成膜特性（共5篇）
成膜特性 篇1
魔芋葡甘聚糖是由摩尔比为1∶6的葡萄糖和甘露糖残基主要通过β-1, 4糖苷键连接而成的高分子多糖, 具有水溶、增稠和凝胶等特性。KGM在适当的条件下能够成膜, 但膜的强度和阻湿性较差, 因而限制了KGM作为一种可食性膜材料的应用。
本试验在脂肪酶的催化下, 使用月桂酸与KGM进行酯化反应, 将产物制成可食性膜, 对膜的特性进行分析, 并进行工艺优化。
1 试验材料与方法
1.1 材料与仪器
魔芋精粉, 120目, 湖北强森魔芋科技有限公司;月桂酸, 化学纯, 国药集团化学试剂有限公司;猪胰脂肪酶等。JB-2型恒温磁力搅拌器和SHA-C水浴恒温振荡器等。
1.2 试验方法
1.2.1 酶催化月桂酸KGM酯化改性
称取8.000g KGM加入具塞锥形瓶, 再依次加入100m L丙酮、月桂酸29.680g、催化剂脂肪酶0.800g;放入50℃恒温水浴振荡器中, 反应72h终止反应, 抽滤得到产物, 再用丙酮洗涤后烘干至恒质量。其中月桂酸用量[Acyl]/[OH]=1.0 (mol/mol) 。
1.2.2 取代度 (DS) 的测定
分别称取0.500g的月桂酸KGM酯和纯KGM于250m L的锥形瓶中, 加入50.0m L蒸馏水, 放于50℃水浴中搅拌0.5h后加入40.0m L 0.500 mol/L的氢氧化钠标准溶液, 摇匀, 然后放于30℃水浴中皂化5h。滴加2滴酚酞指示剂, 用0.500mol/L的盐酸标准溶液滴定至红色刚刚消失即为终点, 记录体积为V1, 纯KGM记录体积为V2。
式中:V1、V2分别为月桂酸KGM酯和纯KGM滴定时所用HCl的体积, m L;c为HCl的浓度, mol/L;m为月桂酸KGM酯的质量, g。
式中:43为乙酰基的相对分子质量;162为KGM每一个残基单元的相对分子质量;1为H原子的相对原子质量。
1.2.3 红外光谱的测定
样品用傅里叶红外光谱仪分析, 考察酯化前后KGM官能团在红外区吸收的变化情况。
1.2.4 膜的制备
分别称量适量月桂酸KGM酯及纯魔芋粉, 溶于200m L去离子水中, 加入适量甘油, 0.060g明胶, 磁力搅拌0.5h后75℃恒温水浴0.5h, 排气后置于槽内, 60℃干燥8h后揭膜保存。
1.2.5 膜性能的测定
1.2.5. 1 膜厚度的测定
使用螺旋测微器测量膜的厚度, 在每个膜上不同位置分别测量3次, 取平均值。
1.2.5. 2 力学性质
将膜裁剪成10mm×120mm大小, 测定: (1) 拉伸强度TS; (2) 断裂伸长率E以膜在破裂点的百分伸长率表示。夹距80mm, 拉伸载荷250N, 试验速度100 (±10) mm/min。
拉伸强度TS=P/ (b×d)
式中:P为最大负荷, N;b为样品宽度, mm;d为样品厚度, mm。
1.2.5. 3 水蒸气透过率 (WVP)
称取5.000g粉末状无水Na SO4置于称量瓶中 (30mm×40mm) , 紧密覆盖在称量瓶口上并密封, 将称量瓶放入装有饱和Na Cl溶液的干燥器中, 以保持样品膜两侧湿度差为75%。
待平衡2h后, 在24h之内称量4次, 称量精确到0.001g。质量变化对时间作图, 为一条直线 (R2≥0.99) , 水蒸气迁移率 (WVTR) 由此直线的斜率 (g/s) 被有效透过面积 (m2) 除算得。
计算公式如下:
式中:WVP为水蒸气透过率, g/ (s·m·Pa) ;S为测量温度下水的饱和蒸汽压, Pa;R1为环境湿度;R2为称量瓶内湿度;D为膜厚, m。
测得室温为20℃, 在20℃的饱和水蒸气压力为2.3388×103Pa, 则该温度下S× (R1-R2) =1754.1Pa。
2 结果与分析
2.1 KGM与月桂酸改性KGM产物性能的比较
2.1.1 取代度测定
采用上述方法对月桂酸KGM酯的取代度进行测定, 结果为0.247。
2.1.2 红外光谱测定
将KGM与月桂酸KGM酯的红外光谱图进行比较, 月桂酸KGM酯在1 750cm-1和650cm-1附近出现了C=O和 (CH2) n (n≥4) 两个新特征峰, 说明月桂酸与KGM发生酯化反应。
2.1.3 成膜特性的比较
由表1可知:月桂酸改性后KGM的成膜特性有了显著改善, 由于月桂酸疏水基团的引入, 减少了KGM分子中的自由羟基, 故阻湿性增强, 同时, 由于长脂肪链本身具有内增塑作用, 使断裂伸长率显著提高, 但抗拉强度下降。
2.2 KGM月桂酸酯成膜工艺优化
2.2.1 底物用量对膜性能的影响
由表2可知:随着月桂酸KGM酯的用量逐渐增加, 膜的厚度增加, 相应的抗拉强度和断裂伸长率也逐渐增大, 但当月桂酸KGM酯用量为3.000g时, 浓度过大, 使膜液黏度增大, 脱气困难, 形成的膜薄厚不匀, 易破裂, 力学性质显著下降。浓度过小时, 形成的膜厚度较薄, 易破裂;随着月桂酸KGM酯用量的增加, 疏水基团所占比例增加, 膜的阻水性能显著增强。
