共混表面活性劑對分散PTFE乳液穩(wěn)定性影響

田仁平，李 平，劉 頻，王曉妹

（浙江巨圣氟化學有限公司，浙江 衢州 324004）

0 前言

PTFE分散乳液是四氟乙烯在以水為介質(zhì)、全氟辛酸為分散劑的條件下，通過自由基聚合得到的乳液。聚合乳液經(jīng)過濃縮并加入一定量的穩(wěn)定劑（表面活性劑）獲得固含量60%±2%的標準乳液。PTFE乳液的主要加工方法包括浸漬、噴涂、紡絲和薄膜澆鑄等。

在PTFE分散乳液加工領(lǐng)域中，乳液本身的pH值、穩(wěn)定性、粘度、臨界開裂厚度等性能，對分散液加工配方與制品應(yīng)用影響很大。PTFE乳液中非離子表面活性劑作為乳液的穩(wěn)定劑[1-2]，其能夠防止分散液凝聚、穩(wěn)定PTFE分散液，同時能增進分散液的潤濕性和調(diào)節(jié)粘度。無論PTFE乳液采用浸涂、輥涂還是噴涂的加工方法，提高分散液的穩(wěn)定性有利于PTFE乳液加工與應(yīng)用。

本文針對PTFE乳液在加工過程中出現(xiàn)的干裂、團聚、噴涂過程中容易堵塞噴頭等問題，研究了添加陰離子表面活性劑對共混表面活性劑的濁點影響，并測試PTFE乳液與共混表面活性劑三元體系的熱穩(wěn)定性與抗剪切穩(wěn)定性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

研究共混表面活性劑濁點對PTFE乳液熱穩(wěn)定性以及抗剪切性能的影響，本實驗中選取了兩種陰離子表面活性劑和兩種非離子表面活性劑，采用分析儀器進行探究。具體的實驗原料及儀器說明如表1所示。

1.2 試樣制備

共混表面活性劑制備：將粉末狀的S1、S2助劑與Tx-100TMN-12按照質(zhì)量分數(shù)比為1∶1000、3∶1000、5∶1000 以及 10∶1000 的比列，配置成共混表面活性劑試樣。

PTFE乳液與共混表面活性劑三元體系制備：將質(zhì)量分數(shù)為1%的共混表面活性劑加入到PTFE分散乳液中，充分攪拌均勻后在19℃下恒溫保持24 h，再進行相關(guān)性能測試。

1.3 測試與表征

共混表面活性劑濁點檢測：利用自動傾點濁點測試儀對共混表面活性劑進行濁點檢測。

表1 試驗材料以及規(guī)格型號Table 1 The test materials and specifications

熱穩(wěn)定性測試：將含有共混表面活性劑的PTFE乳液，從19℃的恒溫環(huán)境中取出，并在恒溫水浴鍋中加熱到60℃，保持溫度，記錄PTFE乳液產(chǎn)生相分離需要的時間。

抗剪切穩(wěn)定性能測試：向含有共混表面活性劑的PTFE乳液中，加入一定比例的破乳劑-Regent。利用機械破乳原理，在高速攪拌下，記錄PTFE乳液破乳時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 陰離子表面活性劑對濁點影響

將非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑按照一定的比例共混，測得共混二元體系的濁點。 結(jié)果如圖 1所示，從圖 1（a）（b）曲線可以看出，無論是陰離子表面活性劑S1還是S2與非離子表面活性劑TX-100TMN-12共混后，濁點都有所提升；在同一比例下，S2與TX-100TMN-12共混后測得的濁點比S1與TX-100TMN-12共混測得的濁點約提高2℃。

圖1 添加0.2%的陰離子表面活性劑與非離子表面活性劑共混濁點Figure1 the cloud point of 0.2%anionic surfactant blending with non-ionic surfactant-alloying binary system

根據(jù)Schott[3]的研究結(jié)果，加入的S1、S2陰離子表面活性劑中所含陽離子具有絡(luò)合作用，即醚中的氧所提供的弧對電子能填入金屬離子的空軌道形成絡(luò)合物，大大增強了極性基的親水性，從而使二元共混體系的表面活性劑濁點升高。此外，從物理的角度來講，加入的兩種陰離子表面活性劑與TMN-12或TX-100不相容，兩項共混體系的濁點高于純組份物質(zhì)。

對于加入S2陰離子表面活性劑的共混體系濁點高于與S1共混的二元體系的解釋歸于Hofmeister[4]感膠離子序理論-在陽離子相同的表面活性劑中，S2中的SO42-感膠離子數(shù)要比S1中感膠離子數(shù)低，陰離子感膠離子數(shù)越大，臨界濃度也越大，非離子表面活性劑的濁點變化量越小。因而含SO42-的陰離子表面活性劑與非離子表面活性劑共混形成的二元體系濁點稍微高于含共混表面活性劑。

