一种加入种子单体制备低黏度EVA乳液的方法与流程

本发明涉及一种加入种子单体制备低黏度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：

现有传统EVA乳液聚合工艺，产物黏度高，粒子形态及乳液稳定性差，产品不易储存，应用范围受限。针对上述问题，本发明向共聚反应体系中加入适量种子单体，可以控制聚合速率，显著降低产物黏度，维持粒子形态及韧性强度。所得的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。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种加入种子单体制备低黏度EVA乳液的方法，包括在预乳化阶段将乳化剂溶于水形成胶束，然后加入乙酸乙烯酯(VAc)种子单体得到单体增溶胶束，再加入引发剂和共聚反应所需的VAc单体，通入乙烯，使乙烯与共聚反应所需的VAc单体进行乳液共聚反应。

其中，所述VAc种子单体用量与共聚反应所需的VAc单体用量和即为VAc单体总量。

所述预乳化阶段是行业内公知的，具体为将乳化剂一次或多次溶于水形成胶束，然后加入部分VAc单体使其被胶束包覆，得到稳定存在的单体增溶胶束，再加入引发剂，在pH值调节剂和胶体保护剂存在下使通入的乙烯和加入的大量VAc单体进行乳液聚合反应。或者说只要不加入引发剂，都可以看作预乳化阶段。但现有技术未限定预乳化阶段中VAc单体的用量。在本发明中，所述VAc种子单体即为预乳化阶段中VAc单体的用量，其为加入VAc单体总量的0.5-5.5wt％。

在本发明的实施例中，所述预乳化阶段使用非离子表面活性剂作为乳化剂，优选烷基酚聚氧乙烯醚OP-10，所述乳化剂的用量为VAc单体总量的0.1-21.0wt％。

在本发明的实施例中，在预乳化阶段结束后加入引发剂以引发共聚反应。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，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。所述引发剂的用量为VAc单体总量的0.1-3.0wt％。

在本发明的实施例中，在所述方法中使用聚乙烯醇(PVA)作为胶体保护剂，其用量为VAc单体总量的1.5-6.5wt％。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，共聚反应过程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单体总量的0.05-5.0wt％。

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40-125℃；乙烯压力为3.5-25.0MPa；反应时间为1.5-8.0小时；反应过程的pH值控制在1.5-9.0，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35.0-95.0wt％；产物黏度为90-140mpa.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、胶体保护剂、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/胶体保护剂、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。

在EVA乳液共聚合体系中，总胶束量决定于聚合前期形成的胶束量。现有技术中未对预乳化阶段VAc单体的加入量进行限定，导致形成的胶束量大大超过实际需要。而预乳化阶段加入的VAc单体含量越高，乳液中乳胶粒子数目越多，乳胶粒总比表面积增大，粒径变小，体系结合水增多自由水减少，导致乳液黏度增高，粒子黏连，乳液产品稳定性大幅降低。

本发明在现有EVA乳液聚合工艺基础上，在预乳化阶段向反应体系中加入适量的VAc单体作为种子单体，可以有效避免单体一次投入过多造成的共聚反应难控、体系飞温等情况发生，使聚合反应平稳进行，避免起泡和暴聚，大大提高乳液稳定性。并有效降低体系黏度，维持粒子形态，防止黏连发生。所得乳液产品稳定细腻，贮存时间长。本发明配方简单，原料成本低，操作简便，目标乳液稳定性好。且采用单釜间歇工艺，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-乙酸乙烯酯弹性体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/胶体保护剂槽；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EVA弹性体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上部设有表面活性剂、引发剂、pH值调节剂和乙酸乙烯酯液相进料口，以及N2和乙烯进料口。乳化剂/胶体保护剂槽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。

