耐水型聚合物乳液防水涂料應(yīng)用研究

李晴龍，王亞輝，范少偉

(1.雨中情防水技術(shù)集團股份有限公司，陜西 西安 710200；2.陜西雨中情防水材料有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

防水材料作為建筑工程中不可或缺的組成部分之一，越來越受到重視。其中的防水涂料因其施工便利性、涂層干燥后可形成整體無縫的防水層、適用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程部位等防水卷材無法替代的優(yōu)勢而占有一定的市場份額。而隨著國家對環(huán)保的越加重視，“油改水”亦將成為涂料行業(yè)大趨勢，將不斷推動防水涂料向水性化、綠色化、功能多樣化方向發(fā)展。

日前，住建部強制規(guī)范《建筑和市政工程防水通用規(guī)范》的制訂，提出了防水設(shè)計使用年限的規(guī)定。其中，聚合物乳液類防水涂料性能指標(biāo)中已明確提出耐水性要求。 而耐水性作為水性防水涂料的一個重要考察點，一直制約其在防水市場的推廣，主要是存在耐水性差、吸水率高、涂膜浸水后發(fā)脹變軟、強度降低等缺陷[1]，尤其在廚浴間、地下室及蓄水池等長期潮濕環(huán)境下，可能會導(dǎo)致防水涂層失效。

目前，提高水性涂料耐水性的一般思路主要有乳液類型選型、疏水性物質(zhì)改性、交聯(lián)改性等。本文嘗試從乳液選型入手，因丁二烯、苯乙烯均為疏水性單體，制得的丁苯乳液為疏水聚合物，有極低的吸水率和水蒸氣透過率，即使浸沒于水中，丁苯乳液也可提供極佳的強度保持率。故以丁苯乳液為主要原料，制備了一種耐水型聚合物乳液防水涂料，該防水涂料區(qū)別于傳統(tǒng)的聚合物乳液防水涂料，具有優(yōu)異的長期浸水強度保持率，可更好的滿足《建筑和市政工程防水通用規(guī)范》制訂后用于室內(nèi)防水對聚合物乳液防水涂料防水質(zhì)保期限大大延長背景下的應(yīng)用需求。

1 實 驗

1.1 原材料及儀器設(shè)備

丁苯乳液：盛禧奧聚合物有限公司；消泡劑：Foams tar A10，西安捷德貿(mào)易有限公司；分散劑：BYK-23160，西安保圣工貿(mào)有限公司；增稠劑：RM8W，聚氨酯非離子締合型，廣州恒宇化工有限公司；藍色漿：廣東科迪新材料科技有限公司；硫酸鋇：600 目，陜西商南化工填料有限責(zé)任公司。

JJ-1 大功率電動攪拌器，常州國華電器有限公司；101 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；SMT-5000 萬能材料試驗機，揚州市靈頓測試儀器有限公司；FA2004 電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司。

1.2 耐水型聚合物乳液防水涂料的制備

按表1 配方向攪拌釜中依次加入丁苯膠乳、水、分散劑BYK-23160、藍色漿、2/3 消泡劑 Foams tar A10，開啟攪拌，轉(zhuǎn)速控制在600～800 r/min，攪拌10～15 min，充分分散均勻后，調(diào)整攪速至900～1200 r/min，緩慢加入600 目硫酸鋇粉料，加料時間控制在20 min，加完后攪拌30 min，而后保持?jǐn)囁贋?00～1200 r/min，緩慢加入余下的1/3 消泡劑和增稠劑RM8W，加完后攪拌15 min，靜置后過濾放料，即得耐水性聚合物乳液防水涂料。

表1 耐水型聚合物乳液防水涂料基礎(chǔ)配方

1.3 性能測試

防水涂膜制備及力學(xué)性能測試參照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》進行。

吸水率的測試：將養(yǎng)護好的涂膜裁成50 mm×50 mm 的試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置24 h，采用精度為0.1 mg 的天平稱量，試件質(zhì)量記為m1，然后浸入(23±2)℃的水中一定時間后，取出用濾紙迅速吸干表面的水漬，立即稱量，試件質(zhì)量記為m2，試件從水中取出到稱量完畢應(yīng)在1 min 內(nèi)完成，計算吸水率，結(jié)果取2 次平行試驗的算術(shù)平均值。

