倪卓,莫少妮,郭震,朱龍暉,曾珊,肖陽(yáng)
1)深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,廣東深圳 518071;2)深圳飛揚(yáng)駿研新材料股份有限公司,廣東深圳 518101
聚脲(polyurea,PUA)由多異氰酸酯和多元胺通過縮聚反應(yīng)合成[1-2],具有防水、防腐、抗沖擊和耐磨等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用范圍十分廣泛[3-7].目前,PUA的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究方法包括差示掃描量熱法(differential scanning calorimeter,DSC)、傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,F(xiàn)TIR)法和pH 數(shù)值模擬法[8-9]等.采用非等溫DSC法將六亞甲基二異氰酸酯三聚體(hexamethylene diisocyanate trimer,3HDI)和惡唑烷類潛伏性固化劑混合均勻后,以不同升溫速率進(jìn)行DSC 測(cè)試,通過Kissinger 法和Crane 方程計(jì)算得到聚脲反應(yīng)的活化能和反應(yīng)級(jí)數(shù)[10-11].將4,4′-二苯甲烷二 異 氰 酸 酯(4,4'-diphenylmethane diisocyanate,MDI)和酰胺擴(kuò)鏈劑的N,N-二甲基甲酰胺(N,Ndimethylformamide,DMF)溶液涂抹在溴化鉀片上,跟蹤特征峰隨時(shí)間的變化關(guān)系,其中,異氰酸根基團(tuán)(—NCO)和氨基基團(tuán)(—NH2)的摩爾比為1∶1,根據(jù)朗伯比爾定律計(jì)算得到聚脲反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)[12].芳香族異氰酸酯(甲苯二異氰酸酯和MDI等)或部分脂肪族異氰酸酯(異佛爾酮二異氰酸酯和HDI等),低分子質(zhì)量胺擴(kuò)鏈劑(乙二胺、二乙烯三胺和三乙烯四胺(triethylenetetramine,TETA)等)或端氨基聚醚反應(yīng)合成聚脲時(shí),反應(yīng)不需要催化劑,在極短的時(shí)間內(nèi)就可以完成,在常溫甚至低溫時(shí)也能快速固化[13-15].但是反應(yīng)速率過快對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量聚脲合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)造成了困難. 本研究采用pH 數(shù)值模擬法計(jì)算甲苯二異氰酸酯(toluene diisocya?nate,TDI)和TETA反應(yīng)生成聚脲的動(dòng)力學(xué)參數(shù),并采用FTIR法驗(yàn)證pH數(shù)值模擬法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以期為聚脲動(dòng)力學(xué)研究提供一種操作方便、測(cè)量準(zhǔn)確的新途徑.
試劑:植物油(食品級(jí))購(gòu)自中糧新沙糧油工業(yè)(東莞)有限公司;辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)購(gòu)自無(wú)錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司;Tween-80(化學(xué)純)購(gòu)自廣東光華化學(xué)有限公司;Span-80(化學(xué)純)購(gòu)自西隴科學(xué)股份有限公司;甲苯二異氰酸酯(toluene diisocyanate,TDI,化學(xué)純)購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司;TETA(化學(xué)純)購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)股份有限公司;N,N-二甲基乙酰胺(化學(xué)純)購(gòu)自麥克林生化科技有限公司;溴化鉀(KBr,光譜級(jí))購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司.
儀器:DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器購(gòu)自鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;JJ-1電動(dòng)攪拌器購(gòu)自金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠;PHS-3C 型酸度計(jì)購(gòu)自上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;DMLP 光學(xué)顯微鏡購(gòu)自德國(guó)Leica 儀器有限公司;傅里葉紅外光譜儀購(gòu)自日本島津企業(yè)管理(中國(guó))有限公司.
微膠囊合成方法主要有界面聚合法和原位聚合法等[16-17].PUA微膠囊采用界面聚合法,將異氰酸酯(或預(yù)聚體)和多元胺分別溶于油相和水相中,二者分別向油水界面處擴(kuò)散并發(fā)生聚合反應(yīng)形成聚脲外殼[18-19].假定含有單體TDI 的有機(jī)相以直徑為d的液滴形式分散在水相中,研究聚合物層的擴(kuò)散與界面反應(yīng)對(duì)聚脲反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響.假定只有親水性單體TETA 的未質(zhì)子化形式可以擴(kuò)散到聚合物相中,與單體TDI進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)式為
其中,H=ct(H+)/c0(H+),為t時(shí)刻的H+濃度與初始時(shí)刻H+濃度的比值;p為擬合常數(shù).
通常微膠囊壁厚比半徑小得多,因此可忽略微膠囊曲率以平面表示PUA 在界面的合成反應(yīng)過程,如圖1.
根據(jù)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)條件可知,得到函數(shù)fk(H)與H的關(guān)系方程.
