无甲醛静电植绒粘合剂的合成及应用
彭鹤验*，续通，蔡再生*
东华大学 生态纺织教育部重点实验室
原载: 上海印染新技术交流研讨会论文集（2009年度）；284-288
稿件来源：sh9-284
【摘要】通过半连续种子乳液聚合法，采用双丙酮丙烯酰胺作为交联单体，成功研制出了环保型的静电植绒粘合剂，系统研究了乳液聚合过程中乳化剂用量与配比、引发剂用量及交联单体用量对单体转化率和聚合稳定性的影响，确定了最佳的合成工艺；同时通过红外分析表征了共聚物的结构；产品应用于静电植绒，植绒效果较佳，所得植绒织物干磨牢度 >4000次，手感柔软，半衰期<1s，抗静电性能优良，各项指标均达到了静电植绒织物FZ/T64011-2001一等品的标准。
1 引言
电植绒是在高压静电场中将预先处理好的短纤维(绒毛)定向植于涂有粘合剂的基材表面，再经烘干、焙烘的过程。[1]静电植绒作为表面加工技术，有其独特的优越性，可以在织物、纸张、塑料、橡胶、木材、玻璃、以及金属、陶瓷等各种立体和非立体的基材上植绒，已广泛用于服装纺织、汽车、文具、包装业、装潢、仪器、仪表等众多行业，并具有耐磨、滑润、密封、隔音、隔热，防烫、防腐防污等功能，既美观又实用。[2]
植绒粘合剂是影响静电植绒产品质量的主要因素之一，其性能直接决定了植绒产品的植绒牢度和手感的好坏。目前应用于静电植绒的粘合剂90%以上是聚丙烯酸酯类乳液粘合剂[3]，其价廉，制备和使用方便，耐老化，对多种纤维都有很好的粘接力[4]，是一种较理想的粘合剂。但是，丙烯酸酯类粘合剂在耐磨、耐水和柔软性方面还存在不足，尤其是大多数丙烯酸酯乳液植绒胶的交联单体羟甲基丙烯酰胺和外加交联剂甲醚化羟甲基三聚氰胺毒性较大，交联后会缓慢地释放出有害于人体健康的甲醛[5]，不能满足对纺织品日渐严格的环保要求。
本论文旨在开发无甲醛的环保型的丙烯酸酯类静电植绒粘合剂，选用无毒且含多种反应性基团的活性单体双丙酮丙烯酰胺作为交联单体，成功研制出了环保型的静电植绒粘合剂。实验中系统研究了乳化剂、引发剂及交联单体对乳液性能的影响，确定了最佳的合成工艺；同时将合成产品应用于静电植绒，表征了植绒效果；并对共聚物进行了红外分析。
2 实验部分
2.1 主要原料
丙烯酸（AA）、丙烯酸乙酯（EA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）、烷基酚聚氧乙烯基醚（OP-10）、十二烷基硫酸钠(SDS)，国药集团化学试剂有限公司，以上均为化学纯；羟甲基丙烯酰胺（化学纯），天津化学试剂研究所；丙烯酸羟乙酯（化学纯），上海晶纯试剂有限公司；双丙酮丙烯酰胺（化学纯），上海邦成化工有限公司；正硅酸四乙酯（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；碳酸氢钠（化学纯），上海虹光化工厂；过硫酸铵（分析纯），上海青析化工科技有限公司；氨水（分析纯），上海波尔化学试剂有限公司。
2.2 乳液合成
（1）单体预乳化：在250ml的四口烧瓶中加入适量去离子水和混合乳化剂，
然后依次加入各单体开始高速搅拌乳化。
（2）种子乳液合成：单体乳化好后，称取一定量的上述单体预乳液置于四口瓶中，开始升温反应，60℃左右开始滴加引发剂，待体系出现蓝色荧光恒温一段时间即得种子乳液。
（3）壳聚合：在上述已合成的种子乳液中，加入水、引发剂及剩下的部分单体预乳液，以种子乳液的乳胶粒为核心，开始壳聚合，60℃左右补加引发剂，待体系出现蓝色荧光开始滴加余下单体预乳液，控制好单体滴加速度，以保持蓝相为宜。单体滴加完后追加适量引发剂，恒温反应一段时间，即可冷却降温出料。
2.3 静电植绒应用
基材：漂白棉布（30×30 60×68）；绒毛：1.5D×0.5mm，大红尼龙毛；植绒处理：合成的粘合剂乳液先经氨水增稠，采用上升法进行植绒，上胶量250～300g/m2，植绒结束后采用90℃预烘3min，140℃焙烘4min。
2.4 性能表征
