聚丙烯酸酯/有机硅/纳米SiO2改性酪素无皂复合乳液的制备与应用研究

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酪素是一种天然蛋白质,具有优异的生物亲和性和生物降解性。作为皮革涂饰剂,酪素是使用最广泛的成膜剂之一,其具有其他材料无可比拟的优点,例如:与皮革的粘着力强、不易脱落、耐温性好、耐打光、耐熨烫、卫生性能好等。然而,由于酪素分子中含有大量的亲水基团和分子间次级键,导致其涂层存在耐水性差、不耐湿擦、成膜硬脆等缺点。课题组前期采用丙烯酸酯单体和己内酰胺(CPL)对酪素进行改性,有效地改善了成膜硬脆、易发霉的缺陷,但是成膜的延伸性和耐水性还有待提高。本研究在聚(丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯)/己内酰胺改性酪素(P(BA/MMA)/CA-CPL)的基础上,引入有机硅和纳米二氧化硅(SiO2)粒子对其进行了一系列改性研究。以己内酰胺改性酪素(CA-CPL)为自乳化剂,引入丙烯酸酯单体与含双键的硅烷偶联剂制备聚丙烯酸酯/硅烷偶联剂改性酪素无皂乳液。通过筛选硅烷偶联剂种类、优化硅烷偶联剂加入方式和用量,考察其对乳液及乳胶膜性能的影响规律;对乳胶粒的微观形貌和粒径大小进行了表征。当硅烷偶联剂采用乙烯基三乙氧基硅烷(A-151),其加入方式为半连续种子乳液聚合方式,用量为4%时,乳胶膜的断裂伸长率提高75.3%,耐水性略有提高。透射电子显微镜(TEM)测试结果显示,乳胶粒呈现界面清晰的球形核壳结构,粒径大小约为70nm,且分布较均匀。将聚(丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯/乙烯基三乙氧基硅烷)/己内酰胺改性酪素乳液应用于皮革涂饰,可以提高革样的力学性能、耐水性和耐湿擦性。为提高乳胶膜的柔韧性,以CA-CPL为自乳化剂,引入长链的乙烯基硅油(Vi-PDMS),制备了聚(丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯/乙烯基硅油)/己内酰胺改性酪素(P(BA/MMA/Vi-PDMS)/CA-CPL)无皂乳液。考察了合成条件对乳液及乳胶膜性能的影响规律;分别采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、TEM、动态激光光散射(DLS)和扫描电子显微镜(SEM)分别对聚合物结构、乳胶粒微观形貌和尺寸、乳胶膜微观形貌进行了表征;并探讨了乳胶粒的形成机理。当采用过硫酸铵(APS)为引发剂、反应温度为75℃、APS用量为总固物的3%、CA-CPL预乳化单体的用量与单体总量的比值为1.2、种子阶段单体用量为单体总量的1/3、种子阶段APS用量为引发剂总量的1/3-2/5、Vi-PDMS用量为5%时,乳胶膜断裂伸长率提高79.2%。TEM和DLS测试结果显示,乳胶粒为规则的球形核壳结构,粒径大小约为80nm,粒径分布较窄。SEM结果显示乳胶膜中形成大量微孔,有利于水汽分子的透过,乳胶膜的透水汽性提高21.6%。将P(BA/MMA/Vi-PDMS)/CA-CPL乳液用于皮革涂饰,可以提高革样的延伸性、透气性和耐水性。为进一步提高乳液稳定性以及乳胶膜的柔韧性和耐水性,通过原位法在CA-CPL中引入纳米SiO2粒子,并以CA-CPL/SiO2为自乳化剂制备了聚(丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯/乙烯基硅油)/二氧化硅/己内酰胺改性酪素(P(BA/MMA/Vi-PDMS)/CA-CPL/SiO2)无皂乳液。考察了合成条件对乳液及乳胶膜性能的影响规律;对乳胶粒微观形貌和尺寸进行表征;并探讨了乳胶粒的形成机理。当体系的pH值为8-9、正硅酸乙酯(TEOS)的用量5%、KH-570的用量为TEOS用量的20%、水解反应温度为70℃、水解反应时间为4h,乳液和乳胶膜的综合性能最优。获得的P(BA/MMA/Vi-PDMS)/CA-CPL/SiO2乳胶粒呈现明显的核壳结构,P(BA/MMA/Vi-PDMS)分布在乳胶粒核层,CA-CPL和纳米SiO2分布在乳胶粒壳层。乳胶粒粒径大小约为90nm,分布均一。与P(BA/MMA/Vi-PDMS)/CA-CPL相比,P(BA/MMA/Vi-PDMS)/CA-CPL/SiO2乳液稳定性提高,乳胶粒粒径大小更均一。与P(BA/MMA)/CA-CPL相比,P(BA/MMA/Vi-PDMS)/CA-CPL/SiO2乳胶膜的断裂伸长率提高158.3%,吸水率降低50.3%。将P(BA/MMA/Vi-PDMS)/CA-CPL/SiO2用于皮革涂饰,可以提高革样的综合力学性能、卫生性能和耐干湿擦性。
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