一种加入有机极性溶剂制备EVA乳液的方法与流程

本发明涉及一种加入有机极性溶剂制备EVA乳液的方法。

背景技术：

乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinyl acetate copolymer，简称EVA)由无极性、结晶性乙烯(E)单体和非结晶性乙酸乙烯酯(VAc)单体进行自由基共聚得到。EVA性能与共聚体系VAc含量密切相关，低VAc含量的EVA产品，其性能与LDPE类似；高VAc含量的EVA产品，其性能无限接近于橡胶弹性体。国外Bayer、USI、UCC、三井化学、住友、东洋曹达等公司已相继投产这一领域，产品包括低VAc含量的EVA树脂、中高VAc含量的EVA弹性体和高VAc含量的EVA乳液产品。目前，以改进型LDPE工艺生产EVA树脂应用最为广泛，产品中VAc含量为10.0-40.0wt％；也有改进型LDPE聚合工艺和中压溶液聚合工艺生产EVA弹性体，产品中VAc含量为40.0-70.0wt％；还有采用高压乳液法生产EVA乳液，产品中VAc含量为70.0-95.0wt％。EVA乳液由于乙烯的引进，造成了乙酸基团的不连续性，使高分子主链变得柔软，柔顺性随乙烯含量增加而增强。且乙烯链段的引进使分子链内和分子链之间相互作用减弱，分子链活性增加，从而起到了一种“内增塑”的作用。这种增塑作用具有永久性，没有低分子量增塑剂所产生的迁移、挥发、渗出等缺点。EVA乳液还具有较低的成膜温度，机械性能和贮存性能稳定，与其它乳液及化学品配伍性好。国外自上世纪50年代开始研制EVA乳液产品，60年代实现工业化，目前是美国、西欧、日本大宗乳液产品之一。国外厂商主要有杜邦、加州联合石油、艾尼、罗纳普朗克，中央丽华等，产品主要用于制造非织造织物的粘合剂、制造涂料、聚氯乙烯地板或薄膜的粘合剂和食品包装粘合剂；国内自70年代开始研制，80年代通过引进国外生产技术工业化成商品。国内厂商主要是北京有机化工厂和四川维尼纶股份，产品主要用于地毯背衬、壁纸涂层、非织造织物粘剂，PVC书皮/纸的粘合剂。EVA乳液技术工艺简单，原料装置成本低，产品综合性能优良，近年来发展迅速，应用前景广阔。

专利CN1302027C描述了高固含量乙烯-乙酸乙烯酯胶乳聚合制备过程。采用O/W体系，聚合乙烯压力计重，40-60℃引发聚合，产物玻璃化转变温度(Tg)为7-14℃。此发明为完全水相乳液聚合，胶体保护剂聚乙烯醇(PVAc)用量1-15wt％。

专利CN1603350A介绍了高固含量乙烯-乙酸乙烯酯乳液的合成方法，采用选用水溶性氧化还原引发剂，反应温度100-120℃,反应乙烯压力4.0-12.0MPa,聚合过程压力保持不变。产物VAc含量70.0-95.0wt％，固含量＞65％，PVAc用量4-8wt％,胶体保护剂用量过多。

专利CN100526348C选用双氧水、甲醛次硫酸锌和硫酸亚铁复合引发体系，75-80℃引发聚合。反应乙烯压力9.0-10.0MPa,产物VAc含量55.0-75.0wt％，固含量＞65％。此发明采用两种PVAc复配，PVAc用量2-4wt％，胶体保护剂用量偏多，复配体系复杂。

专利CN102333799A选用非离子乙氧基乳化剂，60-80℃引发共聚反应。此发明采用氧化还原水溶性引发剂组合，产物VAc含量66.0-92.0wt％，PVAc用量1-4wt％，胶体保护剂用量同样偏多。