（1）转化率和固含量测试：采用称重法(GM)测量，按文献[6]执行。
（2）乳胶粒径：采用纳米粒度与粒径分析仪测试乳胶粒子粒径。
（3）涂膜吸水率：将乳液小心地涂在干净的的玻璃板上，使其均匀平铺，干燥成膜后称重，观察膜的透明性及柔软性，再将涂膜置于水中浸泡48小时，取出迅速用滤纸吸去胶膜表面的水分后称重，计算膜的吸水率。
|
吸水率= |
浸泡后胶膜重-浸泡前胶膜干重 |
×100% |
|
浸泡前胶膜干重 |
（4）钙离子稳定性：配制5%CaCl2溶液，按乳液：CaCl2溶液=4：1的体积制成均匀乳液，放入试管封好后静置48h，观察有无漂油、分层、凝聚等现象。
（5）剥离强度：按GB/T
2791-1995执行。[7]
（6）红外测试：聚合物乳液经多步提纯后烘干，于傅立叶变换红外光谱仪上测试。
（7）植绒牢度：按GB/T
13775执行[8]，采用Nu-Martindale 864耐磨及起毛起球试验仪测试，压力9kPa。
（8）折皱回复角：利用SHIRLEY折皱回复角测试仪，依据AATCC
Test Method 66-1996标准测试植绒样品的折皱回复角。[9]
（9）抗静电性能测试：采用YG(B)
342D型织物感应式静电仪测试植绒试样的抗静电性能。
3 结果与讨论
3.1 产品性能指标与红外表征
通过半连续种子乳液聚合法合成的丙烯酸酯类静电植绒粘合剂性能指标见表1。
表1 静电植绒粘合剂性能指标
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项目 |
指标 |
|
外观 |
乳白泛蓝光乳液 |
|
含固量 |
40±1% |
|
pH值 |
3～4 |
|
离心稳定性 |
通过 |
|
Ca2+稳定性 |
通过 |
|
成膜性 |
透明有弹性 |
|
粒径 |
175nm |
聚合物红外图谱见图1。
|
|
|
图1 静电植绒粘合剂红外图谱 |
由图1 可见，
在2960 cm-1 和2872 cm-1 处的-CH3和-CH2-的C-H伸缩振动吸收峰，1730 cm-1处的羰基C=O伸缩振动，1247cm-1和1170
cm-1处甲基丙烯酸甲酯基中的C-O-C对称伸缩振动吸收峰，1453cm-1处丙烯酸中的COO-的振动吸收峰，与丙烯酸酯共聚物的谱图相符，此外1527cm-1为N
H-C=O 酰胺Ⅱ 的N-H 变形振动峰， 谱图中1600～1680cm-1处未出现烯键的特征吸收峰，说明BA、EA、AA、MMA、DAAM等单体都参与了共聚。
3.2 乳化剂对聚合乳液的影响
本论文采用阴离子型乳化剂十二烷基硫酸钠（SDS）和非离子乳化剂OP-10进行复配，通过二者的协同作用，获得较为稳定的乳化体系，提高乳胶粒子的电解质稳定性和机械稳定性。
3.2.1 乳化剂用量
保持其他工艺条件不变，改变乳化剂用量，分别设定乳化剂用量为1%、2%、2.5%、3%、4%，实验结果见表2。
表2 乳化剂用量对乳液性能的影响
|
乳化剂用量/% |
转化率 /% |
含固量 /% |
凝聚率 /% |
涂膜吸水率/% |
|
1 |
97.09 |
39.01 |
3.00 |
21.93 |
|
2 |
97.79 |
39.26 |
2.21 |
22.16 |
|
2.5 |
98.24 |
39.42 |
1.45 |
23.28 |
|
3 |
98.53 |
39.62 |
1.39 |
25.95 |
|
4 |
98.66 |
39.93 |
1.11 |
47.96 |
由表2可知，随着乳化剂用量的增加，呈现出凝聚率降低、单体转化率升高和涂膜吸水率增大的趋势。因为随着乳化剂用量的增加，体系中的胶束数量增多，形成更多更小的乳胶粒，延长了自由基的平均寿命，提供了更多的反应场所，从而提高了反应速率，减少了高危期的时间和降低了体系的自由能，进而减少了凝聚物的生成，提高了体系的稳定性。对于单体转化率的影响，因为在相同的反应时间里，反应速率高，单体转化率也相应提高。[10]实验结果表明，乳化剂用量越多对体系的稳定性和单体转化率越有利，但过多的乳化剂也必将影响其产品质量，聚合物的分子量、耐水性和剥离强度将有所下降，而太多会使乳液粒子大小不一，涂膜吸水率增大，耐水性差，使用性能大为下降。[11]综合考虑乳化剂用量对乳液各项性能的影响，选择乳化剂用量为2.5%为宜，其转化率达98.24%，凝胶少，乳液稳定，耐水性好。
