聚羧酸系分散劑的合成及其性能研究

馬衍峰 任天瑞

上海師范大學(xué)生環(huán)學(xué)院 資源化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （上海 200234）

聚羧酸系分散劑的合成及其性能研究

馬衍峰 任天瑞

上海師范大學(xué)生環(huán)學(xué)院 資源化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （上海 200234）

以苯乙烯、甲基丙烯酸、丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥丙酯、乙烯基磺酸鈉為單體，合成出二元、三元和四元共聚物等共9種不同結(jié)構(gòu)的羧酸鹽類分散劑，并將其應(yīng)用于430 g/L戊唑醇水懸浮劑。通過(guò)熱貯前后懸浮率的變化，篩選出4種性能優(yōu)良的分散劑。分析其臨界膠束濃度（CMC）、臨界膠束濃度下的表面活性參數(shù)以及乳化能力，研究結(jié)果表明結(jié)構(gòu)不同性能有所差異。以苯乙烯、甲基丙烯酸和乙烯基磺酸鈉為單體合成的分散劑，同時(shí)結(jié)合了羧酸根和磺酸根的優(yōu)勢(shì)，對(duì)戊唑醇水懸浮劑具有較佳應(yīng)用效果，同時(shí)在空氣-水界面上有最大的分子占有面積和最佳的乳化能力。

聚羧酸鹽分散劑 戊唑醇 熱貯 乳化能力

0 前言

分散劑是能降低分散體系中固體（或液體）粒子聚集能力的物質(zhì)[1]。它是一類表面活性劑，加入到分散體系中能夠提高和改善固體或液體物料的分散性能。分散劑作為一類重要的界面活性助劑，廣泛應(yīng)用于煤、顏料、涂料、塑料、油墨、陶瓷、造紙、農(nóng)藥、醫(yī)藥和水處理等諸多領(lǐng)域[2-6]。聚合物分散劑是分散劑中的一種，其中聚羧酸鹽類分散劑是聚合物分散劑家族中的新興成員。聚羧酸鹽類分散劑相比于傳統(tǒng)木質(zhì)素磺酸鹽、萘磺酸鹽甲醛縮合物鈉鹽分散劑而言，自身具有長(zhǎng)碳鏈、較多活性吸附點(diǎn)以及能起到空間排斥作用的支鏈，這種特殊的分子結(jié)構(gòu)使其對(duì)農(nóng)藥懸浮體系具有良好的分散性能。

本實(shí)驗(yàn)合成以丙烯酸、乙烯基磺酸鈉、丙烯酸羥乙酯為單體的共聚物分散劑[7]和以丙烯酸、乙烯基磺酸鈉及丙烯酸羥丙酯為單體的共聚物分散劑[8]，用于農(nóng)藥莠去津；以苯乙烯、甲基丙烯酸、丙烯酸羥丙酯為單體的共聚物分散劑[9]，用于農(nóng)藥吡蚜酮，發(fā)現(xiàn)都具有良好的分散性能。在總結(jié)之前實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上合成出9種不同結(jié)構(gòu)的聚羧酸鹽類分散劑，研究其理化性質(zhì)，為其應(yīng)用提供有價(jià)值的理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與實(shí)驗(yàn)儀器

化學(xué)試劑：苯乙烯（St）、甲基丙烯酸（MAA）、丙烯酸羥乙酯（HEA）、丙烯酸羥丙酯（HPA）、乙烯基磺酸鈉（VS）、甲苯、液體石蠟、鄰二氯苯，均為化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；戊唑醇，純度97.6%，江蘇省常州市豐登農(nóng)藥廠。

實(shí)驗(yàn)儀器：傅立葉變換紅外光譜儀（美國(guó)帕金埃爾默公司）、AVANCE400核磁共振波譜儀（瑞士Bruker Biospin公司）、全自動(dòng)表面張力儀（上海衡平儀器儀表廠）、JSM-6010系列SEM掃描電子顯微鏡（日本電子公司）、FD-1A-50型冷凍干燥機(jī)（上海三新儀器儀表有限公司）、FA25高剪切分散乳化劑（上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司）。

1.2 聚合物分散劑的制備與表征

1.2.1 共聚物分散劑的制備

通過(guò)水相自由基聚合方法[10]，合成所要求的9種分散劑。將聚合物分散劑純化、冷凍干燥后做核磁、紅外表征。

1.2.2 聚合物分散劑物理化學(xué)參數(shù)測(cè)定與計(jì)算

采用乳化法[11]測(cè)定分散劑的親水親油平衡值（HLB值）；通過(guò)白金板法[12]測(cè)定分散劑的臨界膠束濃度（CMC值）。

根據(jù)表面張力-濃度對(duì)數(shù)曲線，利用吉布斯吸附公式[13]計(jì)算得到臨界膠束濃度時(shí)空氣-水界面上的表面過(guò)剩量（ΓCMC：mol/m2）以及分散劑在界面上的分子占有面積（ACMC：nm2/mol）。

1.2.3 聚合物分散劑乳化能力的測(cè)定

根據(jù)乳化后油水兩相的分層時(shí)間來(lái)判斷乳化能力的強(qiáng)弱[12]。

1.3 戊唑醇水懸浮劑的制備與性能評(píng)價(jià)

