高耐水性墻紙基膜合成及應(yīng)用研究

魏任重，洪 煒，唐煥棟

1.百色學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 533000；2.嘉力豐科技股份有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500

1 前言

近些年來，房屋室內(nèi)裝修造成空氣污染，影響人們的身體健康等問題引起了人們的廣泛關(guān)注［1］。作為墻面裝飾的一種，墻紙裝飾越來越被廣大客戶所選擇。墻面采用墻紙裝飾，不僅環(huán)保健康，而且能給室內(nèi)帶來更豐富的色彩主題，更顯高貴精致。室內(nèi)墻體通常會批刮膩子，如果墻體膩子層施工不當(dāng)，存在松軟、掉粉、泛堿、滲水等多種缺陷，會直接影響壁紙的美觀，甚至造成施工事故。因此，在墻紙施工前，有必要采用墻紙基膜對墻體基面進(jìn)行預(yù)處理。墻紙基膜是一種以苯丙乳液為主要原材料的施工輔材，起到防潮、防霉、抗堿、緊固墻體，防止墻紙翹邊的作用。在實際墻面施工過程中，各種因素包括環(huán)境、氣候、施工習(xí)慣、墻體狀況等均會影響到墻紙基膜的使用效果。為了達(dá)到墻體基層的處理效果，墻紙基膜需要綜合多個方面的性能，例如耐水性，滲透性，成膜性，抗凍性等。但這些性能又是相互制約的，如耐水性和抗凍性成反比，滲透性和成膜性成反比等［2］。

墻紙基膜的主要原材料是苯丙乳液，再輔以相關(guān)助劑復(fù)配。苯丙乳液是采用苯乙烯、丙烯酸丁酯為主要單體，輔以功能單體，以陰/非乳化劑體系，采用乳液聚合方法制備而成［3-4］。本文通過合理設(shè)計乳化劑體系，功能單體體系來調(diào)整苯丙乳液的抗凍性、耐水性和滲透性等，優(yōu)化其綜合性能后，制備得到高耐水性墻紙基膜。

2 實驗部分

2.1 試劑

苯乙烯(ST），丙烯酸正丁酯（BA），丙烯酸（AA），丙烯酰胺（AM），甲基丙烯酸乙二醇酯（EDGMA），甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）均為西隴化工有限公司；過硫酸銨，碳酸氫鈉，氫氧化鈉均為上海潤捷化學(xué)試劑有限公司；反應(yīng)型乳化劑（COPS-1）索爾維化學(xué)有限公司；非離子乳化劑脂肪醇聚醚（TO89）揚(yáng)子石化-巴斯夫有限公司；陰離子乳化劑脂肪酸聚氧乙烯硫酸鹽（DNS525），陰離子乳化劑烷基苯磺酸鹽（DS23）均為上海忠誠精細(xì)化工有限公司，以上試劑均為市售產(chǎn)品，未經(jīng)處理直接使用。

2.2 合成工藝

（1）預(yù)乳化液的制備：將一定質(zhì)量的混合乳化劑溶解于去離子水后，轉(zhuǎn)入預(yù)乳化燒瓶，再加入一定比例的苯乙烯，丙烯酸丁酯，丙烯酸，丙烯酰胺，以及其它功能單體等，進(jìn)行高速分散30min，備用。

（2）墻紙基膜乳液的合成：將乳化劑和去離子水等按照比例稱量，溶解后加入四口燒瓶中，高速攪拌下加入一定質(zhì)量的苯乙烯和丙烯酸正丁酯等混合單體，攪拌30min，開始水浴升溫至85℃，加入一定質(zhì)量的過硫酸銨和碳酸氫鈉混合溶液引發(fā)反應(yīng)，反應(yīng)持續(xù)15min。待乳液出現(xiàn)藍(lán)光后，開始滴加預(yù)乳化液，并同時滴加過硫酸銨引發(fā)劑溶液，滴加持續(xù)3h，滴加完畢后，保溫1h，降溫至50℃，加入中和劑調(diào)節(jié)pH 值，過濾，即得墻紙基膜乳液。

