丙烯酸合成高分子防水涂料

1、 淺析丙烯酸合成高分子防水涂料FH-FS3098摘要：本文采用預(yù)乳液半連續(xù)聚合工藝，聚合過(guò)程中加入單體以及功能性材料，采用氧化還原方法制備了丙烯酸乳液。以自制的丙烯酸乳液為基料，研究了顏料、填料、分散劑等研制一種丙烯酸合成高分子防水涂料FH-FS3098具有高耐擦洗性、高耐沾污性、高凍融穩(wěn)定性、高成膜穩(wěn)定性，并且涂料中的VOC含量低，涂覆于混凝土結(jié)構(gòu)表面能起到很好的保護(hù)作用，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。關(guān)鍵詞：丙烯酸乳液、丙烯酸防水涂料、低VOC、耐久性1引言混凝土的耐久性越來(lái)越受到人們的重視。提高混凝土耐久性成為近年來(lái)學(xué)術(shù)界和工程界研究的重要方向。提高混凝土耐久性主要途徑有混凝土內(nèi)部措施和外部

2、因素，內(nèi)在因素主要通過(guò)提高混凝土材料性能，添加外加劑、改變水灰比等實(shí)現(xiàn)，通過(guò)內(nèi)在因素提高混凝土耐久性有一定的限度。外部措施主要是在混凝土表面涂覆涂料實(shí)現(xiàn)。防水涂料是通過(guò)阻止有害物質(zhì)通過(guò)水分浸入混凝土內(nèi)部到達(dá)保護(hù)作用。防水涂料主要有瀝青涂料、合成高分子涂料、無(wú)機(jī)復(fù)合材料等，通過(guò)摻入適量的顏料、助劑等進(jìn)行加工，得到粘稠狀的液體或固態(tài)粉末現(xiàn)場(chǎng)液化使用的材料。溶劑型涂料因性能突出得到了廣泛的使用，這些涂料在配制和使用時(shí)可揮發(fā)大量對(duì)人體有害的物質(zhì)VOC。VOC不僅對(duì)人體的健康危害大，近年來(lái)，各國(guó)對(duì)涂料的VOC做了限制，促使涂料向環(huán)保方向發(fā)展。其中水性涂料中以丙烯酸涂料發(fā)展最為迅速，前景最廣，這是因?yàn)楸?/p>

3、酸涂料不僅VOC低，而且屬于柔性防水涂料，它可以適應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)脹縮變化，不像剛性材料那樣易產(chǎn)生裂縫發(fā)生滲水失效，同時(shí)耐久性好、易于施工。丙烯酸樹(shù)脂是由丙烯酸酯類和甲基丙烯酸酯類和單體共聚而成的一種高分子聚合物。通過(guò)選用不同的同的樹(shù)脂結(jié)構(gòu)、配方、生產(chǎn)工藝及溶劑組成，可合成不同類型、不同性能和不同應(yīng)用領(lǐng)域的丙烯酸樹(shù)脂。以丙烯酸樹(shù)脂為成膜基料的涂料稱作丙烯酸涂料。該類涂料具有色淺、保色、保光、耐候、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用多種行業(yè)。隨著工程師研發(fā)了更多的丙烯酸單體，深如研究了制備工藝，丙烯酸涂料在世界范圍發(fā)展迅速。丙烯酸防水涂料一般是有丙烯酸乳液與顏料、填料、分散劑等經(jīng)過(guò)一定工藝制成的涂料，具有很多

