聚丙烯酸酯透明防结露涂料的研制

张启忠1，王澍2，刘仲一3，殷绿1
( 1． 吉林化工学院化工与材料工程学院，吉林132022;2． 中油吉林化建工程股份有限公司，吉林132021; 3． 中国石油吉林石化高碳醇厂，吉林132022)

结露现象在日常生活中屡见不鲜，尤其是透明材料表面的结露，给人们的生产生活带来了很大的不便。玻璃、农用薄膜是常见也是常用的透明材料，当这类透明材料的两侧出现一定温差时，温度低的表面水分的饱和蒸汽压低于周围环境的蒸汽压时，水汽就向物体表面聚集，并且以微小的水珠析出，形成露珠或雾，微小露珠对光线形成漫反射，显著降低了玻璃的透光率，从而影响视线。防止物体表面的结露，按原理来分类，主要有以下几种方法［1 － 3］: ( 1) 使物体表面亲水: 降低物体表面对水的接触角，使凝聚在表面上的小水滴不形成微小的水珠，而是在表面铺展开而薄膜化，减少对光线的漫反射，从而保证了材料的透明度。物体表面的亲水化，主要是通过涂覆各种表面活性剂、混炼入表面活性剂的树脂、亲水高分子或形成磷酸盐亲水层实现。( 2) 使物体表面疏水: 提高物体表面与水之间的接触角，使水滴在重力作用下滑落。这类方法主要是在物体表面涂覆有机硅烷类或含氟涂料。( 3) 使物体表面温度高于露点: 目前已有在汽车挡风玻璃上增加发热装置以达到防雾的专利报道。但该方法耗资大，易损坏，维修比较困难。因此该方法应用较少。我国于20 世纪80 年代开始防雾方面的研究，起步较晚。由于我国人口多，防结露产品的市场巨大，研制透明材料的表面防雾及其应用产品，具有实际意义。本研究以甲基丙烯酸( MA) 、甲基丙烯酸β － 羟乙酯( HEMA) 及丙烯酰胺( AM) 为共聚单体，采用溶液共聚法，合成聚丙烯酸酯透明防结露涂料［4 － 6］，以解决透明制品的结露问题。

1 实验部分
1. 1 基本原理
本实验以含有羟基的非离子型单体甲基丙烯酸β － 羟乙酯( HEMA) 、含有酰胺基的丙烯酰胺( AM) 与含有羧基的甲基丙烯酸( MA) 为原料采用溶液共聚法制备甲基丙烯酸β － 羟乙酯－ 丙烯酰胺－ 甲基丙烯酸三元共聚物，通过不同亲水性基团的相互协同作用以提高三元共聚物的吸水能力，尤其是耐水解能力。
1. 2 原料与仪器
实验所需主要原料: 甲基丙烯酸( MA) 、偶氮二异丁腈( AIBN) 、丙烯酰胺( AM) : 分析纯，天津大茂化学试剂厂; 乙二醇单甲醚、过氧化二苯甲酰( BPO) : 分析纯，沈阳市新西试剂厂; 甲基丙烯酸β － 羟乙酯( HEMA) : 分析纯，日本东京化成工业株式会社。
主要实验仪器: 四口烧瓶、球型冷凝器、数控超级恒温槽、电动搅拌器、氮气钢瓶、722S 型可见分光光度计。
1. 3 实验步骤
把MA、HEMA、引发剂和溶剂按照一定比例配好，加入四口烧瓶中; 通入氮气，排出空气，在水浴中反应，温度控制设定在60 ～ 75 ℃之间( 高温度不超过80 ℃) 。反应达到一定程度以后，把预先按一定配比准备好的AM 滴加入四口烧瓶。反应结束后，加入溶剂( 稀释剂) ，配成一定浓度的溶液。考察确定溶剂与单体的配比、引发剂的种类及其用量、反应温度及反应时间、滴加速度、适宜配方、对样品进行分析检测。
1. 4 测试方法
( 1) 防雾性测试: 将聚合物乳液均匀涂膜在一玻璃片上，在室温下干燥后放置在与水平面呈5°倾角的40 ℃水浴上，观察表面状态，根据下面的标准测定防雾等级［3］:1 级为全板均匀润湿，没有水滴附着，呈透明状; 2 级为全板润湿，有部分较大水滴附着; 3 级为板的大部分润湿，有部分大小水滴附着，不流淌; 4 级为板的一部分润湿，大部分有大小水滴附着，不流淌; 5 级全板均附有大小水滴，呈不透明状。
( 2) 透光性测试: 采用722S 型可见分光光度计测试，将同一块玻璃切割成为44 mm × 14 mm × 3 mm 的小条若干，在上面涂覆防雾涂料，将其与未涂涂料的部分进行对比。
( 3) 耐水性测试: 室温环境下用去离子水浸渍涂层，以涂层出现发白溶胀现象所用时间的长短来衡量其耐水性［4］。
( 4) 硬度按GB/T 6739—2006 涂膜硬度铅笔测试法测试。

2 结果与讨论
2. 1 溶剂与单体的质量配比确定
按实验步骤，采用不同的溶剂与单体配比进行实验，结果见表1。由表1 实验结果可知，当溶剂与单体的质量比较小时，单体的浓度较大，体系黏度较大，不利于反应的控制以及相对分子质量的控制，几组反应常常在反应末期产生爆聚。溶剂与单体的质量比为1. 5∶ 1比较适宜，反应容易控制，不易爆聚和出现爬杆现象。
表1 溶剂与单体配比对反应体系的影响

2. 2 引发剂的选择及其用量的确定
本实验选取BPO 和AIBN 为引发剂作对比实验，以确定该三元共聚合的引发剂及用量。
2. 2. 1 引发剂对溶液聚合速率及其颜色的影响
引发剂对溶液聚合速率及其颜色的影响见表2。
表2 BPO 和AIBN 对反应的影响

注: ( 1) —以单体总质量计，下同。
由表2 反应现象可知，用AIBN 作为引发剂时，产物为黄色溶液，而用BPO 为引发剂时产物为无色透明液体，符合要求。这时因为在反应温度下，AIBN 的半衰期比BPO 的半衰期短，并且AIBN 一般没有或微量的诱导分解效应，导致聚合前期速度过快，又由于AIBN 本身的特点易于使产品带有颜色，所以用AIBN 为引发剂时，产品为黄色溶液，而用BPO 为引发剂时产物为无色透明液体。