一種厚質(zhì)彈性防水涂料的制備及性能研究

王婷婷

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 前言

傳統(tǒng)的建筑物外墻多采用混凝土墻體和砌體墻體，墻體防水采用防水砂漿，或水泥砂漿抹面，再在表面涂刷外墻涂料。 在自然界各種環(huán)境條件（如氣候影響、太陽輻射和紫外線照射引起的化學作用以及水和濕氣的影響）長期作用下，其表面往往會出現(xiàn)裂縫。由于普通的外墻防水多為剛性防水材料（防水砂漿）或外墻涂料，而外墻涂料的涂層很薄，并且?guī)缀醪痪哂袕椥?，因此均不能有效解決墻體產(chǎn)生的裂紋，從而造成外墻滲漏。 結(jié)合外墻涂料所依附的基層易于產(chǎn)生裂縫，以及外墻防水涂料需具有較高耐久性的要求，研究一種既具備優(yōu)異的低溫性能，又具有抗拉強度高、延伸率高的特點，同時還具有一定厚度的厚質(zhì)彈性防水涂料，可以有效解決外墻防水涂層開裂的缺陷。該彈性涂料以高彈性丙烯酸酯共聚物乳液為成膜物質(zhì)，加入顏料、填料、助劑等，再配以色漿制備出各種色彩的涂料，從而實現(xiàn)了外墻修補、防水、裝飾一體化的要求。

1 試驗用原材料

1.1 乳液的選擇

乳液作為防水涂料的主要成膜物質(zhì)，是影響涂料性能好壞的首要因素， 它關系到涂膜的耐水性、硬度、柔韌性及對基層的黏結(jié)強度等性能，因此聚合物乳液作為基料在防水涂料中起著十分重要的作用。

厚質(zhì)防水涂料的一項重要功能就是在春夏秋冬都能很好地遮蓋裂縫，也就是說，一年四季厚質(zhì)涂料的使用溫度都在乳液聚合物的橡膠態(tài)平臺上，乳液聚合物的玻璃化溫度Tg 必須是很低的。 如某地冬天最低氣溫為－15 ℃，則聚合物乳液的玻璃化溫度就必須在－15 ℃以下才能滿足要求，否則就失去了遮蓋裂縫的功能。而冬天恰好是基面收縮最嚴重的季節(jié)，涂膜在冬季最易開裂，所以厚質(zhì)防水涂料必須使用玻璃化溫度Tg 很低的彈性乳液。

鑒于以上要求， 用于防水涂料的聚合物乳液需具備兩個特點：第一，玻璃化溫度Tg＜0 ℃，有利于較低溫度施工時涂膜的聚結(jié)并保持較好的延伸率；第二，低黏度，有利于多加填充料，提高涂膜的拉伸強度。

市場上常用于彈性防水涂料的各種聚合物乳液中，主要有VAE 乳液（醋酸乙烯-乙烯共聚乳液）和丙烯酸酯共聚乳液兩種。 VAE 乳液存在著彈性較差、抗堿性一般和不耐老化等缺點，通常只能用于建筑內(nèi)部的防水材料[1]。 丙烯酸酯共聚乳液通常為純丙彈性防水乳液和苯丙共聚乳液等，是丙烯酸（或甲基丙烯酸）及其酯類共聚物的總稱。它是由丙烯酸酯單體中的雙鍵經(jīng)聚合反應，生成丙烯酸酯樹脂，它的主鏈為碳-碳鏈，有很強的光、熱和化學穩(wěn)定性。 以丙烯酸酯乳液制得的防水涂料具有耐酸性、 耐堿性和不透水性好，低溫柔韌性佳，耐候耐久性能優(yōu)異，無環(huán)境污染，與水泥制品附著力好，施工方便等諸多優(yōu)點， 已較廣泛地用于許多重要的工業(yè)與民用高層建筑的屋面防水，使用年限可達15 年以上[2-3]。 丙烯酸酯乳液的性能比VAE 乳液的性能好得多，特別是在新的水泥基面或石灰墻面上使用時，則更能體現(xiàn)其優(yōu)點。 這是因為丙烯酸酯乳液的涂膜遇堿皂化所生成的鈣鹽不溶于水， 而醋酸乙烯-乙烯共聚乳液耐水性能較差。 純丙乳液和苯丙乳液也是我國目前用于配制防水涂料最常用的乳液， 它們具有耐候性好、耐水性優(yōu)良及低溫柔韌性佳等特點，一般實際使用中選擇玻璃化溫度（T g 值）在－8 ℃～－30 ℃之間的聚合物乳液。