4、優(yōu)點(diǎn)：1、具有突出的防水性能；2、以水為分散介質(zhì)，屬于水性涂料，是一種環(huán)保型涂料；3、涂膜干燥快，透氣性好，對(duì)基層含水率要求比溶劑型涂料低；4、具有很好的裝飾性和優(yōu)良的耐候性、耐酸堿性、耐擦洗性、與基底結(jié)合牢固等特點(diǎn)，具有很大的發(fā)展前景。丙烯酸涂料中丙烯酸乳液是一類中間產(chǎn)品，用途非常廣泛。丙烯酸乳液克服了油性丙烯酸酯易燃、易爆、有毒等缺點(diǎn)。丙烯酸乳液在國(guó)內(nèi)外早已有研制和生產(chǎn)，但是我國(guó)的丙烯酸乳液與國(guó)外的產(chǎn)品如BASF、國(guó)民淀粉現(xiàn)在的漢高相比，還存在相當(dāng)大的差距，表現(xiàn)在防水性能、乳液的穩(wěn)定性等方面。本文通過(guò)在丙烯酸乳液聚合中引入單體、選擇高性能的乳化劑、采用氧化-還原引發(fā)劑提高了轉(zhuǎn)換率、對(duì)丙烯酸

5、乳液聚合工藝進(jìn)行改進(jìn)得了性能優(yōu)異的丙烯酸乳液。然后使用自己制備丙烯酸乳液和顏料、填料、助劑等制得了性能優(yōu)異的丙烯酸防水涂料。2、高性能丙烯酸乳液的制備丙烯酸乳液的質(zhì)量決定了后續(xù)研制丙烯酸涂料的性能，目前市場(chǎng)上的丙烯酸乳液還存在如下問(wèn)題：固含量低、乳液穩(wěn)定性差，表現(xiàn)在耐離子性和貯存穩(wěn)定性不好等。本文選用多種高性能的高分子材料、助劑材料并嚴(yán)格控制乳液制備工藝確保得到性能突出的丙烯酸乳液，作為中間體為后面制備丙烯酸涂料做準(zhǔn)備。2.1丙烯酸乳液制備的材料：甲基丙烯酸甲酯：120、丙烯酸丁酯80、甲基丙烯酸6、甲基丙烯酸羥丙酯6、OP-10乳化劑、十二烷基苯磺鈉2、過(guò)硫酸鉀1.2、亞硫酸氫鈉0.15、碳

6、酸氫鈉1.2、氨水、水220。2.2丙烯酸乳液的制備方法：采用乳液半連續(xù)聚合工藝，將適量的水、十二烷基苯磺鈉和混合乳化劑、碳酸氫鈉加入容器中攪拌，升溫至85，將部分的甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羥丙酯加入到混合液中反應(yīng)20分鐘，得到外觀蘭色的乳液，然后將剩余的丙烯酸單體加入反應(yīng)容器中，在反應(yīng)后期將亞硫酸氫鈉加入反應(yīng)容器中，保溫30分鐘，升溫至95，繼續(xù)保溫50分鐘，最后降溫至55，用氨水調(diào)節(jié)PH至6.5，過(guò)濾后得到丙烯酸乳液。2.3丙烯酸乳液的性能檢測(cè)對(duì)制備的丙烯酸乳液進(jìn)行性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下：表一.丙烯酸乳液性能檢測(cè)結(jié)果2.4.分析與討論2.4.1軟硬單體配比對(duì)丙烯酸

7、乳液的影響本文研究選用甲基丙烯酸甲酯MMA、丙烯酸丁酯BA為主要單體，其中MMA為功能單體也屬于硬單體，Tg(378.15)高、硬度和強(qiáng)度高；BA是軟單體，Tg(293.15)低、成膜性能和粘結(jié)性能好。MMA作為功能單體，是一種親水性單體，可抑制凝膠的產(chǎn)生，改善聚合工藝，同時(shí)提高了涂料的附著力。通過(guò)試驗(yàn)得到軟硬單體的用量比對(duì)成膜穩(wěn)定性的影響如表：表二.MMA與BA比值對(duì)聚合穩(wěn)定性及乳液性能的影響丙烯酸涂料是以熱塑料性聚合物為基料的涂料，在一定溫度下，丙烯酸涂膜的硬度或粘度由丙烯酸的Tg決定。Tg上升，硬度越高，成膜的耐沾污性好，但是涂膜脆性增加，容易發(fā)裂；Tg過(guò)低，漆膜較軟，容易發(fā)粘沾灰，力學(xué)