聚脲反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程為
用紅外光譜跟蹤反應(yīng)過程中聚脲特征峰隨時(shí)間的變化(掃描間隔為60 s),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),TETA分子中伯氨基特征峰逐漸變?nèi)?根據(jù)朗伯-比爾 定 律:D(TETA) =ε(TETA)bc(TETA).其 中,D(TETA)為TETA的光密度;b=1 cm,為溶液吸收層厚度;ε(TETA)為TETA 摩爾吸光系數(shù),單位:L/(mol·cm). 可通過特征峰面積計(jì)算不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)化率Xt.
其中,c0(TETA)和ct(TETA)分別為初始時(shí)刻和t時(shí)刻TETA的濃度;S0(TETA)和St(TETA)分別為初始時(shí)刻和t時(shí)刻特征峰峰面積.
根據(jù)特征峰峰面積的變化,按照0 級(jí)反應(yīng)、1級(jí)反應(yīng)和2 級(jí)反應(yīng),以1 -Xt、ln(1 -Xt)和1/(1 -Xt)對(duì)時(shí)間t作圖,并擬合成直線,相關(guān)系數(shù)最高的直線模型對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)為反應(yīng)級(jí)數(shù),通過直線斜率得到反應(yīng)速率常數(shù)K.由阿倫尼烏斯方程(10)確定活化能E,以lnK對(duì)1/T作圖,線性擬合后通過斜率計(jì)算得到活化能.
其中,A為指前因子;R為摩爾氣體常數(shù);T為反應(yīng)的熱力學(xué)溫度.
1)TETA標(biāo)準(zhǔn)溶液配制
在500 mL 容量瓶中配置濃度為0.1 mol/L 的TETA 溶液,以甲基橙為指示劑,用0.1 mol/L 的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定.使用移液槍精確量取上述標(biāo)準(zhǔn)TETA溶液稀釋,在500 mL容量瓶中分別配置濃度為0.1、0.5、1.0、5.0 和10.0 mmol/L 的TETA 溶液待用.
2)乳液pH值測(cè)定
在25 ℃下,準(zhǔn)確稱取3 種乳化劑:2.50 g OP-10、2.50 g Tween-80 和2.50 g 復(fù)合乳化劑(1.25 g Tween-80+1.25 g Span-80),加入含有95.00 g不同濃度TETA溶液的250 mL三口燒瓶中,400 r/min下攪拌使其溶解,然后加入5.00 g植物油乳化5 min,插入pH計(jì)待讀數(shù)穩(wěn)定后,記錄乳液pH值.每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次.另外,在5、35 和45 ℃重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),測(cè)量不同溫度下含Tween-80 + span-80 復(fù)配乳化劑的乳液pH值.
3)聚脲反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究方法
分別稱取Tween-80 和Span-80 各1.25 g,溶解于含90 mL蒸餾水的250 mL三頸圓底燒瓶中,記為乳液1.稱量0.348 3 g TDI 和5.00 g 植物油于燒杯中混合并攪拌均勻,作為油相待用.稱量0.292 4g TETA 溶于5 mL 蒸餾水中,用蓋子蓋好待用,其中,n(TDI)∶n(TETA)= 1∶1.在25 ℃水浴下,將油相加入乳液1中,混合物以400 r/min的攪拌速度乳化5 min,形成水包油乳液,然后插入pH計(jì),并將TETA溶液快速滴加到乳液系統(tǒng)中,TDI和TETA在油-水界面反應(yīng),每隔10 s記錄乳液pH值,直至讀數(shù)基本不變. 在5、35和45 ℃的條件下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn).
將TDI 和TETA 溶于N,N-二甲基乙酰胺溶劑中,配置成等濃度溶液,取相同體積的TDI溶液和TETA 溶液均勻混合后立即涂抹在KBr 片上,每隔60 s 記錄紅外光譜曲線. 掃描范圍為4 000~400 cm-1,共掃描16次.
不考慮TDI,使用已知濃度的TETA 溶液,研究OP-10、Tween-80 以及Tween-80 + Span-80 復(fù)配乳化劑(m(Tween-80)∶m(Span-80)=1∶1)3種乳化劑的pH值與TETA濃度的關(guān)系,在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下繪制pH-c(TETA)曲線,見圖2.
圖2 25 ℃下3種乳化劑pH值隨c(TETA)變化Fig.2 pH value as a function of c(TETA)for solutions containing three different emulsifiers at 25 ℃.
圖3 為不同反應(yīng)溫度(θ)下Tween-80+Span-80復(fù)配乳液的pH-c(TETA)擬合曲線,擬合函數(shù)為y=a·c(TETA) +b,擬合結(jié)果見表1.由圖3 可見,在不同反應(yīng)溫度下,Tween-80 + Span-80 復(fù)配乳液的pH-c(TETA)擬合直線具有較好的線性關(guān)系.
圖3 不同溫度下Tween-80+Span-80復(fù)配乳液的pH-c(TETA)曲線Fig.3 pH versus c(TETA)for Tween-80 and Span-80 compound emulsion at different temperatures.
