空调换热器主要由铝翅片制成，而空调机的小型化、轻量化和高性能化使铝翅片间距普遍小于 1. 2mm。实际上，当翅片间距小于2. 0 mm 时，湿空气便会在翅片表面冷凝形成“水桥”，阻塞散热片之间的空气通路，于是不仅增大通风阻力和噪音，而且造成空调能耗提高，成本增加。因此，解决铝翅片间的“水桥”问题成为当今空调业发展的关键之一。目前，上普遍采用表面亲水涂膜处理，使铝翅片表面的水自行铺展形成水膜流失来解决这一问题。然而国内目前尚无高性能亲水涂料生产，所用涂料大部分依赖进口。因此，高性能亲水涂料的研究和开发对空调行业的发展重要。本文以丙烯酸类单体为原料，通过自由基溶液聚合，成功制备了具有良好亲水性能的丙烯酸酯树脂涂料。
1 实验部分
1． 1 实验原料
甲基丙烯酸甲酯( MMA) 、丙烯酸( AA) 、丙烯酰胺( AM) 、过硫酸铵( APS) 、氢氧化钠( NaOH) : 分析纯，成都市科龙化工试剂厂; 铝块: 工业品，佛山南海管窖南亿联铝制品有限公司; 蒸馏水: 实验室自制。
1． 2 亲水涂料的合成
将设定配方总质量 75% 的蒸馏水、20% 的 AM、AA、MMA 和 APS 加入到配备有温度计、搅拌杆、恒压滴液漏斗和回流冷凝管的四口烧瓶中，水浴升温至特定的温度，反应 30 min。然后将剩余的蒸馏水、AM、AA、MMA 和 APS 混合均匀倒入恒压滴液漏斗，通过恒压滴液漏斗向反应体系滴加混合单体，约 2 h 滴完。待混合单体滴加完毕后，恒温一定时间。加适量的NaOH ( 0． 5% ) 溶液中和，搅拌，即可制得具有一定亲水性的丙烯酸酯树脂涂料。
1． 3 试样制备
用细砂纸打磨铝块并用丙酮清洗干净，放入真空烘箱中干燥。待铝块表面完全干燥后，用线棒沾取约20% 质量分数的合成涂料均匀涂覆在铝块表面，然后放入真空烘箱中干燥，待用。
1． 4 分析测试
1． 4． 1 转化率测试: 向准确称量过的称样皿中加入适量的样品，称量，滴入阻聚剂对苯二酚( 5%) 水溶液2 ～ 3 滴，于 105 ℃ 的烘箱中干燥至恒量，转化率( C) 按式( 1) 计算。
式中: m0———体系总质量( g) ; m1———试样烘干前质量( g) ; m2———试样烘干后质量( g) ; mb———阻聚剂质量( g) ; mi———引发剂质量( g) ; md———单体总质量( g) 。
1． 4． 2 黏度测试: 室温下，采用 NDJ-8S 数字黏度计( 上海菁海仪器有限公司) 测试试样黏度。
1． 4． 3 红外光谱( FT-IＲ) 分析: 采用美国 Thermo Sci-entific 公司的 Nicolet iS10 型傅里叶变换红外光谱仪测试，波数范围为 4000 cm－ 1～ 400 cm－ 1。
1． 4． 4 DSC 分析: 氮气气氛中采用 DSC204 差示扫描量热分析仪( 德国，NETZSCH) 测试，升温范围 40 ℃ ～300 ℃ ，升温速率为 10 ℃ / min。
1． 4． 5 亲水性测试: 采用承德市成惠试验机有限公司 JGW-360B 型接触角测试仪测试试样与水的接触角。接触角越小，其亲水性越好。
1． 4． 6 中和度计算: 根据酸碱中和原理，中和度( ð)按式( 2) 进行计算。
式中: m1———NaOH 溶液的质量; wt———NaOH 溶液的质量浓度; m2———涂料的质量; c———涂料中 AA 的质量分数。
2 结果与讨论
2． 1 反应温度对单体转化率的影响