3.2.2 复合乳化剂中非/阴离子乳化剂配比
固定乳化剂用量2.5%，保持其他工艺条件不变，改变非/阴离子乳化剂配比，所得各聚合乳液性能见表3。
表3 乳化剂配比对乳液性能的影响
|
乳化剂配比（非/阴离子乳化剂） |
转化率 /% |
含固量 /% |
凝聚率 /% |
钙离子稳定性 |
|
3:1 |
97.67 |
39.63 |
2.65 |
30min |
|
2:1 |
98.24 |
39.93 |
1.45 |
>4d |
|
1:1 |
98.49 |
39.85 |
0.70 |
3d |
|
1:2 |
98.60 |
39.93 |
1.45 |
2.5h |
|
1:3 |
97.87 |
39.45 |
1.58 |
1h |
由表3可见，随着非/阴离子表面活性剂配比的降低即阴离子乳化剂用量的增加，单体转化率和凝聚率先增后减，乳液的粒径变小（如图2），
|
|
|
图2 非/阴离子乳化剂配比对产物粒径的影响 |
乳液的离子稳定性降低，这是因为阴离子乳化剂相对于非离子乳化剂分子量低，能有效的降低表面张力，其乳化效率高，制备的聚合乳液粒径较小，即提高阴离子乳化剂有利于提高转化率，减小粒径；但阴离子乳化剂用量过大会导致乳液不稳定，离子稳定性差，会有破乳现象，使得转化率反而降低，并导致凝聚。综合考虑以上因素，选取非/阴离子乳化剂为1:1～2:1为宜，在此条件下反应能制的转化率高、凝聚率低和离子稳定性好的乳液。
3.3 引发剂对聚合乳液的影响
固定乳化剂用量为2.5%，OP/S为2/1，保持其他工艺条件不变，改变引发剂过硫酸铵（APS）用量，实验结果见图3、图4。
|
|
|
|
图3 引发剂的用量对单体转化率的影响 |
图4 引发剂用量对乳胶粒径的影响 |
由图3和图4可知，随着APS用量的增加，单体转化率增大，乳胶粒径先减后增。这是因为当APS用量过小时，引发的自由基少，聚合反应慢，聚合不完全，导致单体转化率低；另一方面，引发剂分解，形成离子“碎片”，在乳液粒子表面起稳定作用，当离子“碎片”较少，粒子表面电位下降，致使粒径增大甚至相互粘结[12]，因此引发剂用量少时乳胶粒径较大。当APS用量加大时，体系中自由基数目增多，聚合速率加快，体系粘度上升，成核粒子数目增多，因此乳液粒径减小，转化率提高；但引发剂用量过大时，容易使乳液聚合过程的稳定性降低，凝胶增大，乳胶粒易相互团聚而使粒径增大，这主要是因为过量的引发剂和乳化剂起到了电解质的作用。所以引发剂用量的选择必须适量，由图3和图4可知当引发剂用量为0.4%，所得乳液转化率高，乳液稳定，粒径较小。故选择引发剂用量为0.4%。
3.4 交联单体对聚合乳液的影响
3.4.1 交联单体的选择
本论文选用N-羟甲基丙烯酰胺（NMA）、双丙酮丙烯酰胺（DAAM）、丙烯酸羟乙酯(HEA)、正硅酸四乙酯(TEOS)这四种交联单体，讨论了不同交联单体对乳液性能的影响，实验结果见表4。
表4 不同交联单体对乳液性能的影响
|
交联单体 |
转化率/% |
含固量/% |
凝聚率/% |
粒径/nm |
剥离强度/KN•m-1 |
|
NMA |
98.24 |
39.93 |
1.45 |
162 |
1.49 |
|
DAAM |
98.70 |
40.30 |
1.24 |
175 |
1.38 |
|
HEA |
96.36 |
38.75 |
3.12 |
156 |
0.98 |
|
TEOS |
93.85 |
38.30 |
7.20 |
375 |
1.11 |
由表4 可知，