8、性能下降。本文采用軟硬單體配比為BA/MMA=80/120。2.4.2 PH值比對(duì)丙烯酸乳液的影響在制備丙烯酸乳液過(guò)程中，為了控制反應(yīng)的速度防止反應(yīng)過(guò)快發(fā)生爆聚現(xiàn)象，我們向體系中加入了緩沖劑碳酸氫鈉，控制反應(yīng)體系PH值在46之間；待反應(yīng)結(jié)束后，用氨水將乳液的PH值調(diào)節(jié)至6.5左右。2.4.3引發(fā)劑的用量對(duì)丙烯酸乳液的影響引發(fā)劑是丙烯酸乳液配方中重要的組分之一，引發(fā)劑種類和用量直接影響丙烯酸乳液的產(chǎn)量和質(zhì)量。本文采用氧化-還原引發(fā)劑K2S2O8-NaHSO3作為引發(fā)劑。引發(fā)劑對(duì)轉(zhuǎn)化率和凝膠率的影響如下：氧化還原引發(fā)劑對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響 氧化還原引發(fā)劑對(duì)凝膠率的影響圖1.氧化還原引發(fā)劑對(duì)轉(zhuǎn)化率和凝膠率

9、的影響從上圖可以看出，隨著引發(fā)劑用量增加，單體轉(zhuǎn)化率逐漸增加，但是在反應(yīng)后期加入適量的還原劑NaHSO3，將引發(fā)體系發(fā)生氧化還原反應(yīng)，單體的轉(zhuǎn)化率不斷得到提高，而凝膠率是先降低后升高的過(guò)程。2.4.4攪拌速度的影響攪拌器的攪拌速度會(huì)對(duì)乳液粒子的粒徑、凝膠率和聚合穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過(guò)改變攪拌器的轉(zhuǎn)速，觀察轉(zhuǎn)速對(duì)乳液粒子和凝膠率的影響如下:攪拌速度對(duì)乳液粒子粒徑的影響 攪拌速度對(duì)凝膠率的影響圖2.攪拌速度對(duì)粒子粒徑和凝膠率的影響轉(zhuǎn)速對(duì)乳膠粒徑和凝膠率的影響是不同的。乳膠粒子的粒徑隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加而增大，而凝膠率先是隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加而減小，然后又隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加而增加。這是因?yàn)樵诒┧崛?/p>

10、液聚合時(shí)候，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速增加時(shí)，單體被分散成更小的單體珠滴，導(dǎo)致單位體積中膠束的數(shù)目減少，生成的乳膠顆粒數(shù)目減少，固乳膠粒子增大；而當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，單體分散程度差，會(huì)發(fā)生單體局部過(guò)濃，甚至發(fā)生分層現(xiàn)象，導(dǎo)致凝膠的產(chǎn)生。隨著攪拌速度的增加，物料內(nèi)部的剪切作用增加，轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致乳膠表面排除電荷與水化層降低，乳膠發(fā)生聚結(jié)，產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象。本文采用攪拌器的轉(zhuǎn)速在150220r/min。3.丙烯酸防水涂料的配制在涂料工業(yè)中，應(yīng)用最廣泛的是溶劑型涂料和乳膠涂料。與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比，乳膠涂料用合成樹(shù)脂代替油脂，用水取代有機(jī)溶劑，不僅降低了涂料的成本，也降低了對(duì)環(huán)境的污染。乳膠涂料發(fā)展迅速，品種不斷增多，消

11、耗量逐年增大，在工業(yè)與民用建筑的工程中占有很重要的位置。乳膠涂料與溶劑性涂料相比雖然大大降低了VOC，但是由于配方的多樣性，加入乳膠涂料中的有機(jī)溶劑具有揮發(fā)性，目前我國(guó)市場(chǎng)上的乳膠涂料產(chǎn)品的VOC含量仍然很高。根據(jù)2003年中國(guó)涂料工業(yè)9月刊的分析報(bào)告，國(guó)內(nèi)50%以上的丙烯酸乳液涂料VOC含量超標(biāo)。本文以上述自制的丙烯酸乳液為基料，加入顏料、填料和助劑研制出高耐擦洗性、高耐沾污性、高凍融穩(wěn)定性和成膜穩(wěn)定性和高的耐水性、附著力以及貯存穩(wěn)定性優(yōu)良的低VOC丙烯酸防水涂料。3.1丙烯酸防水涂料的配方設(shè)計(jì)丙烯酸涂料有上文自制的丙烯酸乳液、顏料、助劑和水等配制而成。各組份的作用如下：3.1.1成膜基料聚