在共聚反应釜1工作时，搅拌桨和部分搅拌轴位于反应液面以下。反应开始前，将乳化剂和乙酸乙烯酯种子单体分别加入共聚反应釜1，通入N2排氧，此为预乳化阶段。然后向共聚反应釜1内加入引发剂、胶体保护剂、pH值调节剂和共聚反应所需的VAc单体，通入乙烯升压至预定反应压力，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VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的0.5wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.4wt％，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2

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的1.0wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.1wt％，乳液黏度为90mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存14个月。

实施例3

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的1.5wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.3wt％，乳液黏度为95mpa.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VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的2.0wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.5wt％，乳液黏度为102mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存13个月。

实施例5

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的2.5wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.1wt％，乳液黏度为112mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存11个月。

实施例6

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的3.0wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.4wt％，乳液黏度为119mpa.s。乳液稳定性好，乳液可稳定贮存11个月。

实施例7

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的3.5wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.2wt％，乳液黏度为124mpa.s。乳液稳定性较好，乳液可稳定贮存10个月。

实施例8

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的4.0wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.1wt％，乳液黏度为129mpa.s。乳液稳定性较好，乳液可稳定贮存9个月。

实施例9

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的4.5wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.2wt％，乳液黏度为133mpa.s。乳液稳定性较好，乳液可稳定贮存8个月。

实施例10

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的5.0wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.0wt％，乳液黏度为136mpa.s。乳液稳定性较好，乳液可稳定贮存7个月。

实施例11

采用过硫酸铵为引发剂，用量为VAc单体总量的0.3wt％；O/W体系，VAc种子单体用量为VAc单体总量的5.5wt％；表面活性剂op-10用量为VAc单体总量的8.0wt％；胶体保护剂PVA用量为VAc单体总量的4.0wt％；pH值调节剂碳酸氢钠用量为VAc单体总量的0.5wt％；聚合反应温度为80℃，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57.1wt％，乳液黏度为139mpa.s。乳液稳定性较好，乳液可稳定贮存6个月。

对比例1

所有VAc单体均在预乳化阶段加入，VAc单体总量和其它反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物中VAc含量为71.1wt％，乳液黏度为426mpa.s。反应飞温难控，单体自聚明显，乳胶粒子黏连严重，乳液放至3周即出现沉淀。

对比例2

所有VAc单体均在聚合阶段加入，VAc单体总量和其它反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物中VAc含量为74.5wt％，乳液黏度为349mpa.s。乳液黏度偏高，乳胶粒子黏连严重，乳液放至4周即出现沉淀。

对比例3

VAc单体分两步加入，预乳化阶段的种子单体用量为VAc单体总量的0.4wt％，VAc单体总量和其它反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物中VAc含量为68.6wt％，乳液黏度为271mpa.s。乳液放至3月即出现沉淀，稳定性一般。

对比例4

VAc单体分两步加入，预乳化阶段的种子单体用量为VAc单体总量的6.5wt％，VAc单体总量和其它反应条件同实施例1。此条件下，聚合产物中VAc含量为69.2wt％，乳液黏度为372mpa.s。制备种子单体乳液的过程中，单体即部分自聚，聚合略飞温。乳胶粒子黏连较严重，乳液放至1月即出现沉淀。

实施例1-11中，随着VAc种子单体用量的提高，EVA乳液稳定存放时间逐渐降低，说明在本发明的范围内，VAc种子单体用量越少，乳液稳定性越好。

通过实施例与对比例1和2进行数据对比，说明在预乳化阶段加入适量的VAc种子单体，得到的EVA弹性体乳液产品的VAc含量及黏度适中，体系稳定，无凝胶、起泡及破乳现象发生，产品贮存时间长。通过实施例与对比例3和4数据对比，说明VAc种子单体的用量不能超出本发明限定的范围。

综上，本发明在乙烯-乙酸乙烯酯共聚单釜间歇生产工艺中，在一定范围内控制种子单体用量，可以显著降低反应体系黏度，得到粒子形态优异、稳定性好，黏度低的EVA乳液产品，大大拓宽EVA乳液应用范围，满足不同需求。且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。

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。