試驗選用A、B 兩種型號的丙烯酸酯乳液，其主要性能見表1。

以上兩種丙烯酸酯乳液，均為乳白色液體，涂膜吸水率反映了其耐水性的優(yōu)劣。 乳液涂膜的吸水率越低，制成的產(chǎn)品耐水性越強，因此，用B 乳液制得的涂料涂膜耐水性較好。

表1 丙烯酸酯乳液性能

1.2 填料的選擇

填料又稱為體質(zhì)顏料，主要起填充作用。 能有效改善涂料的貯存穩(wěn)定性和漆膜的相關性能，如提高涂膜的耐久性、耐熱性和表面硬度，降低涂膜的收縮等。 常用的填料有碳酸鈣、滑石粉、煅燒高嶺土、沉淀硫酸鋇、硅酸鋁等。 填料的選擇主要考慮材料的耐久性、吸油量及成本，目前市場上常用的多是碳酸鈣。 碳酸鈣根據(jù)生產(chǎn)方法不同又分為重質(zhì)碳酸鈣（簡稱重鈣）和輕質(zhì)碳酸鈣（簡稱輕鈣）。 重鈣是將天然的碳酸鈣礦石即方解石或大理石經(jīng)選礦、粉碎、分級包裝而成，生產(chǎn)方法簡單、成本低、能耗?。惠p鈣是用化學方法制成的，即將石灰石煅燒生成生石灰(主要成份為氧化鈣)，生石灰加水消化生成石灰乳(主要成份為氫氧化鈣)，再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀， 最后碳酸鈣沉淀再經(jīng)過脫水、干燥、篩分便制得輕質(zhì)碳酸鈣。 由于重鈣和輕鈣的生產(chǎn)方式的不同，導致對乳液的影響各異。

輕鈣中存在著游離的氧化鈣，該成分的存在會影響到乳液的穩(wěn)定性。 輕質(zhì)碳酸鈣的沉降體積在2.5 mL/g 以上，顆粒微細、表面較粗糙，比表面積大（5 m2/g 左右），因此吸油值較高，為[（60～90） mL/100 g] 左右；重質(zhì)碳酸鈣沉降體積[(1.1～1.9) mL/g]較小，吸油量[(6～15) mL/100 g] 低，所以更適合用重鈣作填料。 最好的重質(zhì)碳酸鈣是以天然的方解石為原料的產(chǎn)品，粒度在(1.5～12) μm 之間，相對密度2.71，pH 值為9。

天然石粉（碳酸鈣）經(jīng)過大自然的風化，其耐老化性能較人工合成的粉料有明顯的優(yōu)勢。 碳酸鈣性能穩(wěn)定，吸油量比較低，對乳液需要量低，既降低涂料成本，又起骨架作用增加涂膜厚度，提高機械強度及耐磨性。據(jù)林宣益[4]介紹，在防銹漆系統(tǒng)中加入重鈣，它可水解生成氫氧化鈣，從而增加對底材的附著力；碳酸鈣還能吸收酸性介質(zhì)，有利于漆膜的防銹。 由于來源廣泛，重鈣的成本相對較低，綜合考慮選用性價比高的重質(zhì)碳酸鈣作填料。

1.3 消泡劑的選擇

在涂料的生產(chǎn)和施工過程中，將不可避免地帶入空氣， 細粒般的空氣分散到涂料中形成了氣泡，同時涂料中乳液的乳化劑、潤濕分散劑以及增稠劑等表面活性物質(zhì)的存在又增強了氣泡的穩(wěn)定性。 涂料中氣泡的存在，既阻礙了顏填料的分散，又會使涂膜留下氣孔，造成表面缺陷，嚴重時會影響涂料的防水性和耐候性， 降低涂膜的拉伸強度和延伸率。 所以在涂料生產(chǎn)階段，消泡劑必不可少，要選用合適的消泡劑，有效地消除涂料中的氣泡。