稱取合成分散劑5 g、乙二醇5 g、去離子水46 g于砂磨容器中，攪拌待分散劑完全溶解后加入39 g戊唑醇原藥（97.6%）、100 g直徑為1.2mm的氧化鋯珠，研磨1.5～2 h，觀察粒徑小于5μm后，制得430 g/L戊唑醇水懸浮劑。

水懸浮劑懸浮率的測(cè)定參照GB/T 14825—2006農(nóng)藥懸浮率測(cè)定方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物分散劑的制備及篩選

由表1可以看出，使用9個(gè)分散劑樣品濕法研磨得到的戊唑醇水懸浮劑，經(jīng)過(guò)測(cè)定熱貯前后懸浮率，樣品1、2、3、6在熱貯后未發(fā)生固化現(xiàn)象，表明其單體配比比較合適，分散性能較佳。樣品2、3、6是在苯乙烯/甲基丙烯酸比例相同的條件下，分別加入了等摩爾的丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥丙酯和乙烯基磺酸鈉，制備而得的3種分散劑，其研磨得到的戊唑醇水懸浮劑的懸浮率比樣品1均有所提高。我們將單獨(dú)討論這4種分散劑的理化性質(zhì)。

表1 分散劑基本數(shù)據(jù)及性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 聚合物分散劑的核磁和紅外表征（見(jiàn)表2）

2.3 分散劑表面張力與濃度關(guān)系曲線

由圖1可以看出分散劑的加入可以顯著降低水的表面張力，分散劑濃度大于臨界膠束濃度后，由于疏水性鏈段朝向膠束內(nèi)部，阻止了自由能的進(jìn)一步增加，因而表面張力的變化不再明顯。

表2 制備的離子型聚合物分散劑的紅外和核磁結(jié)構(gòu)表征

圖1 表面張力與分散劑濃度關(guān)系曲線

表3列出了合成分散劑的CMC值、CMC濃度下的表面張力值、最大表面過(guò)剩濃度和分散劑在空氣-水界面上的分子占有面積等。CMC值大小順序?yàn)?＞1＞2＞3，分散劑分子親水性的增加導(dǎo)致了CMC值的增大。此外，分子占有面積隨著親水性的增強(qiáng)而增加。

表3 分散劑溶液在25℃下的表面性質(zhì)

2.4 分散劑乳化能力（見(jiàn)表4）

表4 分散劑的乳化能力

表面活性劑的HLB值決定了它的特殊功能。如HLB值介于4～8之間的表面活性劑可以作為消泡劑，HLB值介于12～16之間的表面活性劑可以作為O/W型乳化劑，HLB值介于16～20之間的表面活性劑適合做增溶劑。自制表面活性劑的HLB值已通過(guò)乳化法測(cè)定，于表1中列出，1、2、3、6號(hào)分散劑的乳化能力已列于表4中。數(shù)據(jù)表明它們都有著較強(qiáng)的乳化能力，且分層時(shí)間隨著HLB值的增大而增加。其中6號(hào)分散劑（HLB=15.8）顯示出最強(qiáng)的乳化能力，并且對(duì)液體石蠟乳化能力最佳。

3 結(jié)論

以苯乙烯、甲基丙烯酸、丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥丙酯和乙烯基磺酸鈉為單體，通過(guò)水相自由基聚合制備出9種不同結(jié)構(gòu)的聚羧酸鹽類分散劑，并通過(guò)核磁、紅外進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。測(cè)定HLB值以及CMC值，并將其應(yīng)用于430 g/L戊唑醇水懸浮劑，比較熱貯前后懸浮率的變化，篩選出性能優(yōu)良的4種分散劑。通過(guò)理論計(jì)算分散劑在空氣-水界面上的物理化學(xué)參數(shù)以及乳化能力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)6號(hào)分散劑由于結(jié)合了羧酸根和磺酸根的優(yōu)勢(shì)，使其具有最大的分子占有面積和最佳的乳化能力。

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Synthesis and Performance Study of Polycarboxylate Dispersant

Ma Yanfeng Ren Tianrui

9 polycarboxylate dispersants with different structures,including copolymers,terpolymers and tetrapolymers,were synthesized with styrene(St),methacrylic acid(MAA),hydroxyethyl acrylate(HEA),hydroxypropyl acrylate (HPA)and vinyl sulfonate(VS)asmonomers.The dispersantswere applied to produce 430mg/L tebuconazole suspension concentrate,according to the change of suspension rate before and after heat storage,4 kinds of dispersantswith excellent propertieswere selected.Analyzed the criticalmicelle concentrations(CMC),the surface activity parameters under CMC and the emulsifying capacities,the results showed that the performance varied with the dispersant structures.Because of the advantages combination of carboxylate group and sulfonate group,the dispersant synthesized with St,MAA and VS as monomers had good application effect,meanwhile,it had themaximum molecular occupied area on the air-water interface and the optimal emulsifying capacity.

Polycarboxylate dispersant;Tebuconazole;Heat storage;Emulsification

TQ 314.255

2013年12月

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：21172147），國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：2006AA100204）

馬衍峰 男 1987年生 高分子化學(xué)與物理專業(yè)碩士研究生