12、合物乳液是制備聚合物涂料的成膜基料，關(guān)系到涂料的性能，是確定涂料性能的決定性因素。聚合物乳液會(huì)對(duì)涂料的光澤、附著力、耐水性、耐候性、耐洗刷性、耐堿性、耐沾污性等產(chǎn)生影響，同時(shí)還會(huì)影響涂料的成膜穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性以及涂料VOC。本文以上述自制的丙烯酸乳液為基料，通過(guò)對(duì)丙烯酸涂料的配方進(jìn)行優(yōu)化，研制出高耐沾污性、耐洗刷性和超低VOC的建筑乳膠涂料。3.1.2顏料和填料顏料是涂料生產(chǎn)重要的組分之一，其作用不僅僅在于提供色彩和裝飾性，更重要的是改善涂料的物理機(jī)械性能，提高漆膜的機(jī)械強(qiáng)度、附著力、防腐性能、耐光性和耐候性等。一般情況下對(duì)顏填料的要求是盡量為惰性材料，具有較高的穩(wěn)定性，具有耐酸、耐堿、耐候

13、、耐光性能。對(duì)于丙烯酸防水涂料要求顏料具有好的遮蓋力和穩(wěn)定性。二氧化鈦是一種白度高、穩(wěn)定性好的顏料，特別是金紅石二氧化鈦，可以強(qiáng)烈的吸收紫外線。填料在涂料配方中，主要是為了降低涂料成本，提高涂料的固含量而添加的，選擇合適的填料還能提高涂料的一些性能，如涂膜的光澤、流動(dòng)性、耐水性等。所以涂料中填料的選擇也很重要；本文選擇了滑石粉和重質(zhì)碳酸鈣粉復(fù)合填料。3.1.3增稠劑乳液以水作為分散介質(zhì)，通常會(huì)在涂料配制中使用的顏填料發(fā)生沉底、浮色發(fā)花等缺陷。在乳膠涂料中加入增稠劑，可以使顏填料得到更好的分散，避免上述缺陷的產(chǎn)生；另外還可以使涂料具有一定的稠度和觸變性，保證施工時(shí)涂刷省力，防止流掛。有兩種方法可

14、以用來(lái)提高體系的粘度：1提高涂料中水相的粘度，這類材料主要是纖維素、聚丙烯酸類。2提高水相粘度同時(shí)，使涂料中粒子具有疏水性。目前增稠劑主要有纖維素類、堿增稠型、疏水改性環(huán)氧乙烷聚氨酯等，增稠劑如果選擇不當(dāng)，不但起不到有效地體系增稠，觸變等作用，還會(huì)使體系失穩(wěn)，對(duì)乳膠涂料產(chǎn)生影響。3.1.4消泡劑乳液涂料制備通常需要采用高分散手段，借助潤(rùn)濕分散劑的作用將顏料均勻分散，由于乳液聚合中使用的乳化劑和添加的分散劑都屬于表面活性劑，因此體系在高速攪拌作用下容易產(chǎn)生起泡，起泡產(chǎn)生影響施工并且導(dǎo)致涂料出現(xiàn)針孔缺陷。因此，需要在乳膠涂料中加入消泡劑。消泡劑的加入降低了液體的表面張力，減少起泡的產(chǎn)生。另外還加入

