用于JS防水涂料的醋丙乳液的合成

2014-12-04郑光普

化学与粘合 2014年1期

郑光普，刘毅

（1.河北保定第一中学，河北保定071000；2.保定光普化工研究所,河北保定071000）

引言

传统的防水材料例如油毡、沥青等，存在着污染环境，不易施工，耐候性差等缺陷。而随着人们健康，安全，环保意识的不断增强，防水材料的水性化趋势越来越明显。聚合物水泥防水涂料具有绿色环保，性能稳定，施工简便，强度高，抗冲击性强等优点，成为人们建筑防水材料的主流产品。

聚合物水泥防水涂料，由聚合物乳液、粉料（水泥粉，钙粉等）及添加剂通过合理配比，混合搅拌均匀，经无机粉料的水化反应及有机乳液的交联固化，复合而成。聚合物乳液对聚合物水泥防水涂料的耐水性，弹性，韧性等综合性能起着决定性的作用。只有提高乳液的品质，才能从根本上提高聚合物水泥防水涂料的性能，满足防水材料行业的发展需求。我研究所开展了以N-羟甲基丙烯酰胺、有机硅氧烷、丙烯酸-2-羟丙酯为交联单体对醋丙乳液进行改性的研究，所得醋丙型防水乳液涂膜耐水性能好，粘结力强，抗拉强度高，可满足聚合物水泥防水涂料的要求，具有广阔的市场应用前景。

1 实验部分

1.1 主要原料

丙烯酸丁酯（BA），北京东方化工厂；醋酸乙烯（VAC），北京东方化工厂；丙烯酸-2-羟丙酯（HPA），北京东方化工厂；保护胶AP-02，上海光普化工有限公司；分散剂DA-02，上海光普化工有限公司；N-羟甲基丙烯酰胺（NMAM）、有机硅氧烷A-171、碳酸氢钠、过硫酸铵、吊白块,市售产品；去离子水，自制。所有原料均为工业级。

1.2 主要仪器

电热恒温水浴槽，精密增力电动搅拌器，恒温干燥箱，旋转式黏度计，电光分析天平。

1.3 乳液制备工艺

（1）将去离子水、保护胶加入反应瓶，在搅拌下开始升温，待保护胶完全溶解后加入乳化剂和碳酸氢钠。

（2）主体反应阶段：温度控制在80～85℃，加入引发剂，匀速滴加丙烯酸丁酯、醋酸乙烯及交联剂组成的混合单体，4h滴加完毕。

（3）保温继续反应阶段：温度控制在85～90℃，保温2h。

（4）后消除阶段：保温结束后，降温，65～75℃加入吊白块溶液。降至常温，调胶、过滤出料。

1.4 乳液的表征

1.4.1 固含量的测定

取2g乳液，在120℃烘干至恒重，记录烘干前后乳液聚合物质量，计算固含量。

固含量=样品干重/样品湿重×100%

1.4.2 黏度的测定根据GB/T11175-2002，采用NDJ-1旋转式黏度计，选择合适的转子测定乳液黏度。

1.5 醋丙型防水乳液性能的检测

1.5.1 耐水性的测定

将乳液涂在玻璃上，在室温干燥48h后，成为透明薄膜。将玻璃板和薄膜一起浸入水中，观察胶膜的变化。浸泡48h后，基本不泛白、且薄膜无皱皮、翘边、脱落现象，视为合格。

1.5.2 冻融稳定性的测定

取50g乳液放置于100mL的玻璃杯中，在（-20℃±1℃）的冰箱中冷冻18h，再于23℃下融化6h，连续五个循环，乳液不破乳，其冻融稳定性视为合格。

1.5.3 拉伸强度的测定

参考标准JC/T894《聚合物水泥防水涂料》。

1.5.4 醋丙型防水乳液与水泥粉相溶性的测定

将水泥粉和乳液按照1∶1混合、搅拌均匀，所得浆料黏稠而细腻，流动性好，视为合格。

2 结果与讨论

2.1 醋丙乳液的物化指标及性能

见表1。

表1 醋丙乳液的物化指标Table 1 The physical and chemical indexes of the vinyl acetate-acrylate emulsion

表2 物理性能Table 2 The physical properties

2.2 保护胶对乳液合成的影响

聚合物水泥防水涂料的配方中有水泥、石英砂、重钙等填料及多种助剂。水泥是一种碱性很强的活性物质，水化时分解出大量带电离子如Ca2+、Al3+能够破坏维系乳液稳定性的双电结构，致使乳液破乳、凝絮[1]。

