廢棄EPS泡沫塑料制備苯丙乳液及性能研究

殷海波，黃　健，牛寅龍，稂合清（.水利部長(zhǎng)江科學(xué)院工程質(zhì)量檢測(cè)中心，湖北武漢43000；.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070）

廢棄EPS泡沫塑料制備苯丙乳液及性能研究

殷海波1，黃健2，牛寅龍2，稂合清2
（1.水利部長(zhǎng)江科學(xué)院工程質(zhì)量檢測(cè)中心，湖北武漢430010；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070）

采用廢棄EPS泡沫塑料取代部分苯乙烯（St）單體制備苯丙乳液，研究廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)苯丙乳液性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)廢棄EPS泡沫塑料摻量為30%時(shí)，苯丙乳液的穩(wěn)定性較好、180 min時(shí)的轉(zhuǎn)化率為88.2%、凝膠率為5.2%、平均粒徑為0.48 μm，且粒徑分布集中。通過紅外圖譜分析得出，St、BA、AA都參與了聚合反應(yīng)，廢棄EPS泡沫塑料的加入對(duì)合成苯丙乳液的結(jié)構(gòu)組成改變不大。

廢棄EPS泡沫塑料；苯丙乳液；制備；性能

0　引言

聚苯乙烯（EPS）泡沫由于密度小、質(zhì)輕、保溫隔熱性能好、安裝方便，被廣泛用于各種建筑物及冷庫(kù)的保溫隔熱層和一次性使用的包裝材料［1］，但是這類制品由于用后即棄，形成的垃圾不僅數(shù)量巨大而且不便回收，更不能自行降解［2］，對(duì)環(huán)境造成白色污染。

傳統(tǒng)的苯丙乳液制備方法是用苯乙烯部分或者全部取代甲基苯烯酸甲酯與丙烯酸正丁酯、甲基苯烯酸等單體反應(yīng)［3］。本文采用廢棄EPS泡沫塑料部分取代苯乙烯制備苯丙乳液，一方面可以減少?gòu)U棄EPS泡沫塑料對(duì)環(huán)境造成的白色污染，實(shí)現(xiàn)廢棄物循環(huán)再利用，另一方面也降低苯丙乳液的生產(chǎn)成本。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1主要原料與儀器設(shè)備

廢棄的EPS泡沫塑料：工業(yè)、生活產(chǎn)生的廢棄物；苯乙烯（St）、丙烯酸正丁酯（BA）、丙烯酸（AA），均為分析純；乳化劑：壬基酚聚氧乙烯醚（OP-10）、十二烷基硫酸鈉（SDS），均為分析純；引發(fā)劑：過硫酸銨［（NH4）2S2O4］，分析純；緩沖劑：碳酸氫鈉［NaHCO3］、氨水［NH3·H2O］，均為實(shí)驗(yàn)室自配溶液；保護(hù)膠體：聚乙烯醇（PVA），分析純；去離子水，自制。

80 W微型超聲波分散儀；JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器；電熱套、500 mL四口燒瓶、量程100℃精密溫度計(jì)、PHS-3C pH計(jì)、冷凝管、恒壓滴液漏斗；RISE-2008型激光粒度分析儀，濟(jì)南潤(rùn)之科技有限公司；FTS2000傅立葉變換紅外光譜儀，美國(guó)熱電尼高力公司（Thermo Nicolet）。

1.2制備苯丙乳液的基本實(shí)驗(yàn)配比

制備苯丙乳液軟硬單體的比例為1∶1，其中用廢棄EPS取代部分苯乙烯，取代比例分別為0、10%、20%、30%、40%、50%，乳化劑以非離子型和陰離子型乳化劑OP-10與SDS按1∶1質(zhì)量比復(fù)配，具體配合比見表1。

表1　制備苯丙乳液的試驗(yàn)配比g

1.3苯丙乳液的制備工藝

（1）廢棄EPS泡沫塑料的溶解、分散

稱取一定質(zhì)量的廢棄EPS泡沫塑料，放入燒杯，然后稱取苯乙烯和丙烯酸正丁酯單體溶液倒入燒杯中，密封，用超聲波分散儀分散，并攪拌均勻，使廢棄EPS泡沫塑料均勻溶解，得到單體混合液。

（2）預(yù)乳化液的制備

將蒸餾水、乳化劑加入到三口燒瓶，開啟電熱套控制溫度為（45±2）℃，并開啟攪拌器攪拌20 min，攪拌速度為200～250 r/min，使乳化劑充分溶解，然后將步驟（1）得到的單體混合液在5 min內(nèi)全部加入到三口燒瓶中，保溫30 min，得到預(yù)乳化液備用。

