水性丙烯酸乳液可以通过分批、播种、原位播种和连续聚合来制备。本研究采用播种工艺制备了目标平均粒径Dn≤50 nm的纳米级种子。然后利用这些纳米种子通过半批量工艺制备超细全乳胶，目标平均粒径Dn≤100 nm。对表面活性剂浓度进行了优化，以确保最小的颗粒和凝结量，最终乳胶中表面活性剂的最终浓度为0.45 /百份单体(phm)。此外，还对这些超细分散体的乳胶膜外观、光泽度、附着力和吸水性能进行了评估。最后，利用分散剂制备半光泽度涂料，以说明粒度对涂料性能(即外观、光泽、块度和附着力)的影响。

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简介

水性涂料应用于木材，金属，塑料，地板和纸张基材，以改善其美观，并提供防光，盐，热和湿气。涂料配方中的关键成分是颜料和粘结剂。颜料赋予涂层不透明度，耐久性，防腐和防锈;乳胶粘合剂形成一层膜，并将颜料、填料和其他成分结合在一起，并额外保护基材。粘结剂还有助于薄膜的光泽度、堵塞性和附着力。表面活性剂在粘合剂制备中起着关键作用，用于控制颗粒尺寸、反应动力学和乳胶稳定性。(1,2)然而，表面活性剂会对涂层的阻塞、擦洗、粘附和光泽性能产生负面影响，因此通常希望利用最小水平的表面活性剂和纳米颗粒来解决这些问题。我们的研究重点是筛选各种用于制造超细乳胶的表面活性剂，并确定这些表面活性剂和乳胶对涂料性能的影响。

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表面活性剂的选择

表面活性剂是乳胶制备的关键成分。选择了四种表面活性剂用于丙烯酸种子和超细全吹乳胶的制备。实验中使用的基准表面活性剂为DowFax 2A1™(DPOS)。选择DPOS作为对照，因为在文献中声称，在低表面活性剂使用水平下，DPOS可以产生超细颗粒，并提供良好的胶体稳定性。氰特工业公司的三种气溶胶表面活性剂(即琥珀酸磺基酯、单酯琥珀酸磺基酯和双酯琥珀酸磺基酯)也进行了评估。产品包括AEROSOL 22 (N-(1,2-二羧基乙基)-N-十八烷基磺基琥珀酸酯四钠，22)、AEROSOL 18P(十八烷基磺基琥珀酸酯二钠，18P)、AEROSOL A-102(乙氧基醇二钠[C10-C12]磺基琥珀酸半酯，A-102)、AEROSOL EF-800(专有磺基琥珀酸表面活性剂混合物，EF-800)、AEROSOL MA-80(二己基琥珀酸磺基钠，MA-80)和AEROSOL OT-75(双(2-乙基己基)琥珀酸磺基钠，气溶胶OT-75)。表1给出了各种表面活性剂的概述，选择的性质和特点。

实验结果与讨论

种子制备及表征
通过批处理工艺制备了固体含量为20%的丙烯酸种子批次(表2)。该种子配方的目标是实现Tg ~14°C的粘结剂，在5 phm表面活性剂的使用下，种子粒径目标为40 ~ 50 nm。去离子水和表面活性剂溶液加热至82℃，与A310叶轮混合。在50°C浴温下，将单体溶液充入反应器。在75ºC的浴温下，启动器充电，搅拌速度从200转/分钟增加到320转/分钟。反应1.5 h后，反应温度降至40℃。种子被敲出来，通过更细的滤网过滤砂砾。

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所有的种子乳胶都达到了理想的20%固体转化率，并证明无颗粒到非常小的颗粒。种子颗粒大小详见图1。气溶胶18P产生了37 nm的种子颗粒，并且没有表现出明显的负过程伪影(即最小的聚集物、颗粒和凝固)。气溶胶18P具有种子颗粒细、粒径分布窄、过程清洁的特点，原因可能是:(a) 5 phm的使用水平足以实现种子颗粒全覆盖;(b)气溶胶18P的扩散速率与种子粒子的形成和生长吻合较好;和/或(c)在聚合过程中，当种子混合和剪切时，分子锚定良好，不易位移。