消泡劑一般可分為抑泡型消泡劑和破泡型消泡劑。 抑泡型消泡劑的作用是抑制體系泡沫的產(chǎn)生， 其作用機理是抑泡分子進入分散體系的表層，并將氣-液界面的活性物質(zhì)部分取代， 這樣形成的混合表面助劑層可防止液體分子的聚集并使液層呈現(xiàn)低彈性從而消除氣泡生成的可能。 因此作為抑泡型消泡劑應具有低表面張力、擴張性、不溶性的特點。 破泡性消泡劑的原理是能夠快速潤濕氣泡的表面膜，并且沿膜表面擴散使得氣泡液膜變薄并最終破裂[4]。 與一般裝飾性涂料不同的是，彈性防水涂料因固含量高、體系的黏度大、泡沫的穩(wěn)定性強，用一般消泡劑和常規(guī)用量很難消除體系內(nèi)的氣泡，需要選擇具有特殊結(jié)構(gòu)的高效消泡劑并加大用量才能奏效，有機硅類消泡劑可以實現(xiàn)上述目的。 選用抑泡和消泡復合型的消泡劑，用含有有機硅、二氧化硅的消泡劑能夠起到很好的抑泡、消泡作用。

2 配方的優(yōu)化

按照多功能防水涂料的要求，既要達到相關標準指標，又要環(huán)保低成本。 選用A 乳液和B 乳液分別按照基本配方制成涂料，性能比較見表2。

表2 不同乳液制成的厚質(zhì)彈性防水涂料的性能比較

由表2 可知，涂料在50 ℃條件下儲存30 d，未出現(xiàn)絮凝、分離等不良現(xiàn)象，說明丙烯酸乳液對所選用助劑的相容性是合格的；體系中有大量重質(zhì)碳酸鈣做填充料，證明此乳液對鈣離子的穩(wěn)定性合格。

乳液是防水涂料的主要成膜物質(zhì)，起著十分重要的作用。 粉聚比是涂料中所用粉料量與聚合物乳液用量的比值，它不僅影響著涂膜的各種性能，而且關系到涂料的經(jīng)濟性。 在一定范圍內(nèi)，隨著粉料的增加，對強度影響不大，但延伸率隨之降低。

根據(jù)所選用的原材料的密度、吸油量和乳液的固含量等計算出配方體系的CPVC（臨界顏料體積濃度）為72.4%。 此時的粉聚比為1.29∶1，如粉聚比超過該值，則乳液就不能完全包覆住顏填料，成膜后涂膜的缺陷較多。 由圖1、2 可知在粉聚比大于1.2 以上，拉伸強度和延伸率急劇下降。 圖1 和圖2顯示粉聚比對涂膜拉伸強度和延伸率的關系。

由圖1 和圖2 可以看出， 隨著粉聚比的提高，涂膜的拉伸強度在粉聚比為1∶1 時，強度達到最大；延伸率則隨著粉聚比的增加，呈下降趨勢。 因此粉聚比確定為1.1∶1～1.2∶1 之間為宜，該值最接近最大填充量，能有效降低產(chǎn)品成本，但是涂膜的拉伸強度和延伸率較理想。 經(jīng)試驗探索進一步確定粉聚比的比例為1.0∶1～1.2∶1 為宜。

圖1 拉伸強度與粉聚比的關系

圖2 延伸率與粉聚比的關系

表3 系采用A 乳液，按粉聚比例1∶1、1.2∶1、1.5∶1 等配比制成三組樣品， 測定其主要性能： 拉伸強度、斷裂延伸率和低溫柔性。 結(jié)果顯示隨著粉料的增加，對強度影響不大，但延伸率隨之降低，低溫柔性前兩組達到-20 ℃無裂紋。 粉聚比為1∶1 時強度達到1.28 MPa，延伸率只有214%；1.5∶1 時，強度為1.02 MPa，延伸率僅為131%。 因此該乳液在最佳粉聚比時達不到相關標準該指標的要求，不適宜用于防水涂料。