反应温度与单体转化率的关系见 Fig. 1。单体转化率随温度的升高呈现出先增加后降低的趋势。当反应温度为 80 ℃时，单体转化率高。一般地，在一定的温度范围内，升高温度会使引发剂的分解速率加快，聚合速率提高。所以，当保温时间一定时，随着温度的升高，单体转化率提高。但当温度超过某一范围时，随着温度的继续升高，一方面引发剂的分解速率过快，使引发剂浓度在短时间内迅速升高; 另一方面，较高的温度为大分子自由基提供更多的动能，使其扩散速率更快。而无论是过高的引发剂浓度还是较快的自由基扩散速率都会导致双基终止反应速率更快，使引发剂产生的自由基终止过多。此外，引发剂的半衰期随温度的升高会急剧缩短。在 80 ℃时，APS 的半衰期约为2 h，90 ℃ 时约为 0. 5 h，当温度升到 100 ℃ 时，APS 的半衰期则降到约为10 min。这些都会导致引发剂在很短的时间内被消耗掉，使反应后期存在体系中的自由基过少，从而使单体转化率降低。所以，当温度超过80 ℃ 时，随着温度的再度升高，单体转化率迅速下降。因此，将该体系反应温度控制在 80 ℃时较适宜。
2． 2 后期保温时间对单体转化率的影响
Fig． 2 是后期保温时间与单体转化率的关系图。随着保温时间的延长，单体转化率逐渐增大直至趋于平衡，且当保温时间低于 3 h 后，转化率与保温时间基本呈现线性关系。当保温时间超过 3 h 时，转化率的增长速率随保温时间的延长呈现出逐渐减小的趋势;当保温时间超过 5 h 后，转化率基本上不随保温时间的延长而增加。这主要是因为随着保温时间的延长，体系中的活性自由基含量和单体含量均逐渐减少; 相应地，引发剂浓度和单体浓度也都逐渐降低，这不仅使聚合过程中的引发速率降低，也使链增长速率降低。与此同时，体系中聚合物的含量增加，黏度也会随之增大，降低了单体和引发剂的扩散速率，进一步降低了聚合的链增长速率。当体系中引发剂含量和单体含量降至一定程度且体系的黏度增大到一定程度时，聚合速率几乎降至为零，单体转化率不再增加，此时继续保温意义不大。因此，对此反应体系，将后期保温时间控制在 5 h 较合适。
2． 3 红外光谱分析
Fig． 3 是合成的丙烯酸酯树脂的红外光谱图。3349. 65 cm－ 1～ 3200. 95 cm－ 1处为N － H伸缩振动吸收峰，同时和羧基上的 － OH峰在 3349． 65 cm－ 1处重合成一较宽的特征吸收峰，2949. 18 cm－ 1为亚甲基的伸缩振动吸收峰，1662. 91 cm－ 1为酰胺基上羰基的伸缩振动吸收峰，1415. 12 cm－ 1～ 1450. 12 cm－ 1处为甲基和亚甲基弯曲振动吸收峰，且 3107 cm－ 1处烯丙基= CH2中C － H的伸缩振动吸收峰消失。由此可见，单体已成功聚合成聚合物。
2． 4 AA 含量对涂膜亲水性的影响
Fig． 4 为不同含量的 AA 对涂膜亲水性的影响曲线图( 图中，m( MMA) /m( AM) =1/5，APS 用量为单体总质量的0． 5%) 。随着 AA 用量的增加，涂膜的接触角先减小后增大，当 AA 用量为10%时，涂膜的亲水性好，其接触角为28． 6°。当 AA 用量较少时，树脂中主要存在 － CONH2亲水基团，亲水基团相对单一，亲水性能较差; 而当 AA 用量过多时，树脂中又主要存在－ COOH亲水基团。此时，不仅亲水基团单一，而且由于 － COOH的亲水性小于 － CONH2，使得涂膜的亲水性能更加不能达到理想的效果; 当 AA 质量分数为10% 时，树脂中的亲水基团 － CONH2和 － COOH具有很好的协同作用，使得涂膜亲水性能好，接触角小。此外，AA 在该共聚物体系中不仅可以提高聚合物涂膜的亲水性也可以作为功能性单体( － COOH) 和无机交联剂进行交联，形成交联体系进一步提高涂层的耐用性。因此，本体系将 AA 用量控制在单体总质量的 10%左右。
