滤清器滤纸浸渍剂苯丙乳液的合成及应用

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摘要: 以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)为单体，N-羟甲基丙烯酰胺（NMA）和丙烯酸二羟乙酯（HEA）为交联剂合成了苯丙乳液.红外光谱表明所有单体均参与共聚反应，透射电镜表明乳液粒径均匀，粒度分布窄.以苯丙乳液对滤清器滤纸进行了浸渍处理，经过浸渍以后明显提高了滤纸的耐水性、耐破度、挺度等性能.以透射电镜对浸渍后滤纸进行表征，结果表明苯丙乳液包覆在滤纸纤维表面、纤维交织点，改变了滤纸的微观孔洞结构，提高了滤纸的过滤效率.

关键词: 苯丙乳液；滤清器滤纸；浸渍；耐破度

中图分类号:TS727.5;TS761.2

文献标识码:A文章编号:1672-8513(2010)06-0404-03

Syntheses and Applications of Styrene Acrylic Emulsion for Impregnating Filter Paper

GE Jinlong1,WANG Chuanhu1,QIN Yingyue1,ZOU Yizhe2

(1. Department of Applied Chemistry and Environmental Engineering, Bengbu College, Bengbu 233000, China; 2. Hang Da Eco-Material Co. Ltd. in Anhui, Bengbu 233030, China)

Abstract: The styrene acrylic emulsion was synthesized with styrene, butyl acrylate and acrylic acid as the monomer，N-methyl acrylamide and 2-Hydroxyethyl acrylate as the cross linker. The structure of the particles of the emulsion was characterized by FTIR. The result showed that the reactive emulsifier was copolymerized with the styrene acrylate copolymer. The emulsion exhibited some well proportioned diameter and narrow granularity range characterized by TEM. Then the base paper of the filter paper was impregnated with the emulsion. The results showed that the hydrophobic property, bursting strength and stiffness of the filter paper were improved, but the air permeability reduced slightly. The impregnated filter paper was characterized by TEM. The result indicated that the surface of filter paper fibers and the weaving point was coated by styrene acrylic emulsion and the microstructure of the filter paper was changed and the application effect of filter paper was improved.

Key words: emulsion；filter paper；impregnate；bursting strength

滤清器滤纸是滤清器等过滤设备的关键材料，要求滤纸具有较好的耐水性、耐破度、挺度、附着力等性能.滤纸原纸疏松，强度低，耐水性差，易堵塞，不能满足滤清器滤芯的要求，必须使用涂布树脂进行浸渍处理［1-2］.常用的涂布树脂有醇溶性树脂和水溶性树脂2种，水溶性树脂具有工艺简单、环保等优点，具有较好的发展前景.苯丙乳液是滤纸常用的水溶性涂布树脂之一，也是滤清器滤纸常用的乳液浸渍剂［3-4］.苯丙乳液主要是由苯乙烯和丙烯酸酯单体共聚而成，浸渍后具有耐破度、挺度等物理性能高，透气度下降不大等优点，但在耐水性上存在一定的差距.

以苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸为单体，N-羟甲基丙烯酰胺和丙烯酸二羟乙酯为交联剂，壬基酚聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠为乳化剂合成了性能优良的苯丙乳液，并应用于滤清器滤纸的浸渍乳液，研究浸渍前后滤纸的耐水性、耐破度、挺度、透气度等性能并考察苯丙乳液浸渍.

1 实验部分

1.1 原料与仪器

丙烯酸丁酯(BA)，苯乙烯(St)，丙烯酸(AA)，N-羟甲基丙烯酰胺（NMA），丙烯酸二羟乙酯（HEA），过硫酸铵（APS），壬基酚聚氧乙烯醚(OP-10)，十二烷基硫酸钠(SDS)，均为分析纯；去离子水；滤纸原纸，蚌埠市恒通特种纸业有限公司.

电热鼓风干燥箱；搅拌器；四口瓶；红外光谱仪，VERTEX 70型，德国Bruker公司；透射电子显微镜，JEM-2000E型，日本电子株式会社；电子式纸板挺度测定仪，ZTD-10型，长春市月明小型试验机厂；电子式纸张耐破度仪，ZDNP-1型，长春市月明小型试验机厂；纸张透气度测定仪，ZQX-1000型，长春市月明小型试验机厂.

1.2 苯丙乳液的合成

单体预乳化：称取苯乙烯130g、丙烯酸丁酯52g和甲基丙烯酸4g放入预乳化反应釜内，依次加入OP-10乳化剂0.13g，十二烷基硫酸钠0.3g， N-羟甲基丙烯酰胺5.0g，丙烯酸二羟乙酯4g，过硫酸铵1g，去离子水140g，搅拌20min，制得预乳液［5］.