（3）苯丙乳液的制備

將稱取的引發(fā)劑、緩沖劑配制成溶液，然后分別取1/2的預(yù)乳化液和1/2的引發(fā)劑溶液加入到四口燒瓶中，調(diào)整加熱套的溫度為（80±2）℃，攪拌器的攪拌速度為250～300 r/min，持續(xù)30 min，通過恒壓分液漏斗滴加剩余的預(yù)乳化液和引發(fā)劑溶液，盡量保持同時(shí)滴加完畢。繼續(xù)反應(yīng)2 h，降溫到（30± 2）℃，滴加緩沖劑溶液，調(diào)整pH值為7～9，降溫、放料即得苯丙乳液［4］。制備的苯丙乳液如圖1、圖2所示。

圖1　含10%廢棄EPS苯丙乳液的照片

圖2　含50%廢棄EPS苯丙乳液的照片

1.4性能測(cè)試與表征

乳液固含量、Ca2+穩(wěn)定性、稀釋穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性：參照GB/T 20623—2006《建筑涂料用乳液》進(jìn)行測(cè)試。

單體轉(zhuǎn)化率：取1～2 g乳液，加入適量阻聚劑對(duì)苯二酚溶液（1%）終止反應(yīng)，置于60℃烘箱中烘至恒量，聚合物凈質(zhì)量mi，實(shí)際單體質(zhì)量為m0，轉(zhuǎn)化率G=mi/m0［5］。

乳液凝膠率：乳液聚合反應(yīng)結(jié)束后，收集濾渣及反應(yīng)器、攪拌器上的凝膠物，并將乳液用100目篩網(wǎng)過濾，收集凝聚物，然后用水洗凈后放入烘箱，烘干稱重，以凝聚物占單體總質(zhì)量的百分比表示凝膠率［6］。

乳液粒徑：采用RISE-2008型激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)試。

紅外光譜分析：采用FTS2000傅立葉紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試分析。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)表1的配合比制備苯丙乳液，并對(duì)苯丙乳液的穩(wěn)定性、凝膠率、轉(zhuǎn)化率、粒徑和組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

2.1廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

表2為廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液固含量、Ca2+穩(wěn)定性、稀釋穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性的影響。

表2　廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

由表2可以看出，隨著廢棄EPS泡沫塑料摻量的增加，固含量變化不大；Ca2+穩(wěn)定性、稀釋穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性都有一定的負(fù)影響，當(dāng)廢棄EPS泡沫塑料摻量超過30%后，乳液的Ca2+穩(wěn)定性、稀釋穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性變差，逐漸出現(xiàn)絮凝的現(xiàn)象。這主要是由于隨著廢棄EPS泡沫塑料摻量的增加，在相同的反應(yīng)時(shí)間，聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但乳液的凝膠率也相應(yīng)增大。同時(shí)，由于乳液粒徑變大、粒徑范圍變廣、凝膠率變大，導(dǎo)致廢棄EPS泡沫塑料摻量增加到一定值后，乳液的Ca2+穩(wěn)定性、稀釋穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性不佳。

2.2廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液凝膠率的影響

廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液凝膠率和黏度的影響見圖3。

圖3　廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液凝膠率和黏度的影響

由圖3可以看出：

（1）隨著廢棄EPS泡沫塑料摻量的增加，乳液凝膠率呈增大趨勢(shì)，并且增大的速率很快。摻量為50%時(shí)，乳液凝膠率接近10%，為未摻廢棄EPS泡沫塑料乳液的凝膠率的8倍左右。

（2）隨著廢棄EPS泡沫塑料摻量的增加，乳液黏度增大。在摻量小于20%時(shí)，增加的趨勢(shì)相對(duì)緩慢，摻量大于20%，增加的趨勢(shì)較快。

這是因?yàn)?，廢棄EPS泡沫塑料是通過溶解的方式加入到反應(yīng)單體中參與反應(yīng)，溶解EPS泡沫塑料后的反應(yīng)單體溶液變稠，粒徑和分子質(zhì)量增大，使乳液的黏度增加。溶解后的廢棄EPS泡沫塑料分子與分子之間的碰觸機(jī)會(huì)增加，相互易發(fā)生交聯(lián)，粒子易發(fā)生聚結(jié)，導(dǎo)致凝聚率增大。

2.3廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液轉(zhuǎn)化率的影響

（見圖4）

圖4　廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液轉(zhuǎn)化率的影響

由圖4可以看出：

（1）當(dāng)廢棄EPS泡沫塑料摻量小于30%時(shí)，在相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率變化不大；但當(dāng)廢棄EPS泡沫塑料摻量大于30%時(shí)，隨著廢棄EPS泡沫塑料摻量的增加，在相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率呈逐漸減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楫?dāng)廢棄EPS泡沫塑料摻量大于30%時(shí)，聚合反應(yīng)中單體的濃度下降，反應(yīng)單體分子與分子之間碰觸的機(jī)會(huì)減少，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低。

（2）隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率逐漸增大。反應(yīng)時(shí)間在150 min以內(nèi)時(shí)，聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率從0增大到90%左右；但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于150 min時(shí)，聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率增大不明顯，基本維持在90%左右，也就是說整個(gè)乳液聚合的反應(yīng)時(shí)間為150～180 min，基本到達(dá)終點(diǎn)。