（3）墻紙基膜的制備：在墻紙基膜乳液中，加入一定量增稠劑，成膜劑，殺菌劑等助劑，攪拌混合均勻，制備得到墻紙基膜。

2.3 性能測試

（1）出渣量測試：乳液聚合完成后，樣品通過150 目濾網(wǎng)，濾渣清洗后稱量。

（2）抗凍性測試：將乳液稀釋到20%固含量，加入0.2%質(zhì)量比的抗凍劑，攪拌分散10min，放置于-30℃冷凍冰箱24h，取出置于（23±2）℃環(huán)境解凍24h，觀察樣品外觀、粘度變化變化，判斷是否一次凍融通過。重復(fù)三次凍融循環(huán)通過，判斷樣品合格。

（3）耐水性測試：采用120um線棒制膜器在150mm×70mm的潔凈玻璃板上制備乳液濕膜，并在60℃烘箱干燥2h，冷卻后，放置于去離子水中浸泡24h 后，取出，擦干表面水漬，目測膜外觀，外觀等級分為嚴(yán)重泛白，泛白，泛藍(lán)，輕微泛藍(lán)（等級逐漸升高）。

（4）滲透性測試：選擇400ml 圓柱形透明塑料杯容器（直徑70mm，高110mm），底部均勻分布80 個細(xì)孔（直徑3mm），并墊上中速定性濾紙，杯子裝入360g 重鈣粉（400 目），震蕩使得粉料填實，最終粉料高度70～72cm，將50g，20%固含量乳液樣品倒入容器中，5min后，測量樣品浸潤深度，平行測量三次，取平均值，作為乳液滲透深度。

3 結(jié)果與討論

本文主要考察功能單體，交聯(lián)劑和乳化劑對墻紙基膜乳液抗凍性、耐水性、滲透性和聚合穩(wěn)定性等重要性能指標(biāo)的影響。

表1 功能單體用量對乳液性能的影響

表2 交聯(lián)劑的用量對乳液性能的影響

表3 乳化劑的用量和種類對乳液性能的影響

3.1 抗凍性

墻紙基膜是一種重要家裝建材，全國市場的需求量都非常大。對于北方地區(qū)，冬季氣溫經(jīng)常低于-20℃，因此墻紙基膜需要優(yōu)異的儲存抗凍能力。根據(jù)表1 所示，在苯丙乳液聚合體系中，丙烯酸和丙烯酰胺兩種水溶性功能單體對乳液的抗凍性能具有非常重要的影響。當(dāng)不加入丙烯酸和丙烯酰胺時，乳液的抗凍循環(huán)次數(shù)為0；當(dāng)丙烯酸含量為2.0%，或者丙烯酰胺含量為2.0%時，乳液的抗凍循環(huán)次數(shù)為1；隨著兩者含量的進(jìn)一步增加，乳液的抗凍循環(huán)次數(shù)達(dá)到3，可滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但隨著丙烯酸（4.0%）和丙烯酰胺（2.0%）含量增大到一定比例，抗凍性增強(qiáng)，聚合出渣量卻有所上升。因此丙烯酸和丙烯酰胺的總含量控制在5.0%，乳液具有較好的抗凍性和聚合穩(wěn)定性。丙烯酸和丙烯酰胺單體分別具有水溶性的羧酸基團(tuán)和酰胺基團(tuán)，它們和水分子之間形成強(qiáng)烈的氫鍵作用，可以減弱水分子之間的相互作用，減緩水凍結(jié)的傾向，因此提高了乳液的抗凍性。綜合考慮下，實驗優(yōu)選丙烯酸含量3.0%，丙烯酰胺含量2.0%。