底料和升温：在带有滴液漏斗、温度计、回流冷凝管、电动搅拌器的四口烧瓶中加入160g水，放入水浴锅中加热，当温度为80℃时，加入OP-10乳化剂0.2g、十二烷基硫酸钠0.2g和过硫酸铵0.2g，搅拌至反应出现蓝色［6］.

聚合与保温：将底料升温到85℃时开始滴加预乳化液，滴加时速度要先慢后快，保持温度为80~88℃以内，30min内滴完.在85℃下保温反应1.5h，冷却至40℃，出料，调节pH值至6~7.

1.3 滤清器滤纸的浸渍

将苯丙乳液稀释到6%，调节pH值，得到浸渍液.采用流化干燥方式，将滤纸原纸浸渍30s，浸渍1次后，烘干，控制浸渍量在20%(对滤纸原纸) 左右.

1.4 苯丙乳液的表征

固含量测试：称取一定质量的苯丙乳液放入干燥至恒重的称量瓶中，105℃烘干至恒重，称取残留物的质量，残留物的质量与原乳液质量的比率.

透射电镜分析：用蒸馏水稀释后形成稀乳液，再用2%的磷钨酸溶液进行染色后，滴到支持膜铜网上，风干，在透射电子显微镜上观察乳液粒径及其分布情况.

红外光谱测试：将苯丙乳液涂于干净的玻璃片上，干燥固化，溴化钾压片，测量范围4000~400cm-1.

1.5 滤清器滤纸的浸渍性能测试

滤纸耐水性、耐破度、透气度等性能的测定与分析：分别参照GB/T 460―2008、GB/T454―2002、GB/T 5453―1997检测.

透射电镜分析采用JEM-2000E型透射电子显微镜.

2 结果与分析

2.1 苯丙乳液结果与分析

2.1.1 苯丙乳液的固含量测定

合成的苯丙乳液的固含量为38.9%，配方设计的为40%，可知单体基本上都参与了反应，反应较完全.

2.1.2 苯丙乳液红外光谱分析

苯丙乳液的红外光谱［7-8］如图1，由图可以看出3026cm-1为苯乙烯中苯环的不饱和C―H的伸缩振动吸收，2926cm-1是甲基的吸收峰，1735cm-1是丙烯酸丁酯中―CO的伸缩振动吸收，1452cm-1是苯乙烯苯环的骨架振动吸收，1027cm-1是丙烯酸丁酯中的C―O―C的伸缩振动吸收，显示酯类的特征峰，758cm-1为C―H弯曲振动吸收，698cm-1为C―H伸缩振动吸收.由图可以看出产物呈现无规则共聚结构，所有单体均参与了共聚反应，这与固含量的检测结果相一致.

2.1.3 苯丙乳液透射电镜分析

苯丙乳液的透射电镜如图2，由图可以看出乳胶的粒径呈球形，分布均匀，粒径较小，大约50nm左右［9］.

2.2.2 滤纸浸渍前后透射电镜分析

滤纸浸渍前表面微观形貌如图3，由于滤纸表面存在较粗大的微观孔洞［12］，随着过滤时间的延长，这些孔洞会被大粒径尘埃和其他污染物堵塞，影响滤纸的过滤效率，进而降低滤纸的使用寿命，同时滤纸的物理性能不高，降低滤纸的质量.

苯丙乳液浸渍以后的滤纸微观结构如图4中的(a),(b).从(a)中可以看出浸渍后滤纸纤维之间形成一种交联的结构，发生键合交联固化反应，苯丙乳液吸附在纤维的表面及纤维交织点，提高了纤维之间的结合强度［13］，形成更紧凑，更细密的微观表面结构.这与浸渍滤纸的挺度、耐破度提高的结论相一致.

从(b)中可以看出滤纸被浸渍后形成网状或体型高分子聚合物膜，包覆在滤纸纤维表面、交织点并填充部分孔隙，形成点连接，滤材表面微小孔洞呈空间立体分布，滤纸纤维不直接暴露于滤纸表面，有效阻止大粒径颗粒物的进入，防止滤纸孔洞被堵塞，提高耐水性能的同时也提高了滤纸的过滤效率［14］.由于浸渍膜的厚度较薄，而且浸渍并没有堵塞滤纸纤维间的间隙，滤纸的透气度降低不大.

3 结论

苯乙烯和丙烯酸丁酯为单体合成了苯丙乳液，通过透射电镜测试乳液粒径均匀，粒度分布窄.以合成的苯丙乳液对滤清器用滤纸进行浸渍实验，表明浸渍以后滤纸的耐水性可以达到250min以上，耐破度、挺度等性能指标也有较大的提高，透气度影响不大.滤纸通过苯丙乳液浸渍后，改善了滤纸微观孔洞结构，提高了滤纸的过滤效率，进而提高了滤清器的使用寿命.

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