一种制备低黏度EVA乳液的方法与流程

本发明涉及一种制备低黏度EVA乳液的方法。

背景技术：

乳液聚合法生产的EVA乳液，乙酸乙烯酯(VAc)含量适中，产品具有优良的柔韧性、透明性、低温挠曲性、耐候性、耐化学药品腐蚀性及与填料和色母料的相容性。EVA乳液产品强度高、无毒环保、粘结性能优异，可用于纺织、轻工、涂料、塑料增韧、建筑用配制料、聚合物掺混涂层，橡胶改性等领域，应用广泛，其国内外需求量不断增加，近年来发展迅速。现有技术中，制备EVA乳液的方法包括在乳化剂水溶液中加入VAc单体和助乳化剂，然后加入引发剂，使乙烯与VAc单体进行共聚反应。

专利EP0373313A2描述了高固含量乙烯-乙酸乙烯酯胶乳制备过程。聚合反应乙烯压力为47.0MPa，分别在40℃和65-82℃下引发聚合，反应时间15min和3.0h。产物VAc含量为65.0-80.0wt％，产物黏度200-38000mpa.s。专利CN1302027C在40-60℃引发聚合制备高固体EVA胶乳，反应乙烯计重不计压力，反应时间10.0h，产物VAc含量75.0-99.0wt％，黏度5000mpa.s。专利CN101200518A采用双氧水-硫酸亚铁体系，分别于70-75和75-80℃两阶段阶梯控温引发聚合，乙烯反应压力9.0-10.0MPa,产物黏度3843mpa.s.以上现有技术制备得到的EVA胶乳产物黏度过高，乳胶粒子极易团聚，稳定性差，应用大大受限。

另外，专利CN102030858B分别在4.0-5.0和5.4-5.7MPa的乙烯反应压力下，在60-65和75-80℃引发聚合反应，反应时间10-15mim和1.5-3.0h。产物VAc含量54.50wt％，黏度1162mpa.s。专利CN103665241A描述了一种阳离子乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳液生产工艺，发明选用阳离子乳化剂和非离子乳化剂复配体系，产物VAc含量50.0wt％，黏度200-500mpa.s。以上现有技术制备得到的EVA乳液，产物黏度偏高，粒子易团聚，产品稳定性一般，应用范围较窄。

因此，采用现有EVA乳液聚合工艺制备得到的产品黏度高，粒子形态及乳液稳定性差，产品不易储存，应用范围受限。

技术实现要素：

本发明提供了一种制备低黏度EVA乳液的方法，其采用酮类化合物作为单体分散剂，可以显著降低产物黏度，维持粒子形态及韧性强度。得到的EVA乳液产品稳定性好，VAc含量适中，性能优异，可满足不同需求。

本发明所述的制备低黏度EVA乳液的方法，包括：

1)在乳化剂水溶液中加入第一部分的酮类化合物，得到第一混合物；

2)将第二部分的酮类化合物与VAc单体和助乳化剂混合，得到第二混合物；

3)将第一混合物与第二混合物混合，加入引发剂，使乙烯与VAc单体进行共聚反应。

在本发明的实施例中，所述酮类化合物作为单体分散剂，优选C4-C6脂肪酮，更优选丁酮。所述酮类化合物用量为VAc单体用量的5.0-45.0wt％，优选15.0-40.0wt％。第一部分与第二部分的酮类化合物的体积比为(1-10⁴):100，优选(1-100):10，最优选1:1。其中第一部分加入的酮类化合物进入胶束内部，为VAc单体提供增溶场所；第二部分加入的酮类化合物能够增溶齐聚物，降低反应小分子副产物量，同时协助单体提高其对共聚物乳胶粒子的溶胀能力，提高乳液共聚合反应效率，提高聚合物相对分子量。

在本发明的实施例中，所述乳化剂为非离子表面活性剂，优选烷基酚聚氧乙烯醚OP-10，所述乳化剂用量为VAc单体用量的0.05-20.0wt％。

在本发明的实施例中，所述助乳化剂为聚乙烯醇(PVA)，用量为VAc单体用量的1.0-10.0wt％。PVA通常是在未添加引发剂形成单体胶束时加入，以及在聚合反应中期胶粒生长阶段补加，目的都是稳定聚合体系，保持粒子形态。