保护胶有助于提高乳液的稳定性。保护胶的水溶性聚电解质大分子以物理形式吸附在乳胶粒的表面，或者以离子键、氢键、共价键等形式接枝在乳液粒的表面。结合在乳液粒表面的聚电解质将会加厚乳胶粒周围的双电层。在低的电解质浓度下，双电层的厚度远远大于聚介质层的厚度，在此情况下VR很大，故体系稳定。反之，在高电解质浓度下，双电层将要被压缩，VR变小甚至降低至零，在此情况下，在乳胶粒表面上仍然存在一个很厚的大分子水化层，对凝聚造成空间障碍，故体系依然稳定[2]。保护胶在乳液的干燥成膜过程后，不会随着水分的挥发而挥发掉，而是残留在胶膜中，极易吸收水分从而影响胶膜的耐水性。作为防水涂料的基础乳液，耐水性越高越好，故保护胶的用量在保证聚合稳定及相关性能合格的前提下越少越好。

表3 AP-02 对乳液合成及性能的影响Table 3 The effects of AP-02 on the synthesis and properties of emulsion

实验表明，醋丙型防水乳液在乳液聚合过程中，AP-02保护胶加入量不低于乳液总投入量的1.2%时，乳液聚合稳定，黏度适中，各项性能合格。

2.3 交联剂对乳液性能的影响

交联剂的作用就是在聚合物线型的分子之间产生化学键，使线型分子相互连在一起，形成立体网状结构，从而提高聚合物分子的内聚强度，提高乳液的性能。同时，官能团单体增多，在聚合过程和储存过程中易发生反应的官能团之间的接触的机会就增大，交联凝聚倾向增大。在成膜时，官能团越多，交联密度就越大，胶膜的各项性能也相应提高[3]。

2.3.1 有机硅氧烷对防水乳液耐水性能的影响

有机硅氧烷是由硅原子和氧原子交替构成稳定骨架（共基本结构单元是-Sī-O-），与硅原子相连的为各种有机基团。由于有机硅氧烷这种特殊的分子结构，使其具有优异的耐水、耐磨、耐高低温和耐化学腐蚀性能[4]。由于有机硅氧烷A-171分子中含有双键，可参与共聚反应。A-171用量对聚合稳定性及耐水性的影响如表4所示

表4 A－171 对聚合稳定性及耐水性的影响Table 4 The effect of A－171 on polymerization stability and water resistance

实验表明，在防水乳液的聚合物主链上引入A-171有机硅氧烷，可以提高耐水性能；但是随着用量增加，凝胶也逐渐增多。当A-171有机硅氧烷的用量超过单体总量的0.7%时，醋丙型防水乳液的涂膜浸水48h后，基本不泛白，且涂膜物无皱皮、翘边脱落现象。

2.3.2 NMAM对乳液性能的影响

防水乳液在聚合过程中，NMAM作为共聚单体引入反应体系中，使共聚物链中带有N-羟甲基基团。在成膜过程中，N-羟甲基之间可发生缩合反应[5]。实验证明，当NMAM的用量是单体总量的2%时，可以显著地提高醋丙型防水乳液涂膜的抗拉伸强度和断裂伸长率等。

2.4 分散剂DA-02对乳液与水泥粉混溶性的影响

在聚合物水泥防水涂料的生产过程中，水泥粉的分散是一个很主要的生产环节，直接关系到防水涂料的储运、施工、外观及胶膜的性能。水泥粉颗粒与水之间不能完全润湿而形成团聚，引起黏度增高。为了使水泥粉很好地分散在乳液中、存储运输工程中不产生沉降，必须加入适量的分散剂。分散剂DA-02对乳液与水泥粉混溶性的影响见表5。

表5 DA－02 对乳液与水泥粉混溶性的影响Table 5 The effect of DA－02 on miscibility of the emulsion with the cement powder

实验表明，加入分散剂DA-02后，混合浆料的黏度明显降低，流动性越来越好，易于施工。这是由于DA-02分散剂加入到混合浆料中后，通过充分搅拌研磨，吸附在粉碎成细小微粒的颜料表面，使固体粒子表面形成双分子层结构,外层分散剂极性端与水有较强亲合力,增加了固体粒子被水润湿的程度，固体颗粒之间因静电斥力和空间位阻效应而远离，防止分散了的固体粒子再度形成有害的絮凝，可保持分散体系处于稳定的悬浮状态。