通过以上分析, 月桂酸KGM酯用量为2.500g时成膜特性最优。
2.2.2 甘油用量对膜性能的影响
由表3可知:随着甘油用量的逐渐增加, 膜的抗拉强度减小, 断裂伸长率有所增加, 其原因可能是甘油分子插入到月桂酸KGM酯分子之间, 其羟基与月桂酸KGM酯的极性基团相互作用, 削弱了分子间的相互作用, 使膜的致密程度下降, 抗拉强度下降;同时由于这种相互作用, 使分子链的移动性增强, 使膜的断裂伸长率增大;但由于甘油分子本身具有很强的吸湿性, 使膜的透湿性增加。
综合考虑以上因素, 适宜的甘油添加量为1.90m L。
2.2.3 糊化温度对膜性能的影响
由表4可知:随着糊化温度的升高, 膜的抗拉强度先增加后下降, 断裂伸长率和水蒸气透过率先减小后增大。适当的热处理可以使月桂酸KGM酯分子从原来的有序结构变为无序松散的结构, 有利于加强分子间的相互作用, 从而得到坚固致密的结构。所以力学性质及耐水性均得到增强。
但随着糊化温度的提高, 部分KGM发生分解, 性能又下降。
3 结论
在酶的催化下使月桂酸与KGM进行酯化改性, 取代度为0.247, 成膜后阻水性及断裂伸长率显著增强, 但抗拉强度有所下降。随着底物用量的增加, 相应膜的力学性能和阻湿性能均有所增加, 但用量过高, 膜液黏度过高, 脱气困难, 使膜的性能变差, 故最适用量为2.500g。随着甘油用量的增加, 膜的抗拉强度减小, 断裂伸长率增加, 透湿性增加, 综合考虑, 以1.90m L为最优。随着糊化温度的升高, 膜的抗拉强度先增加后减小, 断裂伸长率及水蒸气透过率先减小后增大, 以75℃为最优。
摘要：魔芋葡甘聚糖 (konjacg lucomannan, 简称KGM) 具有良好的成膜性能, 使用月桂酸通过酶法将其酯化改性, 以抗拉强度、伸长率、取代度和水蒸气通过率为膜性能指标, 进行单因素试验, 得出最佳工艺条件为:底物2.500g、甘油1.90mL和糊化温度75℃。
关键词：KGM,月桂酸,可食性膜
参考文献
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改性乳液在滤纸表面的成膜效果 篇2
超疏水表面由于具有巨大的实用价值和广阔的应用前景, 其研究正日益受人关注, 尽管目前已报道了多种可以成功制备超疏水表面的方法, 但大多方法制作成本较高, 过程复杂, 而且往往需要苛刻的条件或使用特殊的仪器设备, 难以大规模方便地制备超疏水表面, 因此, 研究出一种简单、方便的超疏水表面的制备方法很有必要。
1 实验部分
1.1 实验主要试剂
苯乙烯 (St) , 丙烯酸丁酯 (BA) , 甲基丙烯酸 (MAA) , N-羟甲基丙烯酰胺 (NMA) , 过硫酸铵 (APS) , 碳酸氢钠 (Na HCO3) , 甲基丙烯酸甲酯 (MMA) , 全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯 (FMA) , 乙烯基三乙氧基硅烷 (DB-151) , 十二烷基硫酸钠 (SDS) , 壬基酚聚氧乙烯醚 (OP-10) 氨水 (25~28%, 化学纯) , 以上所述试剂均为上海晶纯生化科技股份有限公司生产的阿拉丁试剂, 均可直接使用。
1.2 种子乳液的制备
按质量比m (OP-110) :m (SDS) =2:1, 量为原料单体的3%~5%左右, 溶解在40.0g水中, 配制得到乳化剂溶液, 备用;将0.8g APS溶于30.0g水中配制引发剂溶液;在装有搅拌棒、回流冷流管、温度计、恒压滴液漏斗的四口烧瓶中, 先将已配置好的乳化剂, 用量约50%, 蒸馏水80g, 适量的碳酸氢钠 (Na HCO3) , 搅拌5min, 室温下将核混合物单体 (St42.0g、BA20.0g、MMA13.0g、MAA2.8g、NMA2.2g) 混合搅拌乳化约30min, 得到预乳化核单体。加入后升高温度, 控制温度60℃。取20%预乳化核单体与30%的引发剂水溶液, 加入烧瓶中, 升温至77℃, 反应至釜液出现蓝色银光后恒温30min。同时滴加剩余的预乳化核单体与50%引发剂水溶液, 控制2h滴加完成。恒温2h, 得到种子乳液, 备用。
1.3 核壳乳液的制备
室温下, 将壳层混合单体与剩余乳化剂水溶液 (约50%) 搅拌乳化约30min, 得到壳单体预乳化液。升温至80℃, 同时往种子乳液中滴加壳单体预乳化液与剩余的20%引发剂水溶液, 滴加时间约1h, 滴加完成后恒温3h, 然后降温至40℃, 用氨水中和至PH=7左右, 过滤出料, 即可制备含氟、含硅的核壳型苯丙乳液。按含氟、含硅苯丙乳液不同核层混合单体配方m (FMA) :m (DB-151) :m (NMA) 配比制得不同乳液, 其中0号样品为0:0:0.4, 1号样品为11:0.4, 2号样品为2:2:0.4, 3号样品为3:3:0.4。