四种交联单体转化率排序为DAAM > NMA > HEA > TEOS， 含固量为DAAM > NMA > HEA >
TEOS， 凝聚率为DAAM<NMA<HEA<TEOS。显然采用DAAM做为交联单体所得乳液的转化率高，产生凝胶少，乳液稳定。虽然采用NMA作交联单体所得到乳液粒径较小，剥离强度较高，但交联后仍会缓慢地释放出有害于人体健康的甲醛，不符合绿色环保的要求；HEA与DAAM相比，转化率和剥离强度均较低；TEOS聚合的乳液粒径较大，产生的凝胶较多，乳液稳定性差，不适用于丙烯酸酯类粘合剂的合成。综合考虑本论文选用双丙酮丙烯酰胺（DAAM）作为合成用交联单体。
3.4.2 交联单体用量的影响
改变交联单体DAAM的用量，分别测试了不同DAAM用量（1%、2%、3%和4%）对乳液性能的影响，实验结果见表5。
表5 DAAM用量对乳液性能的影响
|
交联单体用量/% |
转化率/% |
含固量/% |
凝聚率/% |
粒径/nm |
|
1 |
97.29 |
39.43 |
1.03 |
153 |
|
2 |
97.49 |
39.57 |
1.17 |
167 |
|
3 |
98.70 |
40.30 |
1.24 |
175 |
|
4 |
96.68 |
39.96 |
2.92 |
198 |
在丙烯酸酯乳液中加入适量交联单体DAAM，通过交联改性可使原有的线型结构在成膜过程中形成立体网状交织结构，分子键能增大[13]，形成大分子结构，提高粘合剂的耐水性和剥离强度。由表7可知，随着交联单体DAAM用量的增加，单体转化率先增后减，凝聚率和乳胶粒径均有上升的趋势，当DAAM用量较少时，如低于3%，交联不完全，对粘合剂的耐水性和剥离强度贡献不大，单体转化率低；DAAM用量过大时乳液粘度增加，难以进一步提高交联度，不仅分子的扩散能力降低，转化率会降低，而且容易发生暴聚现象，凝聚率升高，粒径增大，如表5中4%时粒径和凝胶率都较大。因此综合考虑本实验选取DAAM的用量为3%，其单体转化率较高，凝胶少，乳液稳定。
3.5 静电植绒应用
本论文选用两种目前市场上用的静电植绒粘合剂与本实验合成的环保型的静电植绒粘合剂进行了性能对比，测试结果见表6。
表6 不同植绒粘合剂植绒效果比较
|
植绒用 粘合剂 |
植绒牢度（干摩次数） |
折皱回复角/° |
手感 |
静电性能 |
||
|
经向 |
纬向 |
峰值电压/v |
半衰期/s |
|||
|
2043胶 |
3500次见白底 |
114 |
112 |
较柔软 |
808 |
0.77 |
|
众联胶 |
4300次见白底 |
115 |
113 |
柔软 |
808 |
0.77 |
|
本实验产品 |
4100次见白底 |
124 |
128 |
柔软 |
789 |
0.77 |
注：众联胶—余姚市众联胶黏剂有限公司生产的静电植绒粘合剂；2043胶—广州亦发植绒厂所用植绒胶；折皱回复角测试采用绒面对绒面折叠。
由表6可知，本实验研制的环保型静电植绒粘合剂植绒效果较佳，所得静电植绒织物干磨牢度>4000次，且手感柔软，半衰期<1s，抗静电性能优良，与2043和众联胶相比抗静电性能和折皱回复性更好，符合静电植绒织物FZ/T64011-2001中服用一等品标准。
4 结语
（1）当复合乳化剂用量为2.5%，阴/非离子乳化剂配比1：2，引发剂用量0.4%，交联单体用量为3%时，能得到各项性能指标优异的静电植绒粘合剂乳液，其转化率高达98.7%，粒径为175nm，乳液稳定。
（2）选用无毒且含多种反应性基团的活性单体双丙酮丙烯酰胺做交联单体，克服了传统的植绒粘合剂的甲醛问题，满足绿色环保的要求。
（3）产品应用于静电植绒时，植绒效果较佳，所得静电植绒织物干磨牢度>4000次，手感柔软，半衰期<1s，抗静电性能优良，符合静电植绒织物FZ/T64011-2001中服用一等品标准。
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