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耐酸性超細(xì)碳酸鈣粉末的包囊化及性能研究
耐酸性超細(xì)碳酸鈣粉末的包囊化及性能研究
關(guān)鍵字: 超細(xì)CaCO3 苯乙烯 丙烯酸 原位乳液聚合 微膠囊 耐酸率 數(shù)均粒徑
1.1藥品及儀器
藥品:超細(xì)碳酸鈣自制,數(shù)均粒徑0.2~0.4μm),苯 乙烯-馬來(lái)酸酐共聚物的水解產(chǎn)物(SMH,自制),苯乙 烯(St,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司),丙烯酸(AA,上海 化學(xué)試劑采購(gòu)經(jīng)銷商),過(guò)硫酸銨(中國(guó)愛(ài)建試劑廠),鹽 酸(上海試劑四廠昆山分廠),氨水(上海波爾化學(xué)試劑 有限公司),乙二胺四乙酸二鈉(EDTA,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué) 試劑有限公司). 儀器:超級(jí)恒溫槽、增力無(wú)級(jí)衡速攪拌器(鞏義市 予華儀器有限公司),LS13320激光粒度分析儀(美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司),JSM-5600 LV掃描電子顯微鏡(日 本株式會(huì)社).
1.2單體的提純[5-6]
將苯乙烯用NaOH水溶液[w(NaOH)=5%]在分液 漏斗中洗3次,后用蒸餾水洗至中性,以除去酚類阻聚劑.然后用無(wú)水硫酸鈉或硫酸鎂干燥處理,減壓蒸餾 后得反應(yīng)用的苯乙烯.用活性炭[w(活性炭)=0.5%]吸附 丙烯酸中的阻聚劑對(duì)丙烯酸提純.使用前均儲(chǔ)藏在冰 箱中備用.
1.3超細(xì)碳酸鈣微膠囊的制備
稱取適量超細(xì)碳酸鈣,先在0.5 g/L SMH水溶液中 用超聲波清洗器處理20 min,然后加入裝有攪拌裝置、 回流冷凝裝置、溫度計(jì)和分液漏斗的四口燒瓶中,加入 適量已提純的苯乙烯和丙烯酸單體,在恒溫水浴槽中 升溫至設(shè)定溫度,恒溫10 min,用分液漏斗滴加已溶解 好的引發(fā)劑過(guò)硫酸銨水溶液,回流冷凝一定時(shí)間,冷卻 至室溫,減壓抽濾,洗滌,將濾餅置于烘箱中,于80℃恒 溫下烘至恒重、稱量、過(guò)篩得改性超細(xì)CaCO3微膠囊 粉末.置于干燥器中保存?zhèn)溆?(
(圖略)
式中,V1為未包囊樣品消耗的EDTA體積;V2為包囊 樣品消耗的EDTA體積.
注:為了保證包囊樣品在取樣時(shí)內(nèi)含碳酸鈣質(zhì)量 與未包囊化樣品一致,因此對(duì)包囊樣品取樣質(zhì)量按下 式計(jì)算:包囊化樣品取樣質(zhì)量=(1+材芯質(zhì)量比)×未包囊 化樣品取樣質(zhì)量.
分散穩(wěn)定性[8]:稱取2.0 g干燥的樣品試樣,置于 20 mL具塞刻度試管中,加入蒸餾水至20 mL,加上膠 塞,在室溫下用超聲波清洗機(jī)分散15 min,放入室溫環(huán) 境中靜置,每隔一段時(shí)間通過(guò)激光粒度分析儀測(cè)量一 次懸浮液的粒徑,通過(guò)數(shù)均粒徑的變化來(lái)表征體系的 分散穩(wěn)定性.
形貌分析:采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)包囊前 后的碳酸鈣形貌進(jìn)行分析.
2.1.3包囊化時(shí)間
包囊化時(shí)間對(duì)微膠囊耐酸率和粒徑的影響見(jiàn)圖2.
圖2顯示,隨著聚合時(shí)間的延長(zhǎng),微膠囊粒徑不斷變大.包囊化12 h左右,耐酸率得到很大提高,顆粒 粒徑增加較小,而12 h后,顆粒粒徑增加很大,耐酸率 反而變化不明顯.原因是反應(yīng)初期生成的聚苯乙烯核 一方面吸收單體、引發(fā)劑和自由基在粒子相中聚合, 另一方面逐漸聚合在碳酸鈣粒子表面,使包覆在碳酸 鈣表面的聚苯乙烯膜厚度變大,形成的膜更致密,隨著 聚合時(shí)間的延長(zhǎng),改性后的碳酸鈣耐酸率逐漸提高.因 此,包囊化時(shí)間以12 h為宜.
2.1.4引發(fā)劑用量
由圖3可看出,當(dāng)引發(fā)劑用量過(guò)低時(shí),單體轉(zhuǎn)化 率很低,生成的聚合物對(duì)碳酸鈣粒子的包覆率較低,表 現(xiàn)為碳酸鈣粒子的耐酸率也較低;隨著引發(fā)劑用量增 加,碳酸鈣粒子的數(shù)均粒徑增大,耐酸率升高,原因是 引發(fā)劑用量增加,自由基生成速率相應(yīng)增大,數(shù)目增 多,粒子碰撞概率增多,轉(zhuǎn)化率增大,引發(fā)劑用量為0.6% 時(shí)耐酸率zui大;超過(guò)0.6%后,生成的自由基增多,會(huì)導(dǎo) 致生成的聚合物分子質(zhì)量迅速下降,包覆后的碳酸鈣 顆粒耐酸率有所降低.因此,引發(fā)劑用量應(yīng)適宜,優(yōu)化 引發(fā)劑過(guò)硫酸銨的用量為0.6%(對(duì)CaCO3質(zhì)量).