15、了流平劑、殺菌劑等提高涂料的流平性能和防霉變性能。3.2丙烯酸涂料的配制丙烯酸防水涂料的配制包括配料、混合、碾磨分散、調(diào)漆、成品包裝等步驟。圖3.丙烯酸涂料生產(chǎn)工藝流程1配料:按照材料配方稱取各種物料，加入分散介質(zhì)水、增稠劑、分散助劑、消泡劑、顏料、填料和助劑；2混合:在攪拌機(jī)中進(jìn)行充分混合；3分散:在攪拌機(jī)中進(jìn)行高速攪拌混合和分散30分鐘。4調(diào)漆 :顏料漿細(xì)度符合要求時(shí)，加入自制的丙烯酸乳液，此時(shí)，加入全部材料，低速攪拌得到具有合適粘度與穩(wěn)定性的涂料。3.3丙烯酸防水涂料的性能測(cè)試光澤的測(cè)量：按GB/T1743規(guī)定進(jìn)行光澤度的測(cè)量。涂料遮蓋力的測(cè)定：按照GB/T1726-1979規(guī)定進(jìn)行遮蓋

16、力的測(cè)定。丙烯酸涂料涂膜耐水性的測(cè)定：采用浸水試驗(yàn)法。在混凝土表面涂刷丙烯酸防水涂料，在室溫條件下干燥后，將混凝土浸泡于用玻璃水槽盛放的水中，一段時(shí)間后，去除混凝土試塊，表面水分吸干后觀察是否發(fā)生變色、起泡、起皺、脫落等現(xiàn)象。丙烯酸防水涂料性能檢測(cè)結(jié)果如下表：表三.涂料性能檢測(cè)結(jié)果3.4分析與討論3.4.1顏料體積濃度對(duì)光澤的影響顏料體積濃度對(duì)光澤度的影響如下圖:圖4.顏料體積濃度對(duì)涂料光澤度的影響乳膠涂料的光澤隨顏料體積濃度PVC變化曲線先降低后升高，當(dāng)PVC小于臨界顏料體積濃度CPC時(shí)，乳膠涂料光澤隨著PVC增加而降低；當(dāng)PVC大于CPVC后，光澤度隨PVC增大而增加。3.4.2填料對(duì)涂料

17、性能的影響通過(guò)改變涂料中滑石粉、碳酸鈣粉的比例研究對(duì)涂料光澤度、遮蓋力的影響。試驗(yàn)結(jié)果如下：（a） (b) (c)圖5.（a）顏料：填料對(duì)涂料光澤度的影響；(b)顏料：填料用量對(duì)涂料遮蓋力的影響；（c）顏料：填料用量對(duì)涂料抗刷洗性的影響由圖5可以看出隨著填料的增加，涂料的光澤度下降，遮蓋力有所上升，耐擦洗性能下降。3.4.3丙烯酸乳液用量對(duì)丙烯酸涂料性能的影響丙烯酸乳液作為丙烯酸涂料的主要成膜物質(zhì)，是影響丙烯酸涂料性能的首要因素。保持顏料用量不變，以顏料與丙烯酸乳液的比例考察涂料中丙烯酸乳液不同用量觀察對(duì)涂料性能的影響。結(jié)果如下：表四.顏料/丙烯酸乳液基料對(duì)涂料性能的影響可以看出：當(dāng)顏基比大時(shí)

18、，即丙烯酸乳液量少時(shí)，涂料會(huì)產(chǎn)生流掛、刷痕而且出現(xiàn)漏刷現(xiàn)象，手感較差，表面粗糙。滿足不了涂料的美觀裝飾效果。當(dāng)顏基比較小時(shí)，即丙烯酸乳液含量較多時(shí)涂料的施工性能沒(méi)有太大變化。3.4.4分散劑的選擇在本研究中，選用P-731作為分散劑。P-731是一種可用丙烯酸酯類乳液涂料額優(yōu)異多功能顏料分散劑，對(duì)無(wú)機(jī)顏料分散十分有效，具有高效性和出色的展色性等。不同分散劑添加量對(duì)涂料粘度的影響如圖：圖6.分散劑對(duì)涂料粘度的影響由圖可以看出，當(dāng)分散劑用量低時(shí)，乳膠涂料的粘度隨分散劑用量的增加而降低，當(dāng)分散劑超過(guò)一定量后，涂料粘度有緩慢增大的趨勢(shì)，這與分散劑對(duì)顏料、填料粒子分散性能有關(guān)。當(dāng)分散劑加入量少時(shí)，隨著分

