好的混合单体、乳化剂溶液、引发剂溶液，滴加时间控制为3小时；
(5)待加料完成后，在70℃保温1小时，然后加入改性剂和消泡剂，在相同条件下充分搅拌1小时后，静置待冷却后即制得本发明的丙烯酸乳液。
实施例2
1、原料配方：
2、乳液制备：
(1)将硬单体、软单体、功能性单体于室温下搅拌均匀，配成混合单体；
(2)将占总量的10％的软水和乳化剂于室温下搅拌均匀，配成乳化剂溶液；
(3)将占总量的15％的软水和引发剂加于室温下搅拌均匀，配成引发剂溶液；
(4)在反应釜中加入剩余的软水，20％的混合单体，10％的乳化剂溶液，5％的引发剂溶液，密封后抽真空到-0.05MPa，开启搅拌和加热装置，搅拌速度设定为100r/min，待温度达到85℃后，保温0.5小时，通过计量泵连续加入配制好的混合单体、乳化剂溶液、引发剂溶液，滴加时间控制为2.5小时；
(5)待加料完成后，在75℃保温1.5小时，然后加入改性剂和消泡剂。在相同条件下充分搅拌0.6小时后，静置待冷却后即制得本发明的丙烯酸乳液。
实施例3
1、原料配方：
2、乳液制备：
(1)将硬单体、软单体、功能性单体于室温下搅拌均匀，配成混合单体；
(2)将占总量的10％的软水和乳化剂于室温下搅拌均匀，配成乳化剂溶液；
(3)将占总量的15％的软水和引发剂加于室温下搅拌均匀，配成引发剂溶液；
(4)在反应釜中加入剩余的软水，20％的混合单体，10％的乳化剂溶液，5％的引发剂溶液。密封后抽真空到-0.06MPa，开启搅拌和加热装置，搅拌速度设定为200r/min，待温度达到83℃后，保温0.6小时，通过计量泵连续加入配制好的混合单体、乳化剂溶液、引发剂溶液，滴加时间控制为2小时；
(5)待加料完成后，在74℃保温2小时，然后加入改性剂和消泡剂，在相同条件下充分搅拌0.5小时后，静置待冷却后即制得本发明的丙烯酸乳液。
对比例1
按照实施例1执行，不同的是：将原料配方中的硬单体省去，软水量补足100％。
对比例2
按照实施例1执行，不同的是：将原料配方中的软单体省去，软水量补足100％。
对比例3
按照实施例1执行，不同的是：将原料配方中的功能性单体省去，软水量补足100％。
对比例4
按照实施例1执行，不同的是：将反应型乳化剂替换为阴离子型乳化剂，并省去交联改性剂，软水补足100％。
1、乳液特性检测
对实施例1～3所得乳液进行检测，结果参见表1。
其中，固含量的测试参照GB/T 2793-1995进行；玻璃化温度的测试参照GBT13464-2008进行；表面张力的测试参照GBT 22237-2008进行；粘度的测试参照GBT 2794-2013进行；pH的测试参照GBT14518-1993进行。
表1实施例1～3的乳液特性数据表
2、乳液涂层性能检测
制样：将乳液涂覆在150g/m2的原纸上后，于110℃下干燥8S钟，在纸张上形成功能涂层(纸张厚度为85μm，功能涂层厚度为4μm)，得到防油纸。
测试：对防油纸样品的表面张力、防油等级进行测试，结果参见表2。
其中，涂层表面张力的测试参照GB/T14216-2008进行，防油等级测试参照TAPPI T559cm-12进行。
表2实施例1～3及对比例1～7的乳液涂层性能数据表
| 表面张力(mN/m) | 防油等级(级) | |
| 实施例1 | 27 | 10 |
| 实施例2 | 25 | 10 |
| 实施例3 | 28 | 11 |
| 对比例1 | 37 | 4 |
| 对比例2 | 39 | 4 |
| 对比例3 | 42 | 3 |
| 对比例4 | 41 | 4 |
由表2测试结果可以看出，本发明实施例1～3的乳液制得的防油纸具有较低的表面张力和优异的阻油性和，其中，防油等级符合TAPPI T 559cm-12标准要求；而对比例1～4的防油纸性能明显变差。其中，与对比例1～3的效果对比说明，省去硬单体、软单体和功能性单体中的任意一种，都会降低防油纸的性能，只有将硬单体、软单体和功能性单体三者配合，才能有效提升防油纸的防油等级；与对比例4的效果对比说明，将本发明的反应型乳化剂替换为其它乳化剂，并省去交联改性剂后，防油纸的防油性能变差，证明本发明采用特定的有反应型乳化剂并引入交联改性剂，才能有效提升防油纸的综合性能。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种用于防油纸的丙烯酸乳液，由以下组分制备得到：
所述硬单体选自甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯和丙烯腈中的一种或多种；
所述软单体选自丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸正辛酯中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的丙烯酸乳液，其特征在于，所述功能性单体选自N-羟甲基丙烯酸和二丙酮丙烯酰胺中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的丙烯酸乳液，其特征在于，所述引发剂选自过硫化铵和过硫化钾中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的丙烯酸乳液，其特征在于，所述乳化剂选自丙烯酰胺基异丙基磺酸钠和乙烯酸磺酸钠中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的丙烯酸乳液，其特征在于，所述改性剂选自氢氧化钾和氢氧化钠中的一种或两种；所述消泡剂选自聚醚类消泡剂。
6.根据权利要求1所述的丙烯酸乳液，其特征在于，所述硬单体的含量为5～7.5wt％。
7.根据权利要求1所述的丙烯酸乳液，其特征在于，所述软单体的含量为3～5.5wt％。
8.根据权利要求1所述的丙烯酸乳液，其特征在于，所述改性剂的含量为8.5～10wt％。
9.权利要求1～8任一项所述的用于防油纸的丙烯酸乳液的制备方法，包括以下步骤：
将5～15wt％的硬单体、3～9wt％的软单体和1～3wt％的功能性单体混合，得到混合单体；
将6～8wt％的软水和0.5～2wt％的乳化剂混合，得到乳化剂溶液；
将9～12wt％的软水和0.2～1wt％的引发剂混合，得到引发剂溶液；
将45～62wt％的软水和20wt％的混合单体、10wt％的乳化剂溶液、5wt％的引发剂溶液混合抽真空，再加热，在得到的混合液中加入剩余的混合单体、乳化剂溶液、引发剂溶液；
在得到的混合液中加入3～10wt％的改性剂和0.2～0.5wt％的消泡剂，得到用于防油纸的丙烯酸乳液。
10.一种复合防油纸，包括防油纸和涂层，所述涂层由权利要求1～8任一项所述的丙烯酸乳液或权利要求9所述的制备方法所制备的丙烯酸乳液制备得到。
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