在本发明的实施例中，所述引发剂为水溶性自由基引发剂，选自无机盐类引发剂、偶氮类引发剂、无机过氧化物类引发剂和无机氧化还原类引发剂中的一种，在同种引发剂中选择一种或几种配合使用。所述无机盐类引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾中的至少一种；所述偶氮类引发剂选自偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸和偶氮二异丁基脒盐酸盐中的至少一种；所述无机过氧化物类引发剂选自双氧水、过氧化钠和过氧化钾中的至少一种。所述引发剂用量为VAc单体用量的0.05-5.0wt％。

在本发明的实施例中，在步骤3)中使用碱性物质作为pH值调节剂，所述pH值调节剂选自氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钾、碳酸氢钾和碳酸钾中的至少一种，更优选为碳酸氢钠。所述pH值调节剂的用量为VAc单体用量的0.05-5.0wt％。

优选步骤1)中，将乳化剂一次性分散在水中制备得到乳化剂水溶液；步骤3)中，所述混合方式为将第二混合物一次性缓慢滴入第一混合物中。

本发明可采用单釜间歇工艺制备EVA乳液，将原料直接从釜顶通过高压计量泵泵入共聚反应釜。共聚反应条件为：反应温度为40-120℃，乙烯压力为3.0-25.0MPa，反应时间为1.5-8.0小时。反应过程的pH值控制在1.5-9.5，优选6.5-7.5。

根据本发明，得到的EVA乳液中，VAc在共聚物中的含量为30.0-95.0wt％，优选为60-90％；乳液黏度为75-160mpa.s。所述“VAc在共聚物中的含量”含义为EVA共聚物中乙酸乙烯酯对应的聚合单元的含量。

在本发明的实施例中，所述方法包括将VAc单体、引发剂、乳化剂、助乳化剂、酮类化合物、pH值调节剂和乙烯连续导入共聚反应釜中，并将共聚产物从釜中连续导出，进行产物的后续分离和处理。产物破乳提取聚合物即可进行相关聚合物性能表征。

在本发明的一个具体实施例中，对于所述单个反应器，其为共聚反应釜，其内设有搅拌机构，其上部设有用于乳化剂/助乳化剂/酮类化合物、引发剂、pH值调节剂和乙酸乙烯酯进料的液相进料口以及氮气和乙烯进料口，其下部设有出料口，连通物料除沫罐和脱气罐，物料除沫罐上部设有pH值调节剂槽和消泡剂槽。聚合全程原料和产物的加入导出均采用高压计量泵泵送。

在本发明的一个实施例中，所述搅拌机构位于共聚反应釜内部中轴线位置，由依次连接的驱动装置、传动装置、搅拌轴和搅拌桨组成。所述搅拌桨可使用锚式桨、涡轮桨、螺带桨或锚式桨与涡轮桨的复合桨组合。

在本发明的一个具体实施例中，在共聚反应釜中心纵向安装有搅拌轴，并在搅拌轴上设有桨叶，位于釜体上侧的电机通过传动机构驱动搅拌轴转动。釜体下端设有封头并在封头底部留有出料口。将原料和引发剂从液相进料口注入釜内，通氮气排氧后加入乙烯进行聚合反应，采用单釜间歇工艺。

应该理解的是，商业购买到的单体如VAc单体中通常含有阻聚剂，在进行共聚之前肯定要进行提纯，如蒸馏以除去阻聚剂。

本发明也可以在EVA聚合的同时加入其它聚合单体进行共聚。作为共聚中使用的聚合单体可列举丙烯、正丁烯、异丁烯、1-己烯、1-辛烯等烯烃。这些聚合单体的添加量配比选择在不阻碍本发明实现发明目的的范围内。