3.2 耐水性

防水防潮是墻紙基膜最重要的一項功能，因此乳液的耐水性研究非常重要。本文主要考察了交聯(lián)單體和乳化劑體系對乳液耐水性的影響。根據(jù)表2 所示，交聯(lián)劑甲基丙烯酸乙二醇酯（EDGMA）對乳液的耐水性提升有限，反而聚合出渣量急劇增加（1.91%），穩(wěn)定性下降；交聯(lián)劑甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）含量達(dá)到2.0%時，則乳液耐水性保持較好，濕膜外觀為輕微泛藍(lán)，并且出渣量只有0.58%。EDGMA 屬于內(nèi)交聯(lián)型交聯(lián)劑，能提高乳膠粒的粒子剛性；GMA 屬于外交聯(lián)型交聯(lián)劑，在乳液干燥成膜過程中，能提高粒子之間的作用力，從而提高膜的致密性和強(qiáng)度。因此單獨使用GMA 作為交聯(lián)劑，更有利于提高乳液耐水性。

乳化劑種類和用量的選擇對乳液干膜的耐水性和聚合物穩(wěn)定性有著重要影響。實驗采用陰/非離子乳化劑復(fù)合體系，陰離子乳化劑在乳膠粒周圍形成雙電層使乳液穩(wěn)定，非離子乳化劑則通過形成水化層在乳膠粒間形成空間位阻。陰/非離子乳化劑復(fù)合使用，使兩類乳化劑能交替吸附在乳膠粒表面，增加乳液穩(wěn)定性。表3 表明，當(dāng)乳化劑總含量過大時，乳液雖然穩(wěn)定，但是耐水性極差；陰/非離子乳化劑之間的相對比例對耐水性影響也較大，陰離子乳化劑含量高于非離子乳化劑時，乳液耐水性也下降；陰離子乳化劑的種類對耐水性也由影響，采用烷基苯磺酸鹽（DS23）效果優(yōu)于脂肪酸聚氧乙烯硫酸鹽（DNS525）；反應(yīng)型乳化劑（COPS-1）能有效提高乳液聚合穩(wěn)定性，并且不會降低乳液干膜的耐水性。根據(jù)以上分析，墻紙基膜乳液聚合的乳化劑含量可以優(yōu)先1.0%，陰/非離子乳化劑比例為0.5，可少量復(fù)配反應(yīng)型乳化劑增強(qiáng)乳液穩(wěn)定性。

表4 墻紙基膜性能應(yīng)用評價表

3.3 滲透性

墻紙基膜乳液對膩子墻體滲透性能十分重要，滲透性強(qiáng)的乳液對膩子墻體的緊固效果更佳。表3 表明，高乳化劑含量將會提高乳液的滲透性；低出渣量的乳液滲透性也較好。結(jié)果表明，高乳化劑含量可以降低乳膠粒的粒徑，從而具有更好的滲透性；另外，乳液聚合穩(wěn)定性對乳液滲透性也有影響。因此，墻紙基膜乳液制備過程中，在保證抗凍性，耐水性和聚合穩(wěn)定性等前提下，需要考慮減小乳膠粒的粒徑，從而提高其滲透性能。

3.4 應(yīng)用評價

根據(jù)以上參數(shù)優(yōu)化，得到抗凍性，耐水性，滲透性以及聚合穩(wěn)定性綜合性能最佳的墻紙基膜乳液，復(fù)配相關(guān)助劑，可制備出性能優(yōu)異的墻紙基膜。性能指標(biāo)見表4。

4 結(jié)論

本文針對家裝墻紙施工中，膩子墻體松軟，掉粉和滲水等問題，成功制備了一種高耐水性，高抗凍性，滲透性好的墻紙基膜，可有效對墻體進(jìn)行預(yù)處理。研究表明，采用一定比例陰/非離子復(fù)合乳化劑體系和外交聯(lián)型交聯(lián)劑可增強(qiáng)乳液的耐水性能，丙烯酸/丙烯酰胺功能單體能提高乳液的抗凍性。