用于JS防水涂料的醋丙乳液的合成

鄭光普，劉 毅

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

引 言

傳統(tǒng)的防水材料例如油氈、瀝青等，存在著污染環(huán)境，不易施工，耐候性差等缺陷。而隨著人們健康，安全，環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，防水材料的水性化趨勢越來越明顯。聚合物水泥防水涂料具有綠色環(huán)保，性能穩(wěn)定，施工簡便，強(qiáng)度高，抗沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為人們建筑防水材料的主流產(chǎn)品。

聚合物水泥防水涂料，由聚合物乳液、粉料（水泥粉，鈣粉等）及添加劑通過合理配比，混合攪拌均勻，經(jīng)無機(jī)粉料的水化反應(yīng)及有機(jī)乳液的交聯(lián)固化，復(fù)合而成。聚合物乳液對聚合物水泥防水涂料的耐水性，彈性，韌性等綜合性能起著決定性的作用。只有提高乳液的品質(zhì)，才能從根本上提高聚合物水泥防水涂料的性能，滿足防水材料行業(yè)的發(fā)展需求。我研究所開展了以N-羥甲基丙烯酰胺、有機(jī)硅氧烷、丙烯酸-2-羥丙酯為交聯(lián)單體對醋丙乳液進(jìn)行改性的研究，所得醋丙型防水乳液涂膜耐水性能好，粘結(jié)力強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度高，可滿足聚合物水泥防水涂料的要求，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

丙烯酸丁酯（BA），北京東方化工廠；醋酸乙烯（VAC），北京東方化工廠；丙烯酸-2-羥丙酯（HPA），北京東方化工廠；保護(hù)膠AP-02，上海光普化工有限公司；分散劑DA-02，上海光普化工有限公司；N-羥甲基丙烯酰胺（NMAM）、有機(jī)硅氧烷A-171、碳酸氫鈉、過硫酸銨、吊白塊,市售產(chǎn)品；去離子水，自制。所有原料均為工業(yè)級。

1.2 主要儀器

電熱恒溫水浴槽，精密增力電動攪拌器，恒溫干燥箱，旋轉(zhuǎn)式黏度計，電光分析天平。

1.3 乳液制備工藝

（1）將去離子水、保護(hù)膠加入反應(yīng)瓶，在攪拌下開始升溫，待保護(hù)膠完全溶解后加入乳化劑和碳酸氫鈉。

（2）主體反應(yīng)階段：溫度控制在80～85℃，加入引發(fā)劑，勻速滴加丙烯酸丁酯、醋酸乙烯及交聯(lián)劑組成的混合單體，4h滴加完畢。

（3）保溫繼續(xù)反應(yīng)階段：溫度控制在85～90℃，保溫2h。

（4）后消除階段：保溫結(jié)束后，降溫，65～75℃加入吊白塊溶液。降至常溫，調(diào)膠、過濾出料。

1.4 乳液的表征

1.4.1 固含量的測定

取2g乳液，在120℃烘干至恒重，記錄烘干前后乳液聚合物質(zhì)量，計算固含量。

固含量=樣品干重/樣品濕重×100%

1.4.2 黏度的測定根據(jù)GB/T11175-2002，采用NDJ-1旋轉(zhuǎn)式黏度計，選擇合適的轉(zhuǎn)子測定乳液黏度。

1.5 醋丙型防水乳液性能的檢測

1.5.1 耐水性的測定

將乳液涂在玻璃上，在室溫干燥48h后，成為透明薄膜。將玻璃板和薄膜一起浸入水中，觀察膠膜的變化。浸泡48h后，基本不泛白、且薄膜無皺皮、翹邊、脫落現(xiàn)象，視為合格。

1.5.2 凍融穩(wěn)定性的測定

取50g乳液放置于100mL的玻璃杯中，在（-20℃±1℃）的冰箱中冷凍18h，再于23℃下融化6h，連續(xù)五個循環(huán)，乳液不破乳，其凍融穩(wěn)定性視為合格。

1.5.3 拉伸強(qiáng)度的測定

參考標(biāo)準(zhǔn)JC/T894《聚合物水泥防水涂料》。

1.5.4 醋丙型防水乳液與水泥粉相溶性的測定

將水泥粉和乳液按照1∶1混合、攪拌均勻，所得漿料黏稠而細(xì)膩，流動性好，視為合格。

2 結(jié)果與討論

2.1 醋丙乳液的物化指標(biāo)及性能

見表1。

表1 醋丙乳液的物化指標(biāo)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 保護(hù)膠對乳液合成的影響

聚合物水泥防水涂料的配方中有水泥、石英砂、重鈣等填料及多種助劑。水泥是一種堿性很強(qiáng)的活性物質(zhì)，水化時分解出大量帶電離子如Ca2+、Al3+能夠破壞維系乳液穩(wěn)定性的雙電結(jié)構(gòu)，致使乳液破乳、凝絮[1]。

保護(hù)膠有助于提高乳液的穩(wěn)定性。保護(hù)膠的水溶性聚電解質(zhì)大分子以物理形式吸附在乳膠粒的表面，或者以離子鍵、氫鍵、共價鍵等形式接枝在乳液粒的表面。結(jié)合在乳液粒表面的聚電解質(zhì)將會加厚乳膠粒周圍的雙電層。在低的電解質(zhì)濃度下，雙電層的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚介質(zhì)層的厚度，在此情況下VR很大，故體系穩(wěn)定。反之，在高電解質(zhì)濃度下，雙電層將要被壓縮，VR變小甚至降低至零，在此情況下，在乳膠粒表面上仍然存在一個很厚的大分子水化層，對凝聚造成空間障礙，故體系依然穩(wěn)定[2]。保護(hù)膠在乳液的干燥成膜過程后，不會隨著水分的揮發(fā)而揮發(fā)掉，而是殘留在膠膜中，極易吸收水分從而影響膠膜的耐水性。作為防水涂料的基礎(chǔ)乳液，耐水性越高越好，故保護(hù)膠的用量在保證聚合穩(wěn)定及相關(guān)性能合格的前提下越少越好。