1.4 乳液浸渍滤纸涂膜的制备
溶剂挥发成膜法是比较简单的直接制备出无规共聚物的超疏水表面。分别取少量等量的0、1、2、3号乳液盛于容量相同的4个烧杯中, 将裁剪好的相同大小的滤纸分别浸渍于烧杯中, 浸渍时间为30min, 取出滤纸后用夹子悬挂, 自然晾干, 即可得到乳液浸渍滤纸涂膜。
1.5 涂膜表征数据的对比结果
以没有含硅-氟的乳液的0号样品作为参比样品, 分别对参比样品与实验1-3号样品进行乳液粒径分析及水滴接触角等检测方法进行对比, 通过实验结果的标准找出较佳的配比。
乳液粒径分析结果如下:
水滴接触角检测结果如下:
2 结果分析
由乳液粒径分析结果可知, 0至3号样品表面积平均粒径的分析结果依次为:0.214、0.176、0.175、1.732, 说明引入有机氟-硅混合单体后, 表面积平均粒径变小且更加均匀, 得到稳定的核壳结构乳液, 亦提高了乳液的成膜效果, 但随着氟-硅含量配比的增加, 3号样出现了较1、2号样表面积平均粒径增大的情况, 即均匀程度有所下降;由水滴接触角检测结果可以看出, 引入有机氟-硅混合单体后, 成膜的接触角较0号参比样表现为增大, 分别为96.49、110.99、93.99, 但3号样出现了成膜接触角较1、2号样减小的情况, 即疏水效果有变差的趋势。综上所述, 2号样的成膜均匀程度较佳, 疏水效果较好。综上所述, 利用含氟共聚物中含氟链段的特殊溶解性和低表面能, 通过选择合适的溶剂使含氟丙烯酸酯无规共聚物在溶液中产生特殊的微胶束结构, 控制好聚合物溶液配比情况和成膜条件, 可以用溶剂挥发成膜法比较简单的直接制备出无规共聚物的超疏水表面。
摘要：苯丙乳液是苯乙烯和丙烯酸酯类单体的共聚乳液, 广泛用作建筑涂料、地坪涂料、金属表面涂料和胶黏剂等。使用全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯 (FMA) 、乙烯基三乙氧基硅烷 (DB-151) 以一定比例制备改性苯丙乳液, 并对乳液性能及形成的涂膜性能进行了研究。对乳液和乳液聚合物形成的涂膜采用乳液粒径分析及水滴接触角分析等检测方法进行了表征, 结果表明, 聚合体系中引入有机氟-硅混合单体后, 在不同配比下, 粒度分析报告显示表面积平均粒径可以缩小至0.175左右, 不仅可以得到稳定的核壳结构乳液, 亦提能高乳液的成膜效果, 其成膜接触角最高提高了37%, 疏水效果明显增强。
关键词：苯丙乳液,改性乳液,滤纸涂膜
参考文献
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[2]唐新, 沈一丁.全氟丙烯酸酯改性苯丙乳液表面性能[J].应用化工, 2010 (04)
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胶印PS版用成膜树脂的研究概况 篇3
胶印是目前主要的印刷方式之一,它印刷速度快,工艺性能稳定,在文字、图片及新闻印刷中占绝对主导地位,是目前国内外普遍使用的印刷版材。随着印刷业的发展,要求版材具有高耐印力、高耐化学溶剂性、耐UV油墨印刷及优良的显影性能等[1]。胶印PS版主要分为感光PS(presensitized plate)版材和CTP(computer to plate)版材。版材的制作均通过在已电解氧化并有均匀砂目的铝版基上涂布胶液,干燥完成。成膜树脂作为涂层胶液中的主要成分,决定了版材的分辨力、耐化学品性、耐印力、显影性等重要性能。对于胶印PS版,按照成像机理的不同,可以分为阳图版和阴图版,其中阳图感光PS版是亚太地区最普遍使用的胶印版材。
本文调研了近些年来胶印PS版的相关文献,对于阳图及阴图PS版成膜树脂的研究概况进行了介绍,具体内容见下文。
2 研发背景
成膜树脂在胶印PS版中起成膜及粘结的作用,碱水或显影液可溶,有很好的亲墨性,但又具有油墨溶剂及印刷辅料不可溶的性质。它是胶印版材成像层中的主要组成之一[2]。其一般的设计原则如下[3]:
(1)与感光树脂有良好的溶解性,曝光后见光部分固化不易溶解;
(2)有一定的感脂性;
(3)显影及印刷时有高的耐磨性;
(4)与感光树脂共存时储存稳定性好。
2.1 阳图胶印PS版用成膜树脂
阳图胶印PS版使用的成膜树脂主要有3种,即酚醛树脂、烯类树脂及聚氨酯树脂。
2.1.1 酚醛树脂
线形酚醛树脂的原料价格便宜,生产工艺简单成熟,制造和加工设备投资少,成型加工容易,化学稳定性好,具有一定的粘结性和碱溶性,同时在胶印油墨溶剂中不溶,故在阳图胶印PS版成膜树脂中占主导地位。设计及合成适合胶印版应用要求的线形酚醛树脂一直是阳图感光PS版的研究重点。合成的线形酚醛树脂,可以选用甲酚、叔丁基酚等烷基取代酚,还可以选用间苯二酚、邻苯二酚、双酚A等多元酚。