2.2 陰離子表面活性劑濃度對共混體系濁點影響

在非離子表面活性劑TX-100中加入不同質(zhì)量分數(shù)的陰離子表面活性劑S1、S2，經(jīng)發(fā)現(xiàn)共混二元體系的濁點隨著陰離子表面活性劑濃度的提升顯著增加。從圖2中可以看出，在加入質(zhì)量分數(shù)為10‰的陰離子表面活性劑前，S1與TX-100共混體系的濁點升高速率比S2與TX-100共混體系緩慢，這也符合感膠離子序理論。到后期，共混體系的濁點隨著陰離子表面活性劑質(zhì)量分數(shù)提升，緩慢變化甚至不變。

這是因為在NS中加入陰離子表面活性劑，兩者形成了混合膠束。當陰離子表面活性劑含量低時，陰離子表面活性劑插入到NS膠束界面膜內(nèi)，膠束表面電荷密度增大，濁點升高。隨著陰離子表面活性劑質(zhì)量分數(shù)不斷提升，在未達到臨界最低濃度之前，濁點都是升高的，達到之后，共混體系的濁點，保持平穩(wěn)。

2.3 共混表面活性劑對PTFE乳液熱穩(wěn)定性能影響

PTFE乳液的熱穩(wěn)定性能從側(cè)面反映了共混表面活性劑二元體系的濁點關(guān)系。PTFE乳液產(chǎn)生兩項相分離的必要條件是在表面活性劑濁點之上，進行長時間重力沉降，表面活性劑中醚基與PTFE乳液中的羥基結(jié)合從而產(chǎn)生相分離。相分離的主要影響因素為表面活性劑的濁點，在本實驗中則為陰離子表面活性劑與NS的共混二元體系濁點。

圖2 陰離子表面活性劑添加量對共混表面活性劑濁點影響Figure 2 Effect of anionic surfactant addition on cloud point of blend surfactant

在65℃的水浴鍋中，觀測加入陰離子表面活性劑的乳液發(fā)生相分離時間。從圖3的結(jié)果中可以看出，加入了陰離子表面活性劑S1、S2的乳液，經(jīng)過4 h未產(chǎn)生相分離，但未加入S1、S2助劑的乳液產(chǎn)生了明顯的相分離。繼續(xù)維持恒溫水浴鍋中的溫度，經(jīng)過24 h后，加入S1、S2助劑的PTFE乳液仍未產(chǎn)生相分離。

2.4 共混表面活性劑對PTFE乳液抗剪切穩(wěn)定性能影響

檢測PTFE乳液的抗剪切性能是研究乳液穩(wěn)定性的一種方式。穩(wěn)定性越好的PTFE乳液，在浸漬布、不粘鍋涂層、覆銅板等行業(yè)上的應(yīng)用越好，所獲得的產(chǎn)品性能相對較高。

圖3 陰離子表面活性劑對PTFE乳液熱穩(wěn)定性影響Figure 3 Effect of anionic surfactants addition on thermal stability of PTFE emulsion

在實驗中，將含有0.2%陰離子表面活性劑與PTFE乳液共混，形成陰離子表面活性劑-非離子表面活性劑-PTFE乳液的三元體系。向三元體系中加入一定量的破乳劑-Regent，在2000 r/min的機械攪拌下測試三元體系的抗剪切穩(wěn)定性 （以PTFE乳液破乳時間為準）。

從圖4（a）中的結(jié)果來看，含S1S2陰離子表面活性劑的三元PTFE乳液體系，破乳時間高于僅僅含有非離子表面活性劑的PTFE乳液；此外，加入S2的PTFE乳液三元體系破乳時間能夠達到320 min，而S1的三元體系，破乳時間為280 min，略低于S2三元體系。

圖4 共混表面活性劑對PTFE乳液抗剪切性能影響（a）0.2%、0.5%的共混表面活性劑（b）TX-100-不同比列 S2Figure4 Effect of blend surfactants on shear stability(a)non-ionic surfactant with 0.2%、0.5%anionic blended surfactant（b）TX-100 adding different portion of S2

從結(jié)果來看，穩(wěn)定性的優(yōu)劣與二元共混表面活性劑體系的濁點密不可分。共混二元體系的濁點越高，共混三元PTFE乳液體系的抗剪切時間越長，穩(wěn)定性越好。此外，陰離子表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)越高，共混三元PTFE乳液體系抗剪切性能越好。從圖4（b）結(jié)果來看，當陰離子表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)達到1%時，乳液抗剪切時間能夠提高到420 min。

3 結(jié)論

（1）在非離子表面活性劑中添加適量的陰離子表面活性劑，濁點提高。添加含硫酸根的陰離子表面活性劑，共混表面活性劑的濁點比相同條件下含苯環(huán)的共混表面活性劑濁點提高約2℃。

（2）添加了陰離子表面活性劑的PTFE乳液，抗剪切穩(wěn)定性以及熱穩(wěn)定性有所提高，隨著陰離子表面活性劑添加量增加，抗剪切穩(wěn)定性時間有所延長，當添加量達到1%時，抗剪切時間達到了420 min。

（3）表面活性劑中含硫酸根的PTFE乳液，抗剪切穩(wěn)定性時間比含苯環(huán)的PTFE乳液有一定程度的提高。