丙烯酸酯乳胶涂料的制备及其在室内设计中的应用

2021-01-13王文玲虞家祺

合成树脂及塑料 2021年1期

王文玲，虞家祺

（1.江苏工程职业技术学院，江苏南通 226014；2.南通四建集团有限公司，江苏南通 226014）

室内设计需要不同颜色的涂料，不同的涂料具有不同的性质，而且制备涂料的过程中，易产生有害气体甲醛。丙烯酸酯乳胶涂料由于具有色彩饱和度大、色彩鲜艳、光滑稳定、抗冲击性能好的特点，在室内设计中占有重要地位［1］，逐渐取代了传统的油漆等材料。丙烯酸酯乳胶涂料能够将甲苯二异氰酸酯、苯、甲苯、二甲苯、甲醛、可溶性重金属等有害物质的含量降到最低。目前，丙烯酸酯乳胶涂料乳化剂的合成主要采用单体直接滴加法、预乳化法、种子聚合法、互穿网络聚合法［2］。其中，互穿网络聚合法是利用聚合物共混改性技术，使聚合物互相贯穿成交织网络状，形成一种综合性能较优的聚合物乳化剂［3］。本工作采用互穿网络聚合法合成了丙烯酸酯乳胶涂料乳化剂。丙烯酸酯乳胶涂料是基于二烷基磺基琥珀酸盐、聚氧乙烯烷酚基醚、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯类增稠剂、乙二醇、2-甲基-4-噻唑啉-3-酮、5-氯-2-甲基-4异噻唑啉-3-酮等助剂，并加入不同的颜料，制备而成的一种摩擦系数小、耐磨性强、抗冲击性能好、耐化学药品腐蚀性能强、抗变质性能强的室内设计用涂料。与传统室内设计采用的油漆、涂料相比，虽然丙烯酸酯乳胶涂料成本偏高，但其相对分子质量较优，并具备优异的综合性能，拥有较好的发展前景。本工作以丙烯酸酯乳胶涂料在室内设计中的应用研究为目的，采用实验验证方法，完成丙烯酸酯乳胶涂料的制备，并研究丙烯酸酯乳胶涂料在室内的应用情况。

1 实验部分

1.1 主要原料与试剂

二乙烯基苯，密度0.918 g/cm3，河南特莱尔化工产品有限公司。乙二醇二丙烯酸酯，密度1.086 g/cm3，汉拉那白医药化工有限公司。甲基丙烯酸甲酯，纯度99.9%，密度0.944 g/cm3，东莞市勤越塑胶原料有限公司。苯乙烯，纯度99.9%，密度0.909 g/cm3；丙烯酸丁脂，纯度99.5%，密度0.894 g/cm3：郑州创美化工产品有限公司。丙烯酸，纯度99.9%，密度1.050 g/cm3；甲基丙烯酸，纯度99.0%，密度1.015 g/cm3：广东中海南联能源有限公司。乙烯基三乙氧基硅烷，纯度99.5%，密度0.970 g/cm3，广州维立纳化工有限公司。甲醛合次硫酸氢钠，纯度97.5%，密度1.750 g/cm3，德州润昕实验仪器有限公司。十二烷基硫酸钠，纯度99.7%，密度1.090 g/cm3，苏州市万能化工有限公司。过硫酸铵，纯度95.0%，密度1.980 g/cm3，天津市鼎盛鑫化工有限公司。硫酸亚铁，纯度99.5%，密度1.897 g/cm3，无锡凤民环保科技发展有限公司。氨水，纯度25.0%，密度0.910 g/cm3，广西柳州亿炫化工有限公司。聚乙二醇辛基苯基醚，纯度99.5%，密度1.060 g/cm3，济南世纪通达化工有限公司。邻苯二甲酸二丁酯，密度0.973～0.977g/cm3，盐城化工科技有限公司。

1.2 主要设备

ZNHW-Ⅱ型控温温度计，巩义市予华仪器有限责任公司；MIK-PH160型pH测试仪，杭州米科Asmik传感技术公司。

1.3 丙烯酸酯乳胶涂料乳化剂的合成

采用二乙烯基苯、乙二醇二丙烯酸酯作为互穿网络聚合法的交联剂，以乙烯基三乙氧基硅烷、聚乙二醇辛基苯基醚分别作为聚合物乳液中核层与壳层，以甲基丙烯酸甲酯为主体，丙烯酸丁脂为保护剂，加入邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂，加入适量去离子水，合成丙烯酸酯乳胶涂料乳化剂。

