2.2.4　聚合物乳液配方设计

乳液聚合原料种类很多，材料的极性差距很大；乳化剂的结构多样，也各有特性；聚合过程的灵活变化，各种因素的叠加影响使得乳液聚合的配方设计也呈现出复杂性和多样性的特点。但是在配方设计上，还是有一些基本的原则可以遵循。

2.2.4.1　明确聚合物乳液目标

建立聚合物乳液的使用性能要求和聚合物乳液的聚合物性能之间关联。聚合物乳液在胶体方面特性：如表面张力、粒子尺寸及分布、粒子形态、化学稳定性、机械稳定性等，在聚合物方面特性：分子量以及分布、交联度、黏度、T_g、最低成膜温度，耐候性、吸水率等；针对乳液聚合物的使用过程，应用环境，使用标准，来选择这些基本的特性中必要的内容。这是乳液聚合配方设计最基础，最关键的一步。确定聚合物乳液的目标参数，是建立在全面了解使用过程的基础上，必须对使用过程的胶体界面、聚合物形变、化学反应等机理充分了解，才能找到与使用性能关联最紧密的因素和建立初步聚合物乳液目标。

在工业涂料中，聚合物乳液的使用的条件和目标要求千差万别，在确定目标参数时，需要性能间的平衡。聚合物乳液在这领域的使用刚刚开始，对于目标参数的设定时需要一段时间的磨合和认同。这里以JS防水材料的聚合物乳液为例来说明如何建立聚合物乳液的目标参数。这一体系的使用环境和基材相似度很高，JS防水材料检测的项目主要是：拉伸强度和伸长率，低温柔性，抗渗性，粘接强度等性能，在使用时关注流动性，工作时间，干燥时间等施工性能。这些性能需要与聚合物乳液的特性建立关联，从胶体角度，需要考虑的目标参数是：乳液粒子的Ca²⁺稳定性，高pH的粒子稳定性，乳化剂和水相低聚物对于水泥粒子的吸附，以及对于水泥粒子的水合过程和无机粒子分散性的影响（水泥乳液浆体的分散流动性、水合反应速率、开放时间等），聚合物乳液粒子与水泥粒子的胶体干燥模型——无机粒子与聚合物粒子形成复合材料的微观结构的影响（水的挥发速度和水泥水合速度的平衡、强度和延伸率、吸水率和抗渗性等），这些胶体特性目标参数的建立，是乳液聚合物设计的根本，胶体形成具有强度完好聚合物膜是聚合物的性能的展现的基础，因此胶体特性是聚合物乳液设计必须首先考虑的目标参数。从聚合物特性需要考虑的目标参数是聚合物的耐碱性、分子量及分布、交联度、T_g、官能团与Ca²⁺的反应性等。

初步建立乳液的目标参数。①粒子耐Ca²⁺和高pH稳定性，从胶体的角度考虑，较大的粒径和很强的位阻稳定是比较适合的选择；聚合物粒子表面在高浓度Ca²⁺和高Ph条件下需要有合适双电层的厚度，控制聚合物粒子在水泥粒子表面的吸附量，避免在成膜过程中强烈的抑制水泥的水合反应，不能获得较高的强度。②适当的开放时间与水泥水合反应的平衡，合理的非离子乳化剂和非离子单体用量，合理抑制水泥的水合反应，过多的抑制水合反应可以获得较长开放时间，但是最终的强度会受到损失。③水相低聚物结构和浓度控制，提供合适的分散和水泥水合控制。需要选择水溶性单体种类和用量，反应温度，引发剂用量需要在一个合理范围配合。④较低的T_g和耐碱性好的单体，较高的分子量保证聚合物有较好的拉伸强度和延伸率，根据高分子化学和物理的基本原理确定。⑤活性水泥粒子条件下的厚膜的干燥模型。分析成膜过程的空隙的产生原因和控制，聚合物乳液粒子与水泥粒子的分布以及互贯穿结构形成的条件影响因素：温度、湿度、粉体与聚合物乳液的比例、涂膜厚度、水泥的用量和种类等。不同使用条件下的成膜的过程会产生很大的差异，在最后一节会详细介绍成膜机理，这里就不进行详细分析，成膜过程影响胶体粒子的堆积和水泥粒子的水合进程。所有的胶体的性能的体现和发生作用是在这一个过程中展现出来，条件影响因素可以将胶体的目标参数限定在适当的范围，设计出最适合的聚合物乳液。换个方式说，任何一个聚合物乳液要展现出最佳的使用性能，一定有一个最适合使用条件。

目标参数建立以后，需要针对目标参数，建立合适检测方法。这个检测方法是针对胶体应用过程的分析来建立的，例如水分的挥发和水泥水合之间的比例如何受到环境的影响，WO结构对于分散和水泥水合的影响等，过程机理的检测犹如一双微观世界的眼睛，可以让聚合物乳液的开发过程清晰，并将结果用来分析和建立干燥过程的成膜的模型，逐渐修正目标参数并建立合理的成膜模型，可以帮助产品应用性能的提升和配方调整过程的高效和准确。

2.2.4.2　确定单体组成

根据聚合物乳液产品的目标参数，确定聚合物乳液的单体组成。单体组成是聚合物乳液工艺和配方的基础，单体的特性决定了水相自由基的反应特点和聚合物胶体粒子的界面能、单体两相的分配比、扩散系数等参数，是选择乳化剂和工艺参数基本的起点。

2.2.4.3　确定乳化剂

在确定了单体组成之后，同时要知道基本的工艺参数条件：引发剂用量、反应温度、时间，然后根据聚合乳液的胶体目标参数、单体组成、工艺条件来选择乳化剂类型和基础用量。采用建立的检测方案，测定过程中的数据和使用的性能数据，将使用性能和聚合物乳液的胶体特性建立关联，用于调整乳化剂的种类和用量，以及工艺参数。

2.2.4.4　缓冲盐的用量

pH缓冲剂对于聚合物的性能也会有明显的影响，它的选择是要以聚合物乳液产品的物理性质和胶体性能来考虑。pH缓冲剂会影响：引发剂的分解速率、羧基单体的电离度、粒子表面的双电层、水相低聚物的结构等。在特定的乳液聚合过程中，根据机理分析它如何影响乳液聚合过程的机理，才能准确的选择它的使用量和种类。

2.2.4.5　工艺条件

工艺条件的确定依据聚合物的基本特性来选择。例如反应温度的选择和确定，与多个因素相关，温度升高的影响包括：引发剂的半衰期减少，链增长反应常数越大，分子量相对增加，较高的支化度等。一般热分解引发反应温度在80～90℃，氧化还原引发在50～70℃。反应温度比聚合物的T_g高40～50℃以上有利于自由基的扩散，增加反应的转化率，减少残余单体。

乳液聚合的设备要求采用高等级不锈钢或搪瓷，避免铁离子的溶出。在乳液聚合过程中，采用最小的剪切力，最快速的将单体分散均匀是有利于乳液聚合的搅拌方式。反应容器的设计，与产品性能之间存在关联性，但是这方面的资料较少。