酚醛树脂在胶印PS版的应用中虽具有优点,但也存在不足。比如,由于酚醛树脂通常由酚类和甲醛在酸催化下缩合得到,在树脂中必然有酚类残留,使感光液在涂布、干燥时的残留成分产生臭气,也会引起印版上脏。而且线形酚醛树脂在醇型润版液中的耐醇性能不高,影响耐印力,而对于新发展起来的环保型胶印油墨一UV固化油墨的耐受性较低。因而,各大PS版生产企业都进行了研发改进。
日本Think公司[4]研究室所用的酚醛树脂由间甲酚、对甲酚、3,5一二甲酚、2,5一二甲酚或间苯二酚与甲醛共聚.得到线性酚醛树脂,据称与版基的密着性好,显影性好,感度高。
三菱化学公司[5]采用混酚树脂作成膜树脂,得到了显影宽容度大的阳图平版版材。该专利分析认为:由于显影时酚醛树脂与碱溶液中的水形成了氢键,迅速溶解,从而促进了显影。
富士公司[6]则以酚醛树脂为主要成膜树脂,添加了丙烯酸类树脂来增加感度,得到了感度高、显影宽容度大、不上脏、着墨性好的版材。
目前,用于阳图PS版成膜树脂的线形酚醛树脂,主要是研究开发适应印刷制版快速化(高感度)、高耐化学药品性(耐润版水、油墨溶剂、洗车水等)、高耐印力和高分辨力的树脂。但这些性能在树脂的结构设计上往往是矛盾的。比如,一般的碱溶性好的线形酚醛树脂,在配方中的感度就较高,但亲墨性、耐化学药品性、耐印力就会下降;相反,若抗碱性提高,有助于提高耐化学药品性、耐印力,而感度往往会偏低。因此,线形酚醛成膜树脂的设计,主要是要把握好树脂各项性能的平衡。根据三菱和柯尼卡公司的研究,对于酚醛树脂的某些缺点,烯类树脂可以克服。
2.1.2 烯类树脂
烯类树脂主要是(甲基)丙烯酸酯类树脂,此类树脂用于阳图平版的较少。此外,烯类树脂还包括聚酰(亚)胺、聚(羟基)苯乙烯等。
(1)(甲基)丙烯酸树脂
用于胶印PS版的(甲基)丙烯酸酯类树脂具有一些酚醛树脂不具备的优点,比如耐印力高、烘版时不会产生臭气、突出的耐候性和耐老化性、分子质量的大小易于调节与控制、粘结性优良、毒性低等优点,故此类树脂受到广泛关注。为提高版材的某项性能,各大公司有专利称:以丙烯酸类树脂为主体,通过添加其他成分可以达到预期的效果。
富士公司[7]研发了一种采用(甲基)丙烯酸树脂作成膜树脂,添加乙烯醇酯类化合物,320~450 nm激光束曝光,产酸剂用锍锚盐、碘锚盐或磺酸酯类,同时添加三嗪类产酸剂,得到了用内鼓式扫描曝光,点线分辨率好、感度高的阳图直接制版的胶印印刷版材。
三菱和柯尼卡公司合作,合成了丙烯酸酯类与丙烯酰胺等单体聚合的树脂[8],该树脂与多羟基二苯甲酮酯化215重氮萘醌磺酰氯组合,有良好的耐化学药品性,用于UV油墨无需烘烤处理,但版材具有较高耐印力、感度高、显影宽容度好。用于阳图版材,与酚醛树脂作成膜树脂相比,感度略有下降。除甲基丙烯酸类树脂外,近年来聚苯乙烯树脂的应用发展也较快。
(2)聚苯乙烯树脂
聚苯乙烯树脂的引入是由于该聚合物可有效改善版材的某些性能。
大日本油墨公司[9]使用少量酚醛树脂和聚苯乙烯树脂有效提高了耐印力。为改善耐印力,有的公司将显影后的版材在180~320℃烘l min以上,使图像部分硬化,耐印力显著上升,但同时出现感度下降,显影能力下降,保存安定性劣化等问题;有的将硅粉末加入感光层,但显影时易出现沉淀。大日本油墨公司用聚苯乙烯树脂解决了以上问题。能提高耐印力的树脂除聚苯乙烯树脂外,聚丙烯酰胺树脂也可以有效提高耐印力。
(3)聚丙烯酰胺树脂
常用的体系是聚酰亚胺树脂,其侧链氨基形成较强氢键,使曝光后膜层的相互作用增强,耐印力增加,另外氨基的亲水性使版材的显影效果较好。
乐凯胶片集团公司第二胶片厂的姚新鼎等人[10]把具有碱溶性的马来酰亚胺类的结构单元、酸致相变性质的羧酸酯类结构单元的高分子聚合物用于阳图胶印版涂层,据称可使版材抗碱性好,显影宽容度大,储存稳定性高;而且耐印力高,且感光层耐化学药品性能优良,适用于UV油墨印刷。采用此类高分子可使普通平印油墨耐印力达到20万印以上,使UV油墨耐印力达到5万印且印刷时不产生污染。
2.1.3 聚氨酯树脂
聚氨酯树脂作成膜树脂的优点是可有效阻止显影对曝光区的损伤。不会影响显影对非曝光区的溶解,从而使印版具有高耐印力和良好的抗上脏性能。
富士公司[11]分析认为使用含羧基的聚氨酯树脂和含有磺酰胺的聚氨酯树脂可以改善耐印力。聚氨酯树脂具有良好的耐磨性,但当使用此类树脂时,平版印刷的修正步骤出现问题:用消去液修正不需要的非图像部分时非常困难,致使非图像部分上墨,版面出现上脏。富士公司在本专利中通过增加中间层,主要成分为含PKa<7的酸基的烯类,酸基如羧基、磺酸基、磷酸基等,改善了上述的现象,并得到了较好的耐磨性能。
2.2 阴图胶印印刷版用成膜树脂
阴图感光胶印PS版与阳图版材的成像机理不同,其成膜树脂的种类也有较大差别。用于阴图胶印PS版的树脂主要有烯类树脂、聚酰亚胺树脂和聚氨酯树脂。
2.2.1 烯类树脂
(1)聚乙烯醇缩醛树脂