水性防水涂料耐水性能：參照GB/T 35609—2017《綠色產(chǎn)品評價 防水與密封材料》進行測試。將養(yǎng)護結(jié)束的防水涂膜浸沒在(23±2)℃的水中，并定期攪拌容器中的水，浸泡(168±2)h 后取出試件，用擰干的濕布擦去表面明水后，放入(23±2)℃，相對濕度(50±10)%環(huán)境下 24 h 后，按 JC/T 864—2008《聚合物乳液建筑防水涂料》的規(guī)定分別測試浸水前后的拉伸性能、與基層的粘結(jié)強度，計算浸水后強度的保持率，拉伸強度和粘結(jié)強度分別測試5 組試樣。對于地下工程用水性涂料，拉伸強度、粘結(jié)強度保持率均不小于80%認(rèn)為試驗通過；對于室內(nèi)用水性防水涂料，拉伸強度、粘結(jié)強度保持率均不小于50%認(rèn)為試驗通過[2]。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 浸水時間對不同類型乳液防水涂膜吸水率的影響

作為防水涂料中關(guān)鍵成膜物質(zhì)的乳液，其性能決定著涂料的優(yōu)劣[3]。目前常用的單組分聚合物乳液建筑防水涂料主要以丙烯酸乳液、VAE 乳液(需額外加少量增塑劑)等各類聚合物乳液為主要原料，加入填料、助劑等制得。因此，本文選擇以上2 種乳液作為基準(zhǔn)乳液與耐水型涂料所用丁苯乳液作為對比進行試驗。3 種類型乳液的基礎(chǔ)性能見表2。

表2 3 種類型乳液的基礎(chǔ)性能

分別用丙烯酸乳液、VAE 乳液、丁苯乳液參考基礎(chǔ)配方制得聚合物乳液防水涂料。測試3 類涂膜不同浸水時間的吸水率，結(jié)果見表3。

表3 浸水時間對不同類型乳液防水涂膜吸水率的影響

由表3 可知，采用丁苯乳液制備的聚合物乳液防水涂料較采用丙烯酸乳液及VAE 乳液的吸水率在浸水1、7、30 d 時均低，而且VAE 乳液體系吸水率高于丙烯酸乳液體系。丁苯乳液體系防水涂料的7 d 吸水率低于5%，與聚氨酯防水涂料相當(dāng)。這主要是因為VAE 乳液體系中的VAE 乳液采用的保護膠體為聚乙烯醇，含有部分羥基，另外，制備VAE 乳液的醋酸乙烯、乙烯無交聯(lián)性基團，導(dǎo)致吸水率較大；丙烯酸乳液體系中的丙烯酸乳液一般采用陰/非離子型乳化劑，其聚合所用的單體含有可交聯(lián)型的基團，其吸水率根據(jù)配方設(shè)計可調(diào)控性大，一般丙烯酸乳液吸水率不大[4]；而丁苯乳液體系中因聚合所用的丁二烯、苯乙烯均為疏水性單體，制得的丁苯乳液為疏水聚合物，乳液本身表現(xiàn)極低的吸水率，而對單組分聚合物乳液防水涂料而言，乳液作為防水涂料的成膜物質(zhì)，對涂膜的耐水性，拉伸性能等起著決定性的作用。因此，丁苯乳液體系制得的聚合物乳液防水涂料表現(xiàn)出極低的吸水率。

2.2 丁苯乳液用量對防水涂膜吸水率的的影響

乳液作為防水涂料體系中的主要成膜物質(zhì)，在水分揮發(fā)干燥固化過程中，通過聚合物乳液粒子相互靠近、接觸、擠壓變形而凝集，將顏填料包裹鑲嵌而形成既有柔韌性又有強度的防水涂層。因此，聚合物乳液的種類及用量決定了防水涂料的性能。本實驗以600 目硫酸鋇為顏填料，研究了丁苯乳液用量對防水涂膜吸水率的影響，結(jié)果見表4。

表4 乳液用量對防水涂膜吸水率的影響

由表4 可知，隨著丁苯乳液用量的增大，防水涂膜吸水率呈逐漸降低并趨于穩(wěn)定的趨勢。這可能是當(dāng)乳液用量較低時，乳液難以潤濕所有的填料顆粒，填料松散地分散于涂膜中，涂膜存在較多的微觀空隙，導(dǎo)致吸水率較高。隨著乳液用量的增加，乳液可充分潤濕和包裹填料粒子，形成連續(xù)致密的涂膜，吸水物質(zhì)主要來源于聚合物基料，而丁苯乳液由于其結(jié)構(gòu)特殊性，聚合物本身吸水率極低，表現(xiàn)為涂膜的吸水率趨于穩(wěn)定。

2.3 丁苯乳液用量對涂膜無處理及浸水處理力學(xué)性能的影響(見圖1)