2.4廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液粒徑的影響

（見圖5）

圖5　廢棄EPS泡沫塑料摻量對(duì)乳液粒徑的影響

由圖5可以看出，隨著廢棄EPS泡沫塑料摻量的增加，乳液的平均粒徑增大。當(dāng)摻量為50%時(shí)，乳液的平均粒徑達(dá)到0.94 μm，為未摻廢棄EPS泡沫塑料時(shí)平均粒徑（0.16 μm）的5倍以上；摻量為30%時(shí)，乳液的平均粒徑較為適中，為0.48 μm。并且廢棄EPS泡沫塑料摻量越多，乳液的粒徑分布范圍越寬，乳液的穩(wěn)定性越低［7］。這是因?yàn)?，添加廢棄EPS泡沫塑料后，混合單體變得更稠，黏度增大，在聚合反應(yīng)過程中，乳液液滴不容易充分被剪切分散、隔離。隨著廢棄EPS泡沫塑料摻量的增加，黏度增大，分散更難，凝膠率也增加，并且在反應(yīng)過程中分子與分子之間的聚合會(huì)使乳膠膠粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致乳液的粒徑增大，粒徑分布越寬。

2.5紅外光譜分析

圖6為廢棄EPS泡沫塑料摻量分別為0、30%和50%時(shí)所制備乳液的IR圖譜。

圖6　不同廢棄EPS泡沫塑料摻量苯丙乳液的紅外圖譜

由圖6可以看出，3450 cm-1處是丙烯酸的—OH伸縮振動(dòng)吸收峰，3050、3025 cm-1處對(duì)應(yīng)于芳環(huán)和不飽和的C—H伸縮振動(dòng)吸收峰，2962、2926、2872、2853 cm-1處出現(xiàn)的4個(gè)峰分別為—CH3、—CH2的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和伸縮振動(dòng)吸收峰，1730 cm-1處的吸收峰為C=O的伸縮振動(dòng)［8］，1600、1450 cm-1處的峰為苯環(huán)中—C=C—伸縮振動(dòng)吸收峰，在1000～1300 cm-1的吸收峰為2個(gè)相鄰的醚鍵吸收峰，即為—C—O—C—的對(duì)稱伸縮吸收峰，760 cm-1處是苯環(huán)上C—H的面外彎曲吸收峰，702 cm-1處苯環(huán)的面外振動(dòng)。在1642cm-1處沒有吸收峰，說明乳液中沒有C=C存在，同時(shí)說明，廢棄的EPS泡沫塑料溶解成苯乙烯溶液，St、BA、AA都參與了聚合反應(yīng)，生成了苯丙乳液。

3　結(jié)論

（1）隨著廢棄EPS泡沫塑料摻量增加，乳液的固含量、Ca2+穩(wěn)定性、稀釋穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性均有一定的變化，當(dāng)摻量超過30%時(shí)，乳液的穩(wěn)定性變差，逐漸出現(xiàn)絮凝的現(xiàn)象。

（2）聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，乳液的凝膠率和乳液的粒徑均隨著廢棄EPS摻量的增加而增大，并且粒徑的分布范圍變寬。

（3）經(jīng)紅外光譜分析可知，St、BA、AA都參與了聚合反應(yīng)，生成了苯丙乳液，廢棄EPS泡沫塑料的加入對(duì)合成乳液的結(jié)構(gòu)組成改變不大。

（4）當(dāng)廢棄EPS的摻量為30%時(shí)，制備的苯丙乳液穩(wěn)定性較好，反應(yīng)180 min時(shí)的轉(zhuǎn)化率為88.2%，凝膠率為5.2%，平均粒徑為0.48 μm，且粒徑集中分布?？紤]到廢棄EPS的利用率問題，摻量為30%時(shí)綜合較優(yōu)。

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Preparation and performance of styrene acrylic emulsion using waste EPS foam

YIN Haibo1，HUANG Jian2，NIU Yinlong2，LANG Heqing2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute of Engineering Quality Inspection Center with Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，Hubei，China；2.State Key Laboratory for Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）

This paper adopted the wasted EPS foam to substitute part of styrene（St）to synthesize styrene-acrylic emulsion，studied the effect of EPS foam content on performance of styrene-acrylic emulsion.The results showed when the amounts of the wasted EPS foam is 30%，the mechanical stability is better，the conversion rate is 88.2%with 180min，gelration rate is 5.2%，average particle size is 0.48 μm.Infrared spectrum results showed that incorporation of EPS did not change the chemical composition of the styrene-acrylic emulsion，and styrene，butyl acrylate，acrylic acid are all involved in the polymerization reaction.

wasted EPS foam，styrene-acrylic emulsion，preparation，performance

TQ331.4；TU522.09

A

1001-702X（2015）12-0070-04

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAJ04B02）

2015-05-26；

2015-07-07

殷海波，男，1987年生，湖北黃崗人，碩士，助理工程師，研究方向：材料學(xué)。