气溶胶22还产生了一个47纳米的小种子粒子。此外，未观察到凝血和砂砾。由此推测，气溶胶22对单体液滴的亲和力较差，乳化前稳定性较差，但对颗粒具有较高的亲和力和稳定性。
气溶胶a -102产生的种子颗粒大小为49纳米。气溶胶a -102提供了稳定的预乳液，这是非常可取的各种EP工艺方案，其中反应成分从单一的管道和罐中充电。这种更好的乳液稳定性意味着AEROSOL a -102对丙烯酸单体具有更强的亲和力。因此，在聚合过程中的任何给定时间，它对颗粒保护和稳定性的可用性都较低。

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用DPOS制备的种子颗粒为50 nm，没有观察到反应器堆积或颗粒。

气溶胶EF-800表面活性剂产生的种子颗粒为55 nm，大于理想尺寸。与DPOS相比，乳液前稳定性较差，但优于AEROSOL 18P和AEROSOL 22。反应器叶片上较大的颗粒尺寸和堆积可能是由于该表面活性剂对丙烯酸种子颗粒的亲和力较低。

气溶胶OT-75表面活性剂产生的最终种子粒径为55 nm。据推测，气溶胶OT-75的较大尺寸种子限制了其支持初级粒子稳定性和生长的可用性。这种较高的乳液稳定性和在聚合物颗粒核心内较高的溶解度可能意味着气溶胶OT-75支持颗粒成核和生长的能力有限。

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选择了气溶胶MA-80来促进更大尺寸颗粒的制备，产生了72 nm的种子颗粒尺寸。可以预期，由于其高CMC，气溶胶MA-80将产生更大尺寸的颗粒。

超细全吹乳胶的制备及表征

使用表3计算了用于AEROSOL 18P和其他种子批次的FB乳胶的种子量，对于AEROSOL 18P，种子量为66.5克。FB乳胶的理论平均粒径为85 nm。从种子中提取的表面活性剂为0.6 g，每批使用的总量为0.45 phm。

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FB乳胶配方见表4。最初，向种子中加入去离子水，并将种子轻轻混合。在加入去离子水后，种子再混合2分钟并充入反应器。充种液后，除了单体充种时间超过2.5 h外，FB乳胶的工艺条件与充种液相似。

乳胶的特性如表5所示。理论固体和实验固体是一致的。批次被评定为合格/不合格，合格指混凝量、粒度和残留单体最小，不合格指混凝量、粒度或残留单体超过聚合工艺标准。气溶胶OT 75批次是唯一失败的批次，因为它在聚合过程中凝结。由DPOS制备的对照乳胶的粒径为110 nm。由AEROSOL 22和AEROSOL 18P琥珀酸磺基表面活性剂制备的乳液粒径分别为87和88 nm，粒度、混凝量和反应器堆积量均较低(AEROSOL 22为0,AEROSOL 18P为0.4 g)，由AEROSOL A-102和AEROSOL EF-800制备的乳液粒径分别为125和93 nm，此外，这些产品的混凝量为0和2 g。气溶胶MA-80表面活性剂乳胶的粒径为180 nm，其中含有一些细颗粒。所有最终乳胶的粘度都低于~50 cps，这是乳胶和涂料生产商所希望的，因为这便于转移、添加和混合。

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为了评估表面活性剂对乳胶性能的影响，在Leneta纸上制备了薄膜拉降率。薄膜湿润2.5密耳，在室温下干燥1分钟，然后置于107℃的烤箱中5分钟。气溶胶22是连续的透明的，气溶胶MA-80是朦胧的连续的。基于其他表面活性剂的所有薄膜都表现出一定程度的泥浆开裂(即叶片状形态)。根据ASTM D 7234-05研究了乳胶薄膜对玻璃和Leneta纸的附着力，所有薄膜都证明了良好的附着力。考察了表面活性剂对胶乳冻融稳定性的影响。只有基于18P的乳胶通过了预期的3个F/T循环。