目前,聚乙烯醇缩醛树脂在阴图PS版中应用最为广泛,而在此类树脂中效果较好的是含羧基的聚乙烯醇缩醛树脂,它具有良好的成膜性能、粘结性能和碱水显影性能。
富士公司[12]研发了一种可用于CTP数字直接制版版材的聚乙烯醇缩醛树脂,添加后版材显影宽容度大,图像部分着墨性优良,且该树脂耐磨性、成膜性、机械强度及抗化学药品性优良。
三菱化学公司[13]使用亲水性的聚乙烯醇作成膜树脂,选用不同的交联剂,例如乙二醛,在光源波长为750~1100 nm的激光下扫描成像,得到良好的感度和分辨率、印刷性能优良的印刷版材。
国内的邝良菊、邹应全等学者采用自制的酸酐改性的PVA树脂作为成膜树脂,进行了系列研究[14]。研究发现当PVA改性树脂,缩醛度为60~80mol%,酯化度为10~15 mol%,羟基为5~25 mol%,数均分子量为4~8*104,以B/P值4.0~4.5时与重氮树脂组成感光组成物,24h内涂布,可得具有较高的感度、良好的分辨率、着墨性能和耐磨性能的阴图PS版。
(2)(甲基)丙烯酸树脂
(甲基)丙烯酸树脂作为研究较为成熟的阴图成膜树脂在20世纪90年代以后发展迅速。一种是含有羧基和羟基的(甲基)丙烯酸树脂可以代替聚乙烯醇缩醛树脂与重氮感光树脂配合,用于感光阴图PS版,具有感度高,耐印力高的特点。另外就是含有不饱和双键的(甲基)丙烯酸树脂,由于双键在曝光时可以吸收光能发生聚合,而非曝光区的(甲基)丙烯酸树脂中羧基的存在促进了该区域的碱溶性,版材的感度得到提高,同时(甲基)丙烯酸树脂的分子质量一般较高,多数在20,000以上,高分子质量使得与版基的粘结力增强,从而提高耐印力。
烯类树脂在使用时需注意保存稳定性、印刷适应性、耐印力等问题,富士和三菱公司为此进行了很多研究工作。
富士公司[15]将侧链含有羧基的丙烯酸系树脂用于成膜树脂,羧基的引入使版材在曝光后,碱溶性增强,感度增加。富士公司使用含萘的有机硼盐和季铵盐作聚合引发剂,和红外吸收剂、表面活性剂等组合得到感度高、保存稳定性优良的版材。
富士公司[16]认为侧链含有不饱和基的成膜树脂可增加感度,耐印力也较高,但存放时易使性能劣化,印刷时产生残膜、上脏等现象。另外,曝光后,加热处理时若有残留物会发生反应,感度反而会降低。于是富士公司通过将侧链含有不饱和基的物质与聚丙烯酸酯类或丙烯酰胺类共聚,解决了以上问题,该体系同时添加聚氨酯树脂,达到良好的效果。
三菱化学公司[17]使用了在丙烯酸树脂侧链含有环氧乙烷类的树脂。用含硼有机物引发,染料采用常见的酞菁染料。对激光具有高感旋光性,感光液稳定,对版基的密着性好,且耐印力优良。
2.2.2 聚酰亚胺树脂
聚酰亚胺树脂具有与重氮树脂互溶、醇溶、透明,无色柔性、耐磨、耐霉、耐气候等优点。
柯达保丽光公司[18]选用聚酰亚胺树脂并加入光热转换物质,激光扫描后显影得阴图图像。优点是具有良好的耐化学试剂性;低PH值显影,与阳图相比,激光使用的时间延长。
除以上树脂外,聚氨酯树脂也曾被尝试作为阴图胶印印刷版用成膜树脂。
2.2.3 聚氨酯树脂
聚氨酯树脂可以有效地改善墨性和耐印力。聚氨酯在20世纪90年代后应用于平版印刷领域。最初记载[19]线形的聚氨酯树脂与重氮化合物组合既可作阳图又可作阴图感光组成物,但这种组成物的缺点是制造感旋光性复写材料时复写次数有限,且在常用的涂层溶剂,如乙二醇单乙醚中的溶解度比较低,溶液几次过滤残渣不易除去,显影非常困难,上机印刷耐印力差。
日本冈本化学工业公司[20]认为主体成膜树脂若用酚醛树脂,保护膜脆,耐冲击性差,与支持体粘结性差,耐印力不高。发明中的聚氨酯树脂由2,3一丁二醇与二异氰酸酯反应制得,感光基为羧基和硫醇基。实施例表明可得到高感度、高耐印力、显影性能优良、抗显影液疲劳的优良版材。
3 结束语
非PFOA型水成膜泡沫灭火剂 篇4
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
85-2型恒温磁力搅拌器;JA2003N型电子精密天平;BZY-A型自动表面张力仪;低倍泡沫仪。
椰油酸二乙醇酰胺, AR;羟乙基纤维素钠, AR;黄原胶;乙二醇, AR;二乙二醇单丁醚, AR;多聚磷酸钠, CP;a-烯烃磺酸盐;C8-10烷基磺酸钠;聚丙烯酸共聚物;RfCONHCH2CH2N (CH2CH2COONa) 2氨基酸型氟碳表面活性剂。
2 实验方法
2.1 表面性能测试
采用拉起液膜法测定溶液表面张力。每组溶液测3次, 取平均值。
2.2 油面上铺展性能
溶液的铺展系数可以按式 (1) 计算。
Sw/o=γo- (γw+γw/o) (1)
式中:Sw/o为铺展系数, mN/m;γo为环己烷的表面张力, mN/m;γw为溶液的表面张力, mN/m;γw/o为溶液与环己烷之间的界面张力, mN/m。
2.3 发泡稳泡性能