表1 pH-c(TETA)曲線的擬合結(jié)果Table 1 Fitting parameters of pH-c(TETA)curves
通過測(cè)定不同溫度下Tween-80 + Span-80 復(fù)配乳液的PUA 合成體系中c(TETA)隨c(H+)的變化,根據(jù)c(TETA) =A?c(H+)-p可計(jì)算得到不同溫度下的A?和p,其中,A?為擬合常數(shù). 結(jié)果見表2.
表2 不同溫度下式(11)擬合參數(shù)A?和pTable 2 Fitting parameters A?and p of equation(11)at different temperatures
本研究中所有實(shí)驗(yàn)乳化條件相同,微膠囊尺寸基本保持相同,固定油水兩相體積比,研究反應(yīng)溫度對(duì)TDI 和TETA 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響.根據(jù)不同反應(yīng)時(shí)間測(cè)得體系pH值,分別繪制H、X與反應(yīng)時(shí)間t的關(guān)系曲線,如圖4 和圖5 所示.由圖4 和圖5 可見,在聚脲合成反應(yīng)過程中,隨時(shí)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),體系的H值增加,單體TETA 轉(zhuǎn)化率X在前期快速增加,后期變化較小或趨于穩(wěn)定.
圖4 H-t曲線Fig.4 H-t curves.
圖5 X-t曲線Fig.5 X-t curves.
當(dāng)n(TDI)∶n(TETA)= 1 時(shí),通過式(5)和式(6)可分別得到fk(H)和fD(H)隨反應(yīng)時(shí)間t的變化關(guān)系曲線(圖6和圖7).由圖6可見,fk(H)值隨t的延長(zhǎng)而增加,對(duì)fk(H)與t關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合,通過fk(H)與t擬合直線的斜率可得到TETA 與TDI 的界面反應(yīng)速率常數(shù)K.隨反應(yīng)溫度升高,擬合直線的斜率越大,表明界面K越高.由圖7可見,fD(H)值隨著t延長(zhǎng)而增加.對(duì)fD(H)與t進(jìn)行線性擬合,根據(jù)fD(H)與t的關(guān)系曲線的斜率得到擴(kuò)散系數(shù)DB.隨反應(yīng)溫度越高,擬合直線的斜率越大,表明單體TETA 的擴(kuò)散系數(shù)越高,K和DB結(jié)果見表3.由表3可見,K和DB在置信區(qū)間內(nèi)數(shù)值模擬可靠性較高.
圖6 不同溫度下fk(H)-t的關(guān)系Fig.6 Relationship between fk(H)and t at different temperatures.
圖7 不同溫度下fD(H)-t關(guān)系Fig.7 Relationship between fD(H)and t at different temperatures.
表3 不同反應(yīng)溫度下PUA微膠囊界面K、DB及誤差Table 3 Interfacial reaction rate constant K, diffusion coefficient DB and error at different temperatures
根據(jù)式(10),以lnK對(duì)1/T作圖(圖8),擬合直線斜率求出反應(yīng)的活化能.從圖8可見,lnK和1/T具有良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.96,活化能為78 kJ/mol.
圖8 pH數(shù)值模擬法求得ln K和1/T的關(guān)系Fig.8 Relationship between ln K and 1/T pH given by numerical simulation method.
25 ℃時(shí)PUA 紅外特征峰隨時(shí)間的變化如圖9,由圖9 可見,反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)峰面積越小[11],表明TETA與TDI反應(yīng)體系中的—NH2隨反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)延長(zhǎng)而不斷減少,按照2 級(jí)反應(yīng)做1/(1 -Xt)和t關(guān)系圖,擬合成直線,相關(guān)系數(shù)R2=0.96,表明合成聚脲反應(yīng)為2級(jí)反應(yīng).以不同反應(yīng)溫度下的lnK對(duì)1/T作圖,如圖10 和圖11 所示,擬合直線的相關(guān)系數(shù)為0.98,活化能為88 kJ/mol.
圖9 不同反應(yīng)時(shí)間下的PUA紅外吸收光譜Fig.9 FTIR of PUA at different reaction time.
圖10 聚脲合成2級(jí)反應(yīng)的線性擬合Fig.10 Linear fitting of polyurea secondary synthesis reaction.
圖11 紅外光譜法求得ln K和1/T的關(guān)系Fig.11 Relationship between ln K and 1/T given by FTIR.
采用pH 數(shù)值模擬法和紅外光譜法測(cè)定聚脲反應(yīng)速率常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和活化能等動(dòng)力學(xué)參數(shù).結(jié)果發(fā)現(xiàn),通過pH 值模擬法測(cè)得聚脲反應(yīng)活化能為78 kJ/mol,通過FTIR 法測(cè)得聚脲反應(yīng)活化能為88 kJ/mol,兩種方法得到的活化能相近.其中,利用pH 值模擬法計(jì)算聚脲反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)操作簡(jiǎn)便,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,為聚脲動(dòng)力學(xué)研究探尋了一種具有可行性的新途徑.