乳胶吸水率

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用作外墙涂料粘合剂的乳胶需要良好的耐水性，而表面活性剂会极大地影响水的摄入量。为了评估各种表面活性剂对该性能的影响，在玻璃上制备了1mil干燥薄膜，薄膜样品在107°C下干燥5分钟，然后在控制湿度和温度的房间(CHT-50%湿度，24°C)中陈化一夜。然后将玻璃面板浸入水浴中，观察和监测4小时。结果如表6所示。这些乳液的良好或优异的耐水性可能是由于:(a)表面活性剂的使用较少;(b)表面活性剂和聚合物的相容性;(c)超细颗粒。

乳胶光泽特性

在Leneta纸上制备干乳胶膜(1mil)。薄膜在RT下干燥60秒，然后在90°C以上的烤箱中干燥5分钟。薄膜在CHT室中老化。对每个薄膜测量20°、60°和85°角光泽度(图2)。气溶胶18P和气溶胶22表面活性剂的总体效果最好，气溶胶A-102、EF-800和DPOS产品紧随其后。气溶胶MA-80乳胶确实产生了平滑连续的薄膜。然而，它也产生了最差的20°光泽度性能，这种较低的光泽度是由于乳胶粒径大。

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半光漆制备-属性和性能

将乳胶的pH值提高到8，并将乳胶添加到半光粉中制备涂料(固体含量为51.7%，PVC含量为24%)。在Leneta纸和玻璃表面上制备250毫升湿和1毫升干的漆膜。然后在CTR室对漆膜进行1天和1周的调节。漆膜是连续的，表面光滑。然后测试这些漆膜的阻隔性、光泽性和粘附性。

漆块性能
制备并用于24°C和40°C的块阻性能。块性能评分范围为0到10,0表示没有分离，10表示完全分离。数据如图3所示。由气溶胶18P和气溶胶22制备的涂料表现出最好的性能，其次是含dpos的乳胶。气溶胶MA-80、气溶胶EF-800和气溶胶A-102的阻隔性能较差。假设气溶胶18P和22在聚合物基体中相容性更好。

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涂料光泽度

油漆的光泽度会受到油漆配方中不同成分的影响。为了评估表面活性剂的种类和用量以及乳胶剂粒径对涂料光泽度的影响，测量了光泽度(图4)。20°、60°和85°的光泽度范围相似。因此，乳胶粒径在80 ~ 120 nm之间对涂料的光泽度没有明显影响。
涂料附着力

采用ASTM D 7234-05交叉缝隙法测定半光漆附着力。附着性能评分范围为0到10,0表示没有附着，10表示没有去除任何东西。经过8天的CRT处理后，琥珀酸磺基酯(AEROSOL 18P和AEROSOL 22)和琥珀酸磺基酯(AEROSOL A-102，气溶胶EF-800和气溶胶MA-80)表面活性剂涂料均表现出优异的附着力。DPOS控制的粘附性也很好，但略低(图5)。

结论与总结

利用气溶胶22、气溶胶18P、气溶胶A-102和DPOS表面活性剂成功制备了固体含量为20%、粒径≤50 nm的纳米种子。采用半连续聚合工艺，以AEROSOL 22、18P、A-102和EF-800为原料，在超低(0.45 phm)表面活性剂用量下，成功制备了100 nm的超细(纳米)乳胶。与DPOS相比，18P乳胶具有更好的F/T稳定性。这些超细乳胶膜具有良好的美观性、光泽度、附着力和低吸水率。粒径小于或大于100纳米的乳胶对半光漆研磨具有良好的适应性和兼容性。漆膜表面光滑，有光泽，交叉连接性能也非常出色。以AEROSOL 22和AEROSOL 18p为基础的乳液制备的涂料也具有优异的抗阻塞性能。

本文发表于洛杉矶新奥尔良举行的第38届年度水上研讨会。

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