采用最新标准GB 15308-2006《泡沫灭火剂》中低倍数泡沫的检测方法。配制100 L 泡沫溶液, 加入耐压储罐。控制泡沫溶液温度, 使标准泡沫枪产生的泡沫温度在15～20 ℃;启动空气压缩机, 调节放气阀, 使标准泡沫枪入口的压力稳定在0.63±0.03 MPa, 确保泡沫枪的流量在11.4±0.4 L/min;用水润湿泡沫接收器的内壁、擦净, 称重M1;打开标准泡沫枪的阀, 经30±5 s, 使耐压储罐到标准泡沫枪之间的管线都充满泡沫溶液。标准泡沫枪水平放置, 使泡沫喷射到收集器中心位置;用析液测定器接收泡沫, 同时启动秒表;擦去析液测定器外面的泡沫, 称重 (M2) , 按式 (2) 计算25%析液质量M3。
M3=M2/4 +96.075 (2)
取下析液测定器下的析液接收罐放在台秤上, 泡沫收集罐放在支架上, 注意保持析出液滴在析液接收罐中, 当析出液体为M3时, 卡停秒表, 记录25%析液时间。
按式 (3) 计算发泡倍数E。
E =1 600/ (M2-M1) (3)
2.4 丙酮稳泡性
取250 mL烧杯倒入100 mL丙酮, 观察消泡时间。
2.5 灭火剂灭火性能测试
将燃烧盘放在地上, 调平;加90 L水, 使盘底全部被水覆盖, 在盘中加120±5 L燃料, 调整好标准泡沫枪的位置。标准泡沫枪水平安放, 高于燃料液面1 000±50 mm。应使泡沫中心射流直接落在距远侧盘壁1 000±100 mm处的燃料表面上;加完燃料5 min内点燃油料, 在火焰布满燃烧盘时开始记录预燃时间, 预燃60±5 s开始施加泡沫;施加泡沫时间为180±2 s。记录灭火时间。 如停止施加泡沫后火焰没有熄灭, 可等待观察火焰是否熄灭, 如果火焰熄灭, 记录灭火时间。在施加泡沫结束至抗烧试验开始时, 允许盘中有水平尺寸总和不大于500 mm的闪燃火焰存在。施加泡沫允许短时间停顿, 停顿时间应记入总施加泡沫时间;停止施加泡沫300±10 s 后, 在燃烧盘中央放入装有2±0.1 L燃料的抗烧罐, 点燃抗烧罐中燃料, 记录抗烧时间。
3 结果分析
3.1 水成膜泡沫灭火剂配方
将RfCONHCH2CH2N (CH2CH2COONa) 2氨基酸型氟碳表面活性剂添加有机溶剂、抗冻剂、助溶剂、鳌合剂等辅助组分, 研制出性能良好的新型泡沫灭火剂的浓缩液, 见表1。
在配制浓缩液时, 有机溶剂必不可少, 适当的有机溶剂还可起到增泡和稳泡作用, 有机溶剂种类繁多, 笔者选择二乙二醇单丁醚 (DB) 。抗冻剂选择乙二醇, 助溶剂选择尿素, 鳌合剂选择EDTA。
3.2 各成分对水成膜灭火剂性能的影响
3.2.1 发泡剂用量对水成膜性能的影响
当氨基酸型氟碳表面活性剂的质量分数为0.18%, AOS∶C8-10的比例为1∶3, 且黄原胶的质量分数为0.009%, 6501的质量分数为0.24%时, 测定不同发泡剂量的性能。表面性能如图1所示, 泡沫性能如图2所示。
由图1、图2可以看出, 发泡剂的用量对发泡能力、25%的析液时间以及表面张力的影响都很大, 随着发泡剂浓度的增加, 发泡能力和25%的析液时间达到最大后保持平稳, 而表面张力则先降低后又升高。一般取略超过表面张力临界浓度为宜, 则碳氢表面活性剂质量分数在0.4%左右时, 表面张力、发泡能力和25%的析液时间最理想。这主要是由于氟碳表面活性剂和碳氢表面活性剂一个偏两性型, 一个偏阴离子型, 使得一个带正电荷一个带负电荷, 因此异电性亲水基之间强烈的静电吸引作用使表面活性剂分子在表面吸附层的排列更紧密, 从而进一步降低水溶液的表面张力, 即达到全面增效作用。
同时碳氢表面活性剂疏水链长增加具有两方面的作用。一方面使CMC降低, 相应地降低了临界铺展浓度;另一方面当碳氢链长度超过碳氟链时, 超出的碳氢链部分有可能发生弯曲而部分覆盖碳氟链, 使最外面碳氟链的密度相对下降, 导致表面张力高, 因而使临界铺展浓度增加, 甚至当水溶液表面张力增加到一定程度, 导致铺展系数小于零, 以致不能铺展。此外, 碳氢表面活性剂疏水链长增加也同时降低了碳氟表面活性剂的溶解性, 使得表面张力升高。
3.2.2 稳定剂对水成膜性能的影响
当氟碳表面活性剂的质量分数为0.18%, 碳氢表面活性剂的质量分数为0.6%, 黄原胶的质量分数为0.009%时, 选择具有代表性的稳泡剂椰油酸二乙醇酰胺6501 (1∶1.5) , 研究其对添加黄原胶后的水成膜泡沫灭火剂的泡沫性能影响, 结果如图3、图4所示。
由图3、图4可知, 加入6501稳定剂后, 产生的泡沫更加稳定。同时, 随着6501的加入, 表面活性剂的表面活性也越来越大。这是因为这种大分子物质使溶液的粘度增大, 液膜中的液体不易排出, 使液膜变薄的速度变慢, 因而延缓了液膜的破裂时间, 泡沫的析液时间越来越长。当6501质量分数为0.18%时, 25%析液时间已超过2.5 min, 这时的溶液发泡倍数为7.2, 符合灭火剂要求。由此确定6501用量为0.18%。
3.2.3 增稠剂对水成膜性能的影响