丙烯酸酯乳胶涂料乳化剂合成配比：甲基丙烯酸甲酯39.0～50.0 kg（L），十二烷基硫酸钠2.0 kg（L），甲基丙烯酸2.0 kg（L），过硫酸铵（质量分数为10%的水溶液）0.4 kg（L），丙烯酸丁脂3.0 kg（L），乙烯基三乙氧基硅烷2.0 kg（L），聚乙二醇辛基苯基醚2.0 kg（L），甲醛合次硫酸氢钠（质量分数为10%的水溶液）8.2 kg（L），硫酸亚铁（质量分数为10%的水溶液）0.2 kg（L），去离子水100.0 kg（L）。

将原料按上述配比加入反应釜中，加热至90℃，并进行搅拌。在原料完全溶解后，冷却至65℃，分批加入甲基丙烯酸甲脂，回流30 min，并将温度升至80 ℃；甲基丙烯酸甲酯加入完毕后，冷却至50 ℃，用于提高丙烯酸酯乳胶涂料乳化剂的塑性，再冷却至室温，将氨水稀释至质量分数为10%，调整氨水pH值为7～8，得到白色乳液，即为丙烯酸酯乳胶涂料乳化剂。

1.4 丙烯酸酯乳胶涂料的制备

取定量去离子水、丙烯酸类单体、丙烯酸酯乳胶涂料乳化剂、助剂，按比例混合，采用强力搅拌机进行搅拌，室温条件下得到预乳化溶液，四颈瓶中加入少量预乳化溶液，水浴加热到62.0 ℃±0.5℃（实验环境为常压），逐步加入硫代硫酸铵以及硫酸亚铁水溶液，搅拌5 min。再加入10%（w）甲醛合次硫酸氢钠水溶液，同时加入润湿分散剂、消泡剂、增稠剂、成膜剂、防腐剂、防霉剂、pH调节剂、颜填料，在四颈瓶中进行搅拌。为了获得良好的丙烯酸酯乳胶涂料，甲醛合次硫酸氢钠水溶液最好分批加入，以免一次性加入，搅拌不均匀。当上述工序完毕后，在温度为62.0 ℃±0.5 ℃，常压条件下进行连续还原反应，反应时间为1 h。然后将温度降至40.0 ℃以下，采用氨水将丙烯酸酯乳胶涂料pH值调节至7～8，利用pH测试仪检查合格后，过滤，即得到丙烯酸酯乳胶涂料。

2 丙烯酸酯乳胶涂料的应用性能

丙烯酸酯乳胶涂料可通过加入不同的颜料，形成不同的色彩，在室内设计中具有非常独特的个性。丙烯酸酯乳胶涂料颜填料的选择一般为，颜料体积分数为45%～70%。颜基比（即颜料和填料与固体树脂之比）一般为（4.0～7.0）∶1.0。配合2-甲基-4-噻唑啉-3-酮与5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮的使用，能够显著减少甲醛释放量。

2.1 强抗腐蚀防霉性

因丙烯酸酯乳胶涂料的强抗腐蚀防霉性，使丙烯酸酯乳胶涂料在室内设计中得到了广泛的应用。防腐剂可以保证配制的丙烯酸酯乳胶涂料具有一定的保质期，在该期限内丙烯酸酯乳胶涂料不发生变化，而防霉剂的应用同样可以保证涂料不会发生霉变。本次制备的丙烯酸酯乳胶涂料主要采用的防腐剂为5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮、1,2-苯并异噻唑啉-3-酮、2-甲基-4-噻唑啉-3-酮。通常，2-甲基-4-噻唑啉-3-酮与5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮配合使用，可代替释放甲醛的防腐剂，加入量一般为丙烯酸酯乳胶涂料整体质量的0.1%～0.3%［9］。防霉剂是防止制备的丙烯酸酯乳胶涂料发霉。制备丙烯酸酯乳胶涂料通常采用的防霉剂主要包括2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮、苯并咪唑氨基甲酸甲酯、N′-（3,4-二氯苯基）-N,N-二甲基脲。本工作采用N′-（3,4-二氯苯基）-N,N-二甲基脲作为主要防霉剂，加入量为丙烯酸酯乳胶涂料整体质量的0.3%～1.2%。