19、散劑的加入可以降低顆粒之間的范德華力，減低了涂料物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)阻力，而當(dāng)分散劑過(guò)量時(shí)候，容易在顏填料上吸附，使顏填料產(chǎn)生的空間位阻過(guò)大，涂料的粘度增加。同時(shí)分散劑過(guò)多，導(dǎo)致涂料表面張力嚴(yán)重下降，涂料體系不穩(wěn)定。因此，分散劑用量有個(gè)最合適的量，不是越多越好。4. 丙烯酸合成高分子防水涂料FH-FS3098的特點(diǎn)采用國(guó)外關(guān)鍵性原料，配以優(yōu)質(zhì)助劑、填料等復(fù)合而成的一種水乳型、不含有機(jī)溶劑、無(wú)毒，無(wú)污染的單組份合成高分子防水涂料。該膜對(duì)混凝土和灰漿有良好的粘結(jié)性。FH-FS3098特點(diǎn)：a、能在潮濕或干燥的基面上直接施工；b、涂層堅(jiān)韌高強(qiáng)、耐水性、耐高低溫、抗老化性能好，對(duì)基層收縮和變形開(kāi)裂適應(yīng)性強(qiáng)；c、

20、粘結(jié)力好、延伸性好、顏色任選；d、單組份、冷施工、工期短；e、環(huán)保水性涂料，不含任何有機(jī)溶劑，無(wú)毒無(wú)害。5. 丙烯酸合成高分子防水涂料FH-FS3098的應(yīng)用FH-FS3098丙烯酸合成高分子防水涂料可在潮濕或干燥的磚石、砂漿、混凝土、金屬等基面上使用，且彈性防水膜與基層構(gòu)成一個(gè)剛?cè)峤Y(jié)合的完整防水體并能適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形，達(dá)到長(zhǎng)期防水抗?jié)B的作用。適用于外露或有紫外線照射的防水防潮工程；適用于橋梁、隧道、地下室、衛(wèi)生間、倉(cāng)庫(kù)等地面、墻面的防水防潮工程等。圖7.丙烯酸防水涂料的工程應(yīng)用6丙烯酸合成高分子防水涂料FH-FS3098的參數(shù)主要物理性能指標(biāo)依據(jù)JC/T864-2008：拉伸強(qiáng)度大于等于1.5M

21、pa；斷裂延伸率大于等于300%；不透水性0.3Mpa,0.5h不透水；表干時(shí)間小于4h；實(shí)干小于8h。7丙烯酸合成高分子防水涂料FH-FS3098的施工和注意事項(xiàng)施工指南基面要求：表面必須平整，堅(jiān)實(shí)、干凈、無(wú)油污、無(wú)灰塵以及其它松動(dòng)物。明顯的空隙和砂眼須用水泥砂漿堵塞、抹平、尖銳的邊緣應(yīng)除去。新澆筑的混凝土應(yīng)有一定的干固養(yǎng)護(hù)時(shí)間，防止混凝土干縮造成的影響。舊的混凝土必須先用清水沖洗干凈，晾干后再涂刷。基面處理a.基層牢固、結(jié)實(shí)、平整、無(wú)尖銳角，無(wú)銹跡、油污及明顯水漬。陰陽(yáng)角采用水泥砂漿或密封膏做成圓弧形。基層的裂縫以及管根留設(shè)的凹槽，應(yīng)嵌填密封材料處理。b.局部附加防水涂層：在大面防水施工前，天溝、陰陽(yáng)角、管道根部、基層裂縫等局部，先涂刷12遍涂料，做附加防水層；當(dāng)采用胎體增強(qiáng)材料時(shí)，胎體應(yīng)夾在涂膜中間。c. 防水涂層：1.5mm-2mm厚的涂膜宜分3-4遍涂刷成膜，每遍干燥后才可刷后一遍(約6h左右)，每次涂刷方向互相垂直。如需加鋪胎體增強(qiáng)材料時(shí)，胎體材料應(yīng)平展，無(wú)皺褶且滲透，胎體下涂膜