由于氟碳链具有很强的憎水性, 单一氟碳表面活性剂的泡沫排液速度很快。而实际灭火中, 要求泡沫有慢的排液速度。因此, 考虑加入一些亲水性高分子冲淡氟碳链憎水性, 增加泡沫液粘度, 从而增加泡沫稳定性, 延缓泡沫析液时间。此外, 亲水性高分子还可增强泡沫的抗烧性能和抗复燃能力, 常用的亲水性高分子一般为多羟基化合物, 如黄原胶、桃胶、明胶、瓜儿胶等。
当氟碳表面活性剂的质量分数为0.18%, 碳氢表面活性剂的质量分数为0.6%, 6501 (1∶1.5) 的质量分数为0.18%, 聚丙烯酸共聚物的质量分数为0.01%时, 研究添加不同质量分数的黄原胶的稳泡效果, 结果见图5、图6所示。
由图5、图6可以看出, 随着黄原胶质量分数的增加, 泡沫25%析液时间明显增加, 这是因为在溶液中加入黄原胶后, 由于形成氢键的作用, 使表面粘度增大, 膜的强度增加, 泡膜内液体流失速度变慢, 气体透过性降低, 故可使泡沫寿命显著延长, 稳定性大提高, 但相应的由于溶液粘度过高, 使得体系一方面增加了液相的粘度, 使泡沫稳定, 另一方面使表面吸附的速度减慢, 表面张力在一定时间内增大。
根据实验现象, 未加黄原胶时, 产生的泡沫表层松散, 单个泡沫体积较大, 较易破灭;加入黄原胶后, 泡沫表层致密, 单个泡沫体积均匀细小, 泡沫较难破灭。但同时由于黄原胶的加入, 随着液相粘度的增大, 起泡时需要克服的粘滞阻力相应增大, 起泡能力就会减弱。
由于黄原胶在油面可以漂浮, 使得加入黄原胶在一定程度上可以反映其抗溶性。测定0.003%黄原胶在丙酮上稳泡性, 结果见图7所示。测定不同浓度下黄原胶在丙酮上的稳泡性能, 结果见图8。
由图7、图8可以看出, 随着黄原胶用量的增大, 丙酮稳泡时间越长。这主要是黄原胶和聚丙烯酸共聚物能在丙酮表面形成一层致密的白色薄膜, 能起到抗溶作用。
考虑到黄原胶的溶解性能差, 体系中添加不易太多, 只能添加少量, 根据制作工艺以及实际效果, 选择质量分数0.003%为最佳添加量。
3.2.4 稳泡剂对水成膜性能的影响
当氟碳表面活性剂的质量分数为0.18%, 碳氢表面活性剂的质量分数为0.6%, 6501 (1∶1.5) 的质量分数为0.18%, 聚丙烯酸共聚物的质量分数为0.01%, 黄原胶的质量分数为0.003%时, 泡沫倍数可以达到7.3, 稳泡可以达到3.30 min, 虽然可以达到国家标准, 但泡沫很稀易破碎, 真正灭火时的效果很差。为了进一步完善其效果, 在配方中加入羟乙基纤维素, 测定不同浓度羟乙基纤维素的稳泡效果, 结果如图9所示。
根据GB 17427-1998《水成膜泡沫灭火剂》综合考虑, 由图9可以看出, 当羟乙基纤维素的质量分数在0.055%时, 泡沫稳定时间长达5 min。羟乙基纤维素引起溶液粘度增加的幅度较小, 这类稳泡剂作为一种活性物质加入起泡液中, 通过协同作用增强表面吸附分子间的相互作用, 使表面吸附膜强度增大, 提高薄膜的质量, 增加薄膜的弹性, 减小泡沫的透气性, 从而提高泡沫的稳定性。
3.2.5 氟碳表面活性剂复配
将氨基酸型氟碳表面活性剂与两性氟碳表面活性剂按100∶1的比例复配, 测定其不同质量分数下的表面张力, 测定结果如图10所示。
由图10可以看出, 氨基酸型氟碳表面活性剂加入Intechem-01氟碳表面活性剂 (FC-01) 后表面张力明显降低了。Intechem-01氟碳表面活性剂属于阴离子型氟碳表面活性剂。由于氨基酸型氟碳表面活性剂为两性, 而两性离子表面活性剂分子中有正电荷存在, 溶液中阴离子表面活性剂和两性离子表面活性剂之间存在着强烈的相互作用。氨基酸型表面活性剂的正电荷和Intechem-01阴离子基团存在静电吸引作用, 而且两者都存在疏水相互作用, 因而在液/气界面表面活性剂分子排列的更致密, 吸附量更大, 故复配后表面活性更高。
3.3 水成膜泡沫灭火剂的性能评价
用自来水配制3%水成膜泡沫灭火剂, 测试其各项性能指标, 测定结果与国际标准对比如表2所示。
由表2可以看出, 水成膜泡沫灭火剂各项性能指标均已达到国家标准要求。
4 结束语
(1) 非PFOA新型高浓度水成膜泡沫灭火剂灭火迅速, 可以在6～8 s将火熄灭。
(2) 非PFOA新型高浓度水成膜泡沫灭火剂抗烧时间可以达到15 min。
(3) 这一体系发泡倍数为6.8左右, 25%的析液稳泡时间可以达到5 min。
(4) 由于铺展系数可以达到2.2, 所以在油面上可以很快铺展。
参考文献
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[3]Garcia-ochoaf, Santos V E, Casas JA, et al.Xanthan gum:produc-tion, recovery, and properties[J].Biotecology Advances, 2000, (18) :549-579.