丙烯酸酯乳胶涂料的抗腐蚀性以及防霉性使丙烯酸酯乳胶涂料表面稳定，不受天气的影响而变化，不易产生腐蚀，不发霉，能够始终表现出不同的色彩，具有长期的稳定性，不受室内环境影响而变化，丙烯酸酯乳胶涂料整体致密；但是过量的2-甲基-4-噻唑啉-3-酮与5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮会造成丙烯酸酯乳胶涂料的结合强度下降，易产生起皮脱落的现象，但2-甲基-4-噻唑啉-3-酮与5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮能够大幅提高丙烯酸酯乳胶涂料的色彩饱和度。

2.2 摩擦系数

增稠剂主要包括纤维素醚类增稠剂、碱溶胀型增稠剂、聚氨酯类增稠剂、无机增稠剂、络合型有机金属化合物类增稠剂，用于调整丙烯酸酯乳胶涂料的黏稠度。本工作采用聚氨酯类增稠剂，加入量为丙烯酸酯乳胶涂料总质量的3.0%。丙烯酸酯乳胶涂料通过高速搅拌机的搅拌，在聚二甲基硅氧烷的作用下，其颗粒粒径可达到微米级，加入聚氨酯类增稠剂，使丙烯酸酯乳胶涂料具有一定的光滑度，且具有较高的黏稠性。若仅通过聚二甲基硅氧烷对摩擦系数进行控制，聚氨酯类增稠剂加入量不变，那么丙烯酸酯乳胶涂料的流动性增加，表面易发生堆聚的现象，导致厚度不均。为此，聚二甲基硅氧烷与聚氨酯类增稠剂质量比设置为10∶3，使摩擦系数达到最大，同时通过调整高速搅拌机的搅拌时间、搅拌速率控制丙烯酸酯乳胶涂料的单体颗粒大小。

2.3 耐磨性和抗冲击性能

丙烯酸酯乳胶涂料应具有一定的强度和抗冲击性能。丙烯酸酯乳胶涂料的耐磨性和抗冲击性能主要取决于丙烯酸酯乳胶涂料的制备过程，在水浴加热过程中发现，温度为62 ℃时，丙烯酸酯乳胶涂料耐磨性和抗冲击性能最好，随着温度的升高或降低，丙烯酸酯乳胶涂料的耐磨性和抗冲击性能均呈下降趋势。当水浴加热温度低于40 ℃时，丙烯酸酯乳胶涂料的耐磨性和抗冲击性能降至原来的1/3，不能满足日常的使用要求，易产生掉皮脱落的现象，且较低的聚合温度，不能有效地将润湿分散剂、消泡剂、增稠剂、成膜助剂、防腐剂、防霉剂、pH调节剂（氨水）进行混合。

2.4 其他助剂的应用

除了上述原料助剂以外，研究的丙烯酸酯乳胶涂料助剂还包括湿润分散剂、消泡剂以及成膜剂。润湿分散剂能够将原料进行润湿和分散，保证搅拌的均匀性以及一致性。一般加入量为整体质量的1%。通常采用二烷基磺基琥珀酸盐、聚氧乙烯烷酚基醚、烷基萘磺酸钠等阴离子型表面活性剂作为润湿分散剂。消泡剂是防止在高速搅拌过程中产生气泡，降低丙烯酸酯乳胶涂料整体质量，本工作采用有机硅消泡剂（聚二甲基硅氧烷）在丙烯酸酯乳胶涂料制备过程中进行消泡，有机硅消泡剂具有用量少，消泡质量高的特点。加入适当的成膜剂可使丙烯酸酯乳胶涂料易成膜，成膜剂主要包括乙二醇、丙二醇乙醚、丙二醇、一缩乙二醇、甲基苄醇、己二醇、十二碳酯醇等，本工作采用乙二醇作为成膜剂，加入量为丙烯酸酯乳胶涂料总质量的0.1%。