2.1.5 材芯質(zhì)量比[m(St+AA)/m(CaCO3)] 由圖4可看出,隨著m(St+AA)/m(CaCO3)的增加, 碳酸鈣顆粒的耐酸率逐漸提高,而m(St+AA)/m(CaCO3) 超過(guò)0.7后,耐酸率有所下降.因?yàn)楫?dāng)苯乙烯用量較少 時(shí),主要的聚合場(chǎng)所位于經(jīng)苯乙烯-馬來(lái)酸酐共聚物 預(yù)處理的超細(xì)CaCO3顆粒表面.當(dāng)苯乙烯用量逐漸增 大時(shí),其擴(kuò)散至超細(xì)CaCO3表面更為容易且單體量也 增大,從而使單體在碳酸鈣表面不斷產(chǎn)生包囊化反應(yīng), 對(duì)碳酸鈣顆粒的包覆率逐漸上升,引起耐酸率的提高. 當(dāng)苯乙烯量增大至接近超細(xì)CaCO3用量時(shí),體系中苯 乙烯量過(guò)多,從而使體系中由低聚物自由基形成的膠 束也可以得到單體的增溶,形成的膠粒成為另一個(gè)主 要的聚合場(chǎng)所,導(dǎo)致對(duì)碳酸鈣的包覆率有所下降,耐酸 性也下降.只有二者的比例適當(dāng),才不會(huì)導(dǎo)致因囊材過(guò)多生成細(xì)小的純樹(shù)脂顆?;蚰倚静荒?包覆導(dǎo) 致包覆率下降.綜合考慮粒子的耐酸率和數(shù)均粒徑,選 擇材芯質(zhì)量比為0.7時(shí)較佳.
2.1.6 單體丙烯酸與苯乙烯的質(zhì)量比 從表2可知,當(dāng)m(AA)/m(St)=0.4時(shí),改性后的超 細(xì)CaCO3粉末在水相中形成懸浮分散液,均勻分散于 水相中.因?yàn)閱误w丙烯酸具有親水性的羧基,而苯乙 烯是疏水性單體,在聚合過(guò)程中兩種單體的質(zhì)量比不 同,生成聚合物的親水性羧基含量發(fā)生對(duì)應(yīng)改變,隨著 丙烯酸單體含量的提高,聚合物的親水性有所提高. 在m(AA)/m(St)比值處于0.4~0.6時(shí),改性后的CaCO3 懸浮分散在水相中,出現(xiàn)分層現(xiàn)象但不明顯,說(shuō)明此 時(shí)苯乙烯-丙烯酸共聚物的親水親油性處于相對(duì)平 衡狀態(tài),當(dāng)m(AA)/m(St)大于0.6時(shí),包覆層表面*被 水潤(rùn)濕,提高了顆粒的潤(rùn)濕性,從而分散現(xiàn)象很明顯.
綜合親水性、分散效果、耐酸率、數(shù)均粒徑考慮, 選擇m(AA)/m(St)=0.5.
2.2分散穩(wěn)定性
將*工藝條件下獲得的粒徑在1μm左右、耐 酸率達(dá)到56%左右的碳酸鈣包囊化產(chǎn)品進(jìn)行分散穩(wěn) 定性試驗(yàn),顆粒粒徑累積分布曲線如圖6,分散穩(wěn)定性 結(jié)果如圖7所示.
從圖6、7可看出,包囊化CaCO3粉體在水體系中 的分散穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化不明顯,反映出體系一直 處于一種很好的穩(wěn)定狀態(tài).
2.3包囊化前后超細(xì)CaCO3的形貌分析
由圖8可以看到,原料CaCO3顆粒表面既不透明 也很粗糙,而包囊化后的樣品表面上有一層薄薄的半 透明膜,而且表面比原料CaCO3顆粒表面光滑,說(shuō)明通過(guò)原位乳液共聚包覆后,在CaCO3顆粒表面確實(shí)有 聚合物存在.
3結(jié)論
(1)在進(jìn)行聚苯乙烯對(duì)CaCO3的包覆試驗(yàn)中,為了 獲得*的微膠囊耐酸率和粒徑效果,需采用的* 方式為:先將引發(fā)劑的水溶液加入到裝有CaCO3顆粒 的四口燒瓶中,充分?jǐn)嚢?再用分液漏斗緩慢滴加苯乙 烯單體.
(2)*工藝條件為:[m(St+AA)/m(CaCO3)]為0.7, m(AA)/m(St)為0.5,過(guò)硫酸銨為0.6%(對(duì)CaCO3質(zhì)量),90℃包囊化反應(yīng)12 h.在此工藝條件下制備的CaCO3 微膠囊耐酸率達(dá)到56%左右,數(shù)均粒徑在1μm左右.