圖1 丁苯乳液用量對涂膜無處理及浸水處理力學(xué)性能的影響

從圖1 可以看出，浸水7 d 后，隨丁苯乳液用量的增加，防水涂料拉伸強度呈先降低后提高再降低，斷裂伸長率呈增大的趨勢，且拉伸強度保持率大于50%，符合GB/T 35609—2017 對室內(nèi)用水性防水涂料的耐水性能要求。原因是丁二烯、苯乙烯均為疏水性單體，制得的丁苯乳液為疏水聚合物，有極低的吸水率和水蒸氣透過率，即使浸沒于水中，丁苯乳液也可提供極佳的強度保持率，采用丁苯乳液制備的聚合物乳液防水涂料表現(xiàn)優(yōu)異的拉伸強度保持率；而因GB/T 35609—2017 中浸水處理后未進行熱養(yǎng)護，僅在標(biāo)準(zhǔn)條件下平衡24 h，其殘留的小分子水會在涂膜中起到內(nèi)增塑作用，使得涂膜斷裂伸長率呈現(xiàn)增大的趨勢[5]。

2.4 丁苯乳液用量對防水涂膜無處理及浸水處理粘結(jié)強度的影響(見表5)

表5 乳液用量對防水涂膜浸水前后粘結(jié)強度的影響

由表5 可見，采用丁苯乳液制備的聚合物乳液防水涂料粘結(jié)強度均較高，隨著乳液用量的增加，其粘結(jié)強度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，且浸水7 d 后粘結(jié)強度保持率大于50%，符合GB/T 35609—2017 對室內(nèi)用水性防水涂料的耐水性能要求。這是因為丁苯乳液中帶苯環(huán)，空間位阻效應(yīng)較明顯，剛性較強，使得粘結(jié)強度均較大，隨著乳液用量的增大，乳液可充分潤濕和包裹填料粒子，可更好地滲透至水泥砂漿塊細小毛細孔內(nèi)，形成連續(xù)致密的涂膜，因而附著力更好，表現(xiàn)為粘結(jié)強度高，而隨著乳液用量繼續(xù)提高，涂膜本身的強度有所下降，表現(xiàn)為粘結(jié)強度降低。而制備丁苯乳液的丁二烯、苯乙烯均為疏水性單體，使制得的丁苯乳液為疏水聚合物，有極低的吸水率和水蒸氣透過率，即使浸沒于水中，丁苯乳液也可提供極佳的強度保持率。

2.5 耐水型聚合物乳液防水涂料與其他涂料性能對比(見表6)

由表6 可見，相比現(xiàn)有典型的水性防水涂料，耐水型聚合物乳液防水涂料浸水7 d 后的吸水率為4%～5%，溶劑型聚氨酯防水涂料的吸水率為2%～4%，而其它典型的水性防水涂料吸水率為10%～20%。其7 d 極低的吸水率與溶劑型聚氨酯防水涂料相當(dāng)，但其無VOC 排放。而其力學(xué)性能相比現(xiàn)有水性防水涂料也有一定的優(yōu)勢。耐水型聚合物乳液防水涂料的綜合性能優(yōu)良，具有較好的應(yīng)用前景。

2.6 耐水型聚合物乳液防水涂料的綜合性能

參考基礎(chǔ)配方及上述實驗結(jié)果可知，隨著乳液用量的增大，因丁苯乳液其結(jié)構(gòu)特殊性，聚合物本身吸水率極低，表現(xiàn)為涂膜的吸水率趨于穩(wěn)定，而拉伸強度逐漸降低，降低幅度很小，延伸率逐漸增大，成本亦會逐漸增加，結(jié)合熱處理(80 ℃，336 h)的延伸率要求≥200%，綜合考慮成本和熱處理延伸率，故設(shè)定乳液用量為60%，取m(丁苯乳液)∶m(600 目硫酸鋇)=6∶4 制得耐水型聚合物乳液防水涂料，涂膜的各項性能測試結(jié)果見表7。

表6 不同類型防水涂料性能對比

表7 耐水型聚合物乳液防水涂料涂膜性能

由表7 可見，制得的耐水型防水涂料綜合性能較好，除可以滿足JC/T 864—2008 的要求外，其吸水率有明顯降低。尤其是該涂料浸水7 d 后拉伸強度保持率、粘結(jié)強度保持率均大于50%，符合GB/T 35609—2017 對室內(nèi)用水性防水涂料的耐水性能要求。

3 結(jié) 論

(1)采用丁苯乳液制得的防水涂料，在吸水率、耐水性能方面表現(xiàn)較優(yōu)；制得的耐水型防水涂料7 d 吸水率比其它水性涂料更低，與溶劑型聚氯酯防水涂料較接近，且無VOC 排放。

(2)以丁苯膠乳為主要成膜物質(zhì)制得的耐水型聚合物乳液防水涂料，綜合性能較好，其浸水7 d 后拉伸強度保持率、粘結(jié)強度保持率均大于50%，符合GB/T 35609—2017 對室內(nèi)用水性防水涂料的耐水性能要求。