有益效果

1)本发明在现有的EVA乳液聚合工艺中，以水作为溶剂的基础上，加入酮类化合物作为单体分散剂，其对于VAc单体而言无限相溶，对于聚合物粒子则非溶。所述酮类化合物协助单体提高了其对共聚物乳胶粒子的溶胀能力和乳液共聚合反应效率，降低小分子副产物的生成量。得到的EVA乳液中聚合物相对分子量提高，乳胶粒子增大，乳液黏度降低。

2)本发明将乳化剂和助乳化剂一次性投放，操作简便，乳液产品稳定细腻，粒子形态好，贮存时间长。

3)本发明采用单釜间歇工艺，避免了多釜操作难度高，装置成本能耗高等问题，具有较高的工业应用价值。

附图说明

图1为本发明的乙烯-乙酸乙烯酯乳液单釜共聚间歇工艺装置示意图。

图中：1为共聚反应釜；2为乳化剂/助乳化剂/酮类化合物槽；3为引发剂槽；4-1和4-2为pH值调节剂槽；5为VAc单体槽；6-2、6-3、6-4、6-5、6-7和6-9为高压计量泵；7为物料除沫罐；8为消泡剂槽；9为脱沫机。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐释本发明。

如图1所示的制备低黏度EVA乳液的共聚反应装置。采用单釜间歇操作，包括共聚反应釜1、进料机构和产物后处理部分。所述共聚反应釜1上部设有乳化剂/助乳化剂/酮类化合物进料口、引发剂进料口、pH值调节剂进料口和乙酸乙烯酯液相进料口，以及N2和乙烯进料口。乳化剂/助乳化剂/酮类化合物槽2通过高压计量泵6-2与共聚反应釜1连通，引发剂槽3通过高压计量泵6-3与共聚反应釜1连通，pH值调节剂槽4-1通过高压计量泵6-4与共聚反应釜1连通，VAc单体槽5通过高压计量泵6-5与共聚反应釜1连通。共聚反应釜1内部设有包括电机、搅拌桨和搅拌轴的搅拌机构。所述搅拌机构包括搅拌电机、传动装置(图中均未示出)和搅拌轴及固定在搅拌轴上的搅拌桨。在反应釜工作时，搅拌桨和部分搅拌轴位于反应液面以下。

所述共聚反应釜1下部设有出料口与物料除沫罐7的进料口连通。pH值调节剂槽4-2和消泡剂槽8分别通过高压计量泵6-7与物料除沫罐7连通。物料除沫罐7的出料口通过高压计量泵6-9与脱沫机9的进料口连通。

反应开始前，将第一部分的酮类化合物与乳化剂水溶液混合，通过乳化剂/助乳化剂/酮类化合物槽2加入共聚反应釜1内，然后将第二部分的酮类化合物与助乳化剂混合，通过乳化剂/助乳化剂/酮类化合物槽2加入共聚反应釜1内，同时通过VAc单体槽5向共聚反应釜1内加入VAc单体。然后加入引发剂和pH值调节剂，通入N2排氧，将乙烯压入共聚反应釜1内，压力恒定后进行乙烯-乙酸乙烯酯乳液共聚反应。反应结束后，从共聚反应釜1内排出的物料进入物料除沫罐7，加入pH值调节剂和消泡剂进行产物后处理。从物料除沫罐7内排出的物料最后泵入脱沫机9除去未反应乙烯气。聚合和后处理过程中，原料和产物的加入和导出均采用高压计量泵6-2、6-3、6-4、6-5、6-7和6-9泵送。

实施例中采用核磁、元素分析、热重和红外四种方法测定产物EVA中的VAc含量。采用NDJ-4型旋转黏度计测定乳液粘度。

实施例1

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的5.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃,乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为66.1wt％，乳液黏度为151mpa.s，乳液稳定性较好，乳液可稳定贮存10个月。

实施例2

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的10.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃，乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为66.1wt％，乳液黏度为122mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存12个月。

实施例3

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的15.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃，乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为66.0wt％，乳液黏度为109mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存13个月。

实施例4

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的20.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃，乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为66.1wt％，乳液黏度为98mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存14个月。

实施例5

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的25.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃，乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为65.9wt％，乳液黏度为91mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存14个月。

