近红外光谱法研究核壳结构乳胶粒子的过渡相结构演化和合成可控化

The structure of interfacial phase between core and shell layers is an important factor to determine the structure and property of normal and anti core/shell latex particles. The investigation on structural evolution, affected factor, and on-line control technique of the interfacial phase is very significant to direct the synthesis process of latex with high performance. In this program, by using near infrared spectroscopy, the method to estimate the normal or anti core/shell structure for latex particle will be studied. Moreover, the thickness of core layer, shell layer, and interfacial phase will be on-line determined, so as to obtain continues structural information as a function of reaction time. Based on the analysis the continuous structural information, the structural development of interfacial phase and affected factor will be investigated. Besides, depending on the instantaneous performance of reaction system, the method for control of latex particle structure will be studied by the adjustment of reaction parameters. Finally, the core/shell structure of latex particle with interfacial layer will be able to on-line control during synthesis process.

对于核壳结构乳胶粒子，核壳间过渡层对正相和反相粒子的结构和性能都会产生非常大的影响，对过渡相的结构演化规律、受控因素和在线控制方法的研究对指导高性能乳液的合成具有重要的现实意义。本项目采用近红外光谱分析技术，实现在线快速判定乳胶粒子的正相和反相核壳结构，并对核壳结构乳胶粒子的核层、壳层和核壳间过渡相厚度等结构信息进行快速检测，获得粒子结构随反应时间的连续变化的数据。研究过渡相结构在合成过程中的结构演化机理和反应参数对演化过程的影响机制。根据核壳结构乳胶粒子的结构演化规律，并结合近红外光在线检测所获得的体系瞬时性质参数，研究反应过程中在线控制乳胶粒子核壳结构的方法，实现合成过程中乳胶粒子结构的可控化。

目前，可挥发性有机物对大气污染和PM2.5成因起着关键性作用已成共识，如何降低工业领域可挥发性有机物排放是涂料研究的重点。以绿色环保的水性聚合物涂料替代传统溶剂型涂料，已成为科技发展的趋势。聚合物水性化首要解决的问题是高性能化，而高性能化的关键是如何对聚合物粒子结构和性质在线快速检测，进而实现粒子的合成可控化。在核壳乳胶粒子中，核壳间过渡相对粒子的结构和性能会产生重要影响，针对过渡相的结构演化和受控因素开展在线分析方法的研究，对指导高性能聚合物粒子的合成具有重要的理论和现实意义。本项目突破传统分析手段无法在线分析乳胶粒子结构和性质的技术难点，首次使用近红外光谱在线分析技术，以多频温度调制DSC的分析结果为参照结果，通过化学计量学方法建立了近红外光谱分析校正模型，实现了对核壳乳胶粒子的核层、壳层和核壳间过渡相含量的快速在线检测，其预测标准偏差分别为3.2wt%、2.4wt%和0.9wt%，可以满足理论研究和工业应用的在线分析精度要求。同时，我们也建立了多组分乳液聚合体系中瞬时单体浓度、共聚物组成等性质的近红外光谱在线分析检测方法。基于本研究中所建立的校正模型，我们系统的研究了壳层聚合物和核层聚合物玻璃化转变温度、单体和引发剂加入速率等因素对存在过渡相的核壳乳胶粒子的结构演化机理进行了研究，揭示了聚合反应的动力学因素、单体和引发剂在粒子中扩散的热力学因素因素对粒子相分离过程的影影响机制，为实现乳胶粒子结构的合成可控化提供了技术和理论基础。基于本项目工作的顺利开展，我们对研究内容进行了扩展，合成了一系列功能聚合物粒子，并采用红外光谱法解析了两亲性嵌段共聚物的分子间氢键作用对其自组装的影响、多重氢键超分子结构的可逆组装对乳胶膜自修复性能的影响、杂化聚合物的相分离机理等。基于本项目的支持，我们共发表学术论文10篇，申请技术发明专利1项。已经建立了光谱法解析有机硅杂化粒子的相分离分析方法，进一步的深入研究将在今后继续跟进。