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

實(shí)驗(yàn)表明，醋丙型防水乳液在乳液聚合過程中，AP-02保護(hù)膠加入量不低于乳液總投入量的1.2%時，乳液聚合穩(wěn)定，黏度適中，各項(xiàng)性能合格。

2.3 交聯(lián)劑對乳液性能的影響

交聯(lián)劑的作用就是在聚合物線型的分子之間產(chǎn)生化學(xué)鍵，使線型分子相互連在一起，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高聚合物分子的內(nèi)聚強(qiáng)度，提高乳液的性能。同時，官能團(tuán)單體增多，在聚合過程和儲存過程中易發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)之間的接觸的機(jī)會就增大，交聯(lián)凝聚傾向增大。在成膜時，官能團(tuán)越多，交聯(lián)密度就越大，膠膜的各項(xiàng)性能也相應(yīng)提高[3]。

2.3.1 有機(jī)硅氧烷對防水乳液耐水性能的影響

有機(jī)硅氧烷是由硅原子和氧原子交替構(gòu)成穩(wěn)定骨架（共基本結(jié)構(gòu)單元是-Sī-O-），與硅原子相連的為各種有機(jī)基團(tuán)。由于有機(jī)硅氧烷這種特殊的分子結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的耐水、耐磨、耐高低溫和耐化學(xué)腐蝕性能[4]。由于有機(jī)硅氧烷A-171分子中含有雙鍵，可參與共聚反應(yīng)。A-171用量對聚合穩(wěn)定性及耐水性的影響如表4所示

表4 A－171 對聚合穩(wěn)定性及耐水性的影響Table 4 The effect of A－171 on polymerization stability and water resistance

實(shí)驗(yàn)表明，在防水乳液的聚合物主鏈上引入A-171有機(jī)硅氧烷，可以提高耐水性能；但是隨著用量增加，凝膠也逐漸增多。當(dāng)A-171有機(jī)硅氧烷的用量超過單體總量的0.7%時，醋丙型防水乳液的涂膜浸水48h后，基本不泛白，且涂膜物無皺皮、翹邊脫落現(xiàn)象。

2.3.2 NMAM對乳液性能的影響

防水乳液在聚合過程中，NMAM作為共聚單體引入反應(yīng)體系中，使共聚物鏈中帶有N-羥甲基基團(tuán)。在成膜過程中，N-羥甲基之間可發(fā)生縮合反應(yīng)[5]。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)NMAM的用量是單體總量的2%時，可以顯著地提高醋丙型防水乳液涂膜的抗拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率等。

2.4 分散劑DA-02對乳液與水泥粉混溶性的影響

在聚合物水泥防水涂料的生產(chǎn)過程中，水泥粉的分散是一個很主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到防水涂料的儲運(yùn)、施工、外觀及膠膜的性能。水泥粉顆粒與水之間不能完全潤濕而形成團(tuán)聚，引起黏度增高。為了使水泥粉很好地分散在乳液中、存儲運(yùn)輸工程中不產(chǎn)生沉降，必須加入適量的分散劑。分散劑DA-02對乳液與水泥粉混溶性的影響見表5。

表5 DA－02 對乳液與水泥粉混溶性的影響Table 5 The effect of DA－02 on miscibility of the emulsion with the cement powder

實(shí)驗(yàn)表明，加入分散劑DA-02后，混合漿料的黏度明顯降低，流動性越來越好，易于施工。這是由于DA-02分散劑加入到混合漿料中后，通過充分?jǐn)嚢柩心?，吸附在粉碎成?xì)小微粒的顏料表面，使固體粒子表面形成雙分子層結(jié)構(gòu),外層分散劑極性端與水有較強(qiáng)親合力,增加了固體粒子被水潤濕的程度，固體顆粒之間因靜電斥力和空間位阻效應(yīng)而遠(yuǎn)離，防止分散了的固體粒子再度形成有害的絮凝，可保持分散體系處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。

3 結(jié)束語

我單位研究開發(fā)的醋丙型防水乳液項(xiàng)目已在國內(nèi)成功投產(chǎn)，醋丙型防水乳液用于聚合物水泥防水涂料，所得產(chǎn)品綠色環(huán)保，性能優(yōu)良，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］湯學(xué)成，朱松偉.適合JS 防水涂料的丙烯酸酯乳液的性能檢驗(yàn)［J］.陜西建筑，2007（2）:36～37,25.

［2］曹同玉，劉慶普，胡金生.聚合物乳液合成及應(yīng)用［M］.第二版..北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：129～130.

［3］黃興，張憲康，郭江，等.用于水性防銹涂料的交聯(lián)苯丙乳液的合成及應(yīng)用［J］.涂料工業(yè)，2006,36（4）：12～16.

［4］馮圣玉，張潔.有機(jī)硅高分子及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：374，376，379，387.

［5］鄭軍，張士軍，李曉飛.以丙烯酸乙酯（EA）為軟單體的土工格柵膠的研制［J］.中國膠黏劑，2008，17（12）：30～32.