表3 粉聚比對涂膜性能的影響

丙烯酸酯B 乳液具有優(yōu)異的低溫性能和延伸性，優(yōu)良的防水、耐堿及耐候性，最低成膜溫度0 ℃，玻璃化溫度為-8 ℃。 粉料作為填料充滿于乳液之中，限制了高分子鏈間的自由延伸，所以防水涂料的延伸率隨粉聚比的增加而減小。 拉伸強度和斷裂延伸率在粉聚比為1∶1～1.2∶1 達到最大，隨粉聚比的繼續(xù)增加，拉伸強度和斷裂延伸率呈直線下降。

按照粉聚比1.1∶1 和1.2∶1 兩個配比制得兩組樣品，50 ℃做熱穩(wěn)定性試驗放置30 d 后取出，冷至室溫。 結(jié)果如下：

1）1.1∶1 厚質(zhì)防水涂料， 表面有少許析出物，較容易攪拌，無不良現(xiàn)象發(fā)生。

2）1.2∶1 厚質(zhì)防水涂料， 表面幾乎沒有析出物，攪拌較費力（因填充量較高），但能攪拌均勻，無絮凝、凝膠、沉降現(xiàn)象發(fā)生。

3 配方的制定和性能測試

3.1 基本配方

表4 厚質(zhì)彈性防水涂料基本配方

3.2 制備工藝

1）先將消泡劑的一半加進計量好的乳液中，低速攪拌均勻。

2）將計量好的顏填料，每次少量分多次加入乳液中。 剛開始加料時攪拌器可提升至接近上液面，以便將加進的粉料快速分散進入乳液。 隨著粉料的不斷加入涂料黏度增大，可提高攪拌速度并下降攪拌器至適當位置。

3）基本看不到粉料時，將內(nèi)壁上附著的干粉刮進液料中。

4）加入另一部分消泡劑，提高攪拌速度至1 000 r/min 攪拌30 min， 利用物料的黏稠度形成的剪切力進一步將粉料潤濕分散。

5）加入其它助劑，低速攪拌10 min，使體系中的泡沫消除。

3.3 性能測試

厚質(zhì)彈性防水涂料的性能要求應符合JC/T 864—2008《聚合物乳液建筑防水涂料》中Ⅰ型的指標要求，檢測結(jié)果見表5。

表5 厚質(zhì)彈性防水涂料檢測結(jié)果

防水涂料Ⅰ型產(chǎn)品適用于非長期浸水環(huán)境下的建筑防水工程。

4 厚質(zhì)丙烯酸彈性防水涂料的產(chǎn)品特點

用丙烯酸酯B 乳液配制成的防水涂料，整體成膜性好，與基層黏結(jié)力強，涂膜固化后形成一層連續(xù)均勻完整的橡膠狀彈性體，因而做成的防水層無接縫，對異型部位的施工更為適宜，提高了工程的整體防水抗?jié)B能力；涂膜良好的延伸率及較好的拉伸強度，對基層開裂或伸縮的適應性強；以水為分散介質(zhì)的單組分涂料，無毒無味，可冷施工、常溫固化、易于涂布、施工速度快、施工機具易于清洗，因而更安全，不污染環(huán)境，綠色環(huán)保，在潮濕表面上可以施工；具有較好的耐候性、耐水性、耐堿性和保色性； 對損壞部分局部修補仍可達到原有的防水效果，省時、省力、費用低，維修容易；價格適中，且可以通過著色調(diào)配成各種色彩[5]。

在選取原材料時，盡量選取無毒或低毒的材料，盡可能少的使用助劑。 防水涂料中只有乳液、無機顏填料及少量的消泡劑、防霉劑和觸變劑，沒有添加增稠劑、成膜助劑及其它可能會增加涂料VOC含量的助劑，以最大限度地減少有機揮發(fā)物的使用，從而使該水性涂料趨向零VOC。

對于沒有高光澤要求的場所，單獨將該防水涂料直接用于有防水、防銹要求的部位，可取代溶劑型油漆。 該防水涂料的自身顏色為白色，可以通過添加不同的顏料來制成各種顏色，以適應美化環(huán)境和滿足不同建筑面的需要。 在該厚質(zhì)防水涂料中加入氧化鐵紅顏料漿， 制成鐵銹紅色的防水涂料，涂刷于鐵柵欄等金屬制品上，一年后還完好如初，能取代傳統(tǒng)的溶劑型防銹漆使用，既沒有揮發(fā)性有機化合物，又經(jīng)濟實用，性價比較高。