2． 5 MMA 含量对涂膜亲水性的影响
不同含量的 MMA 对涂膜亲水性的影响如 Fig. 5所示( 图中，AA、APS 用量分别为单体总质量的 10%、0． 5% ) 。在一定范围内，随着 MMA 用量的增加，涂膜的接触角先增大后减小。当 MMA 的用量超过一定范围后，其接触角呈现继续增加的趋势。接触角越小，涂膜的亲水性越好。当 MMA 用量过低时，聚合物分子链侧基主要由 － CONH2和 － COOH组成，由于 2 种亲水基团很容易形成分子内和分子间氢键，使得聚合物分子链堆砌紧密，其亲水基团很难与水接触，其亲水性较差。当 MMA 低于单体总质量的 10% 时，随着 MMA用量的增加，涂膜接触角增加。这是因为增加的 MMA不足以破坏聚合物分子内氢键，同时由于 MMA 不具有亲水性，所以涂膜亲水性下降。当 MMA 超过单体总质量的 10%时，随着 MMA 用量的增加，聚合物分子间倾向于无规共聚，分子链排列有序程度降低，分子内氢键减少，使得亲水基团较容易与水接触，涂膜亲水性变好。当 MMA 为单体总质量的 20% 时，涂膜的接触角低，其亲水性好。当 MMA 超过单体总质量的20% ，由于疏水基团过多，亲水基团过少，涂膜的亲水性变差，其接触角增大。因此，将 MMA 用量控制在单体总质量的 20%时较好。
2． 6 中和度对涂膜亲水性的影响
通 常，基 团 亲 水 性 大 小 顺 序 为 － COOM ＞－ CONH2＞ － COOH ＞ － OH，其中，M 代表金属原子如 K、Na。因此，当聚合物分子链上引入有机盐成分时，涂膜的亲水性将在一定程度上得以提高。Fig. 6 是中和度对涂膜亲水性的影响曲线图。由此可知，中和度对涂膜的亲水性能影响很大。当中和度为 30% 时,涂膜的亲水性好，其接触角为8°。而当中和度大于30% 时，随着中和度的提高，其接触角迅速增大，这可能是由于高中和度使涂膜耐水性差，当水滴在膜表面时，涂膜很快被溶解且溶解时间短于实验测试时间，从而导致实验测定的接触角不完全是涂膜的接触角而是
铝块的接触角，图中中和度为 50% 时测得的接触角值说明了这一点，因为实验用铝块的接触角测试为49°。由此可见，当中和度为 30% 时，可以获得亲水性较好的涂膜。
2． 7 DSC 分析
Fig． 7 是根据实验探讨出的佳合成工艺( 反应温度 为 80 ℃，后 期 保 温 时 间 为 5 h，单 体 配 比m( AM) ∶ m( MMA) ∶ m( AA) = 7∶ 2∶ 1，引发剂 APS为单体总质量的0． 5%) 合成出的共聚物的 DSC 曲线。从 DSC 曲线图中可以得知，合成的共聚物的玻璃化转变温度约为 120 ℃，该玻璃化转变温度为亲水涂料具有良好的耐热性提出了切实的理论依据。
3 结论
本文以 AM、MMA、AA 单体为主要原料，APS 为引发剂，通过自由基水溶液聚合的方式，成功制备了高亲水性能的空调换热器用亲水涂料。实验结果表明，反应温度和后期保温时间对单体转化率影响很大，各反应单体含量和中和度对涂膜的亲水性能影响很大。共聚反应佳反应温度为80 ℃，后期保温时间为 5 h; 佳单体质量配比为m( AM) ∶m( MMA) ∶ m( AA) = 7∶ 2∶ 1。当以0． 5% NaOH 溶液为中和剂，且中和度为 30% 时，可以获得亲水性好的涂料，其涂膜接触角为8°。另外，当中和度达到一定程度以后，涂膜耐水性随中和度提高而降低，这为后期研究涂膜耐水性的必要性提供了理论依据，存在于共聚体系中的 － COOH( － COO － ) 和 － CONH － 基团可以作为后期交联剂选择的基础。