实施例6

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的30.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃，乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为65.8wt％，乳液黏度为100mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存13个月。

实施例7

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的35.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃，乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为66.0wt％，乳液黏度为114mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存12个月。

实施例8

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的40.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃，乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为66.0wt％，乳液黏度为136mpa.s。乳液稳定性较好，乳液可稳定贮存11个月。

实施例9

采用过硫酸铵为引发剂，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％；O/W体系，乳化剂op-10用量为VAc单体用量的10.0wt％；助乳化剂用量为VAc单体用量的4.0wt％；丁酮用量为VAc单体用量的45.0wt％，第一部分与第二部分的丁酮的体积比为1:1；pH值调节剂为碳酸氢钠，用量为VAc单体用量的0.5wt％；聚合反应温度为75℃，乙烯反应压力75.0MPa，聚合反应时间4.5h，反应过程的pH值控制在6.5。此条件下，聚合产物中VAc含量为66.0wt％，乳液黏度为157mpa.s。乳液稳定性较好，乳液可稳定贮存10个月。

实施例10

除采用己酮为单体分散剂，用量为VAc单体用量的20.0wt％以外，其它加料和反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物中VAc含量为65.9wt％，乳液黏度为107mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存14个月。

对比例1

聚合反应中未使用丁酮，其它加料和反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物中VAc含量为73.9wt％，乳液黏度为342mpa.s。产物乳胶粒子黏连严重，乳液放至3周即出现破乳沉淀。

对比例2

丁酮用量为VAc单体用量的4.0wt％，其它加料和反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物VAc含量为71.5wt％，乳液黏度为259mpa.s。产物乳胶粒子部分黏连严重，乳液放至3个月即出现破乳沉淀，说明丁酮添加量偏低。

对比例3

丁酮用量为VAc单体用量的46.0wt％，其它加料和反应条件同实施例1。此条件下，乳液中有胶冻状物质生成，聚合失败，说明继续提高丁酮添加量意义不大。

对比例4

丁酮用量为VAc单体用量的20.0wt％，丁酮一次性加入乳化剂水溶液中，其它加料和反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物VAc含量为74.1wt％，乳液黏度为277mpa.s。产物出现少量齐聚物沉淀，乳液放至4个月即破乳。说明丁酮一次性加入到乳化剂水溶液中导致聚合体系稳定性降低。

对比例5

丁酮用量为VAc单体用量的20.0wt％，丁酮一次性加入单体和助乳化剂水溶液中，其它加料和反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物VAc含量为73.8wt％，乳液黏度为261mpa.s。乳液粒子分布不均，乳液放至5个月即出现破乳沉淀。说明丁酮一次性加入到单体和助乳化剂水溶液中，导致单体在胶束中增溶效果差，自由基进入胶束内部引发效率低，聚合体系稳定性降低。

实施例1-9中，乳液黏度以先降低再提高的趋势变化。一般来说黏度过低体系固含量太低，黏度高又导致稳定性降低。比较之下实施例2-7的乳液综合性能较好。

将实施例1-9与对比例1对比，说明采用丁酮为单体分散剂，乳液产品中VAc含量及黏度适中，乳液稳定，贮存时间长；将实施例1-9与对比例2和3对比，说明当丁酮加入量不能超出本发明限定的范围；将实施例1-9与对比例4和5对比，说明聚合反应前一次性加入丁酮作为分散剂，乳液体系杂质多，不稳定，黏度偏高。而采用本发明的方法，分别在乳化剂水溶液和单体/助乳化剂中两次加入丁酮，乳液稳定性提高，黏度适中。

综上，本发明在乙烯-乙酸乙烯酯共聚单釜间歇生产工艺中，采用酮类化合物作为单体分散剂，可以显著降低体系黏度，得到粒子形态优异，稳定性好的EVA乳液产品，大大拓宽EVA乳液应用范围，满足不同需求。将乳化剂和助乳化剂一次性加入，工艺操作简单。且单釜间歇工艺避免了多釜操作难度高，装置成本能耗高等问题，具有较高的工业应用价值。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。