[4]王克亮, 杜姗.稳泡剂对泡沫性能影响室内实验研究[J].内蒙古石油化工, 2008, 22:4-5.
成膜特性 篇5
为验证该猜想, 我们以四面体 (本实验中所用到的四面体均为底面是正三角形、侧面为相同的等腰或正三角形) 为例, 在其成膜的基础上, 假定其他不同的成膜方式, 计算出不同成膜方式时的皂膜面积, 并与实际的皂膜面积做比较, 验证面积是否最小;其次, 通过用不同的框架结构进行成膜实验, 观察不同形状的框架结构所成皂膜的特点, 探究其成膜规律;最后, 我们对皂膜进行受力分析, 分析相交边或接触点张力是否满足受力平衡, 以维持皂膜的稳定, 进而实现膜面积的最小化原则[2]。测量肥皂液表面张力系数的方法有很多, 比如液膜气泡法和拉脱法等[3], 本文没有对皂膜表面张力系数进行测量, 感兴趣的读者可以进行实验测量。此实验中, 我们忽略液体表面重力对皂膜形状的影响。
1 提出假设并进行验证
1.1 假设所成皂膜的交汇点到底面三角形的距离与四面体的斜边边长大小无关, 与四面体的底面正三角形有关
为此, 我们制作了多个底面为相同边长的正三角形, 侧面为不同腰长的等腰三角形来进行实验 (见图1~5) 。
图1 (底面边长5cm, 斜边边长12cm)
图2 (底面边长7cm, 斜边边长10cm)
通过进行多组实验, 观察其实验现象可以看出, 所成皂膜的交汇点到底面的距离大致相同, 证明了我们的假设成立。对此, 我们进一步提出假设, 定量的来分析所成皂膜是否与斜边的边长无关。
1.2 假设四面体的底面正三角形边长为固定值, 不论斜边边长如何变化, 可以通过计算得出:所成皂膜的交汇点到底面的距离为一定值
假设底面边长为a, 斜边边长为b, 交汇点到底面的距离为x, 正四面体顶点到底面的距离为h。如图6所示。
图4 (底面边长7cm, 斜边边长7cm)
这就说明时为面积大小的一个极小值点。
由此可以看出x的值与斜边边长无关, 只与底面正三角形的边长有关, 故定量分析所得到的结论与假设相一致, 即假设成立。
这时, 我们提出猜想, 当四面体的高度h小于时, 根据上述结论, 实验所成皂膜不会存在交汇点。为此, 我们又制作了四面体顶点到底面距离h分别大于、小于以及等于 (a表示底面正三角形的边长) 的四面体, 如图7和图8所示。
通过进行大量的实验并观察实验现象可以发现:
当h大于时, 所成皂膜有明显交汇点;
当h小于或等于时, 所成皂膜没有交汇点, 所成膜的面积大小就是侧面三个等腰三角形的面积大小。
这一实验现象也进一步佐证了假设猜想的正确。
2 实验结论
为探究不同框架四面体所成皂膜的特点规律, 我们制作了多个底面边长相等而斜边边长不相等的四面体, 经过反复的实验及论证, 发现了当底面边长一定而斜边边长不断变化时, 所成皂膜交汇点到底面距离等于一定长的实验现象。
为进一步验证该结论, 我们对所成皂膜的面积进行定量的计算, 由计算结果可知所成膜面积在的范围内所成膜有交汇点, 此时即时有膜面积最小值;当时所成皂膜没有交汇点, 所成皂膜膜面积也就是侧面三个相同等腰三角形的面积, 并且在这种条件下该膜面积亦是所成皂膜膜面积的最小值。
由以上假设及实验的论证, 我们得出了皂膜面积趋于最小的结论。
3 结束语
1744年法国科学家皮埃尔一路易·莫罗·德·莫佩蒂 (Pierre-Louis.Moreau.Maupertuis) 提出宇宙的总体模式, 后来被称为最小作用量原理。也就是说, 自然界总是使作用量减到最小。而肥皂膜和肥皂泡正是自然界中这种原则的最好体现[4]。为验证这一特点规律, 我们通过定性及定量分析两种分析方式, 得出了皂膜成膜面积趋于最小的实验结论。
摘要：台式皂膜实验是一个很有趣的演示实验, 通过改变金属框架结构的边界条件, 可以形成各种漂亮有趣的皂膜, 这种皂膜对称、连续、各个面有平面也有曲面, 由此我们假设其成膜面积趋于最小。通过实验探究皂膜成膜规律以及验证膜面积是否趋于最小。
关键词：台式皂膜,边界条件,表面张力系数,膜面积最小
参考文献
[1]王振东.多彩斑斓诚可爱——漫话肥皂泡[J].力学与实践.2014, 36 (4) :511-516.
[2]张凯, 万志强, 傅和青.水乳型胶黏剂成膜过程的研究进展[J].粘接, 2009 (7) :71-74.
[3]冷文秀, 胡家晨, 张鑫杰, 等.利用自制装备测量液体表面张力系数[J].大学物理实验, 2014 (3) :44-46.