技术实现要素：

本发明提供了一种加入有机极性溶剂制备EVA乳液的方法，具体为使用水和有机极性溶剂作为混合溶剂制备EVA乳液。

在传统水包油O/W乳液中，EVA乳液粒子大小在0.1-10μm左右，为一热力学不稳定体系，放置时间过久会出现破乳或者沉淀现象。本发明的发明人发现，在一定范围内向聚合乳液中加入部分极性溶剂，可以显著增强乳液的稳定性。加入的有机极性溶剂作为助乳化剂，可以协助乳化剂和胶体保护剂增强对单体的包覆作用，大幅减少胶体保护剂用量，维持电荷平衡，从而保持乳液稳定。本发明通过改变有机极性溶剂的用量，可以实现对EVA弹性体分子量和分子量分布调控，简化乳液助剂配方和用量，制备满足不同需要、贮存时间长的EVA乳液产品。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种加入有机极性溶剂制备EVA乳液的方法，包括在由有机极性溶剂和水组成的混合溶剂存在下，使乙烯与乙酸乙烯酯(VAc)进行共聚反应，其中有机极性溶剂与水的体积比为1:10-4:5。

在本发明的实施例中，所述有机极性溶剂为极性非质子溶剂，优选为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和/或二甲基亚砜(DMSO)。

在本发明的实施例中，所述方法使用油溶性偶氮类和/或过氧化类化合物作为引发剂，所述引发剂用量为VAc单体用量的0.3-5wt％。优选的引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化氢异丙苯和过氧化二苯甲酰中的至少一种。

在本发明的实施例中，所述方法使用非离子表面活性剂作为乳化剂，所述乳化剂用量为VAc单体用量的5.0-25.0wt％，优选的乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚OP-10。

在本发明的实施例中，所述方法使用聚乙烯醇(PVA)作为胶体保护剂。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。因为PVA本身不能完全水解，加入量过多会产生絮状沉淀，具体用量和制备乳胶粒子大小有关，目前报道的PVA最高用量为VAc单体用量的8wt％。但在本申请中，可以将PVA用量控制在VAc单体用量的0.1-0.7wt％，优选在0.1-0.4wt％。

在本发明的实施例中，所述方法使用碱性物质作为pH值调节剂，所述pH值调节剂优选选自氢氧化钠、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。

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4.0-15.0MPa，反应时间为0.5-8小时。反应过程的pH值控制在7左右，如6.5-7.5。

根据本发明，得到的EVA产物中VAc含量为35.0-95.0wt％，优选为60-90％，所述“EVA产物中VAc含量”含义为EVA乳液中乙酸乙烯酯对应的聚合单元的含量；胶体保护剂用量为VAc单体用量的0.1-0.7wt％，优选为0.1-0.4wt％。

在本发明的实施例中，所述方法包括将胶体保护剂、引发剂、乳化剂，pH调节剂、乙酸乙烯酯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，其上部设有用于溶剂、引发剂和乙酸乙烯酯进料的液相进料口以及乙烯进料口，其下部设有出料口，其还连接有用于控制釜内压力的控压装置。其中，共聚反应釜，用于为乙烯和乙酸乙烯酯发生单相溶液共聚反应提供反应场所；和搅拌机构，用于实现共聚反应釜内部的原料混合。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。可以理解，所述控压装置内具有测压的结构，通过测定的乙烯压力进行调控，使得釜内的乙烯完全液化。

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。将溶剂从液相进料口注入釜内，通氮气排氧后加入乙酸乙烯酯和乙烯进行聚合反应，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。

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，加入部分有机极性溶剂作为助乳化剂，可以协助乳化剂和胶体保护剂，增强其对单体的包覆作用。从而大幅减少胶体保护剂用量，同时维持体系电荷平衡，保持乳液稳定。

对于本发明所述的O/W乳液聚合体系，少量助乳化剂(＜10％，V/V)不能协助乳化剂增强其对单体的包覆能力，乳液中的水相便成为体系的主体导电介质，乳液破乳机率增加；由于此时水含量过多，加入少量助乳化剂(10-30％，V/V)即可维持体系电荷平衡，保持乳液稳定；继续增加助乳化剂至某一限度(30-80％，V/V)时，乳液体系中水相和油相含量近似，较易形成互穿网络，两相的互穿结构使得乳液体系具有比较稳定适中的电导率和黏度，保持乳液稳定；但当助乳化剂含量过高(＞80％，V/V)，体系以油相主导，乳液的导电性急剧下降，体系内电荷的缺失使聚合反应几乎不发生。因此通过合理调控极性溶剂/助乳化剂用量，可以实现对EVA弹性体分子量和分子量分布调控，降低胶体保护剂用量，大幅增强乳液稳定性，制备满足不同需要、贮存时间长的EVA乳液产品。

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为胶体保护剂/表面活性剂槽；3为引发剂槽；4-1和4-2为pH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调节剂和乙酸乙烯酯液相进料口，以及N2和乙烯进料口。胶体保护剂/表面活性剂槽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，胶体保护剂、表面活性剂、引发剂、pH调节剂和乙酸乙烯酯分别加入共聚反应釜1，通入N2排氧，然后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。

实施例1～7使用N,N-二甲基甲酰胺与水的混合溶剂

实施例1

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为1:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.75wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为63.2wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.53wt％，乳液可稳定存放5个月。

实施例2

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为1.5:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.75wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为63.5wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.41wt％，乳液可稳定存放6个月。

实施例3

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为2:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.75wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为63.1wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.33wt％，乳液可稳定存放8个月。

实施例4

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为2.5:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.75wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为63.1wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.23wt％，乳液可稳定存放11个月。

实施例5

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为3:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.75wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为63.2wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.21wt％，乳液可稳定存放12个月。

实施例6

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为3.5:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.75wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为63.1wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.16wt％，乳液可稳定存放13个月。

实施例7

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为4:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.75wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为63.1wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.12wt％，乳液可稳定存放14个月。

对比例1

使用水为溶剂，完全O/W聚合体系，其它反应条件不变。此条件下，聚合产物中VAc含量为62.9wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的4.77wt％，乳液存放3个月即出现少量破乳沉淀。

对比例2

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为0.9:10，其它反应条件不变。此条件下，聚合产物中VAc含量为85.9wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的5.62wt％，乳液存放一周即破乳。

对比例3

N,N-二甲基甲酰胺与H2O的体积比为4.1:5，其它反应条件不变。此条件下，乳液共聚合反应不发生。

实施例8～14以二甲基亚砜和水为混合溶剂：

实施例8

二甲基亚砜与H2O的体积比为1:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.65wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃,乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.9wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.49wt％，乳液可稳定存放5个月。

实施例9

二甲基亚砜与H2O的体积比为1.5:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.65wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.7wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.45wt％，乳液可稳定存放7个月。

实施例10

二甲基亚砜与H2O的体积比为2:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.65wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.7wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.41wt％，乳液可稳定存放9个月。

实施例11

二甲基亚砜与H2O的体积比为2.5:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.65wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.5wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.37wt％，乳液可稳定存放10个月。

实施例12

二甲基亚砜与H2O的体积比为3:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.65wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.6wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.31wt％，乳液可稳定存放12个月。

实施例13

二甲基亚砜与H2O的体积比为3.5:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.65wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.5wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.21wt％，乳液可稳定存放14个月。

实施例14

二甲基亚砜与H2O的体积比为4:5；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为乙酸乙烯酯的0.5wt％，表面活性剂OP-10用量为单体VAc用量的15.0wt％，pH调节剂碳酸氢钠用量为单体VAc用量的0.65wt％，控制体系pH为6.5；聚合反应温度为65℃，乙烯反应压力为8.0MPa，聚合反应时间4h。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.7wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的0.11wt％，乳液可稳定存放16个月。

对比例4

使用水为溶剂，完全O/W聚合体系，其它反应条件不变。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.6wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的4.98wt％，乳液存放2个月即出现少量破乳沉淀。

对比例5

二甲基亚砜与H2O的体积比为0.9:10，其它反应条件不变。此条件下，聚合产物中VAc含量为64.7wt％，胶体保护剂聚乙烯醇消耗量为VAc的6.21wt％，乳液存放一周即破乳。

对比例6

二甲基亚砜与H2O的体积比为4.1:5，其它反应条件不变。此条件下，乳液共聚合反应不发生。

通过以上两组实施例与对比例的数据对比，在制备EVA乳液时加入有机极性溶剂，得到的聚合产物VAc含量适中，胶体保护剂聚乙烯醇用量大幅减少，且工艺较为简单，乳液稳定性大幅提高。

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。