改性聚丙烯酸酯建筑防水涂料的制備及性能研究

鄒 輝

(安徽文達(dá)信息工程學(xué)院，安徽 合肥 231201)

建筑防水材料是用于對建筑物一類進(jìn)行防水處理的材料。產(chǎn)品涂刷后會產(chǎn)生一層防水涂膜，一般可以達(dá)到家庭裝修與工業(yè)建筑的屋頂、地板、水槽、辦公室等各個部位的防水要求[1]。該類產(chǎn)品是由合成高分子聚合物和水泥或其它復(fù)合材料組成，加入適量的助劑、顏填料、溶劑等生產(chǎn)出的反應(yīng)型、水乳型等類型的含有高分子合成材料的復(fù)合涂料產(chǎn)品[2]。依據(jù)主要組成成分不同可分成五類：合成高分子類、瀝青類、水泥類、高聚物改性瀝青類和聚合物水泥類等[3]。其中，聚合物水泥防水涂料(JS防水涂料)主要是由聚合物乳液與水泥、無機(jī)填料、助劑復(fù)合組成的水性材料[4]。JS防水涂料的主要組成物質(zhì)有：主要成膜物質(zhì)(聚合物乳液)，決定產(chǎn)品的耐候性、柔韌性、硬度、耐水性、透水性等[5-8]；次要成膜物質(zhì)(水泥、滑石粉、碳酸鈣和顏料等)決定產(chǎn)品的分散性、耐候性等；輔助成膜物質(zhì)(成膜助劑、消泡劑、增塑劑、分散和劑防腐劑等[9-12])；決定產(chǎn)品的儲藏性、施工便捷性。然而，現(xiàn)在國內(nèi)一般生產(chǎn)的JS防水涂料的高聚灰比涂料大多數(shù)耐水耐候性指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。假如在不影響涂料的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率的情況下，盡量使用水泥和其他顏填料，會大幅度增加JS防水涂料的性能，也可以減少JS防水涂料的生產(chǎn)成本。本文從對聚合物乳液的制備工藝和填料的選擇、其他各種助劑的選擇等方面進(jìn)行研究以提高JS防水涂料性能。

1 實驗部分

1.1 儀器和原料

PHS-3B型恒溫水浴鍋(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，JJ-1型電動攪拌器(北京永光明醫(yī)療儀器廠)，BS 224S型電子天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)。

丙烯酸異辛酯、十二烷基硫酸鈉、丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、過硫酸銨、丙烯酸、碳酸氫鈉、碳酸鈣、氨水、OP-10、平平加O和異戊醇均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，水泥、滑石粉、石英砂、消泡劑均購于當(dāng)?shù)亟ú氖袌觥?/p>

1.2 研究方法

1.2.1 聚丙烯酸酯乳液制備

將丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯和水，攪拌乳化20 min，得到單體的預(yù)乳化液A。在裝有攪拌、回流冷凝管的三口燒瓶內(nèi)分別加入十二烷基硫酸鈉和平平加O、碳酸氫鈉和去離子水，置于50℃水浴中均勻攪拌溶解得到溶劑B。將乳化液A和溶劑B混勻，升溫至85℃，打開恒壓滴液漏斗逐滴加入過硫酸銨溶液。然后保溫2 h，直至無丙烯酸氣味為止。降溫，用氨水調(diào)pH值至7左右密封備用。

1.2.2 聚合物水泥防水涂料的制備

將制好的聚丙烯酸酯乳液加入消泡劑，混合攪拌成液料C；按照一定的配比將水泥和滑石粉等均勻混合成粉料D。將液料C和粉料D與功能單體丙烯酸按不同的聚灰比進(jìn)行混合，得到聚合物水泥防水涂料(下文統(tǒng)稱為JS涂料)。

1.2.3 性能測試與表征

1.2.3.1 IR光譜表征

將制備的聚丙烯酸酯乳液均勻涂抹在溴化鉀壓片上，采用傅里葉紅外光譜儀對制備的聚丙烯酸酯結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)進(jìn)行表征，掃描頻率范圍為4 000～600 cm-1，掃描次數(shù)為6，分辨率為3。

1.2.3.2 聚丙烯酸酯乳液含量的測定

將制備好的聚丙烯酸酯乳液均勻攪拌后稱取約2 g的樣品，均勻地涂布于培養(yǎng)皿中，在105℃下干燥1 h后取出，放進(jìn)玻璃干燥器里冷卻到室溫后進(jìn)行稱重，再將培養(yǎng)皿放進(jìn)干燥器中，干燥30 min左右，然后放進(jìn)干燥器中冷卻到室溫后進(jìn)行稱重，重復(fù)以上步驟，到前后兩次稱重偏差不大于0.01 g為止。固含量X按照公式(1)進(jìn)行計算：

X=[(M2-M)/(M1-M)]×100%,

(1)

其中，M為培養(yǎng)皿質(zhì)量(g)；M1為干燥前培養(yǎng)皿與樣品的總質(zhì)量(g)；M2為干燥后培養(yǎng)皿與樣品的總質(zhì)量(g)。

1.2.3.3 丙烯酸酯乳液的機(jī)械穩(wěn)定性測定

用電動攪拌器高攪拌速率下攪拌2 h，然后觀察產(chǎn)品機(jī)械穩(wěn)定性、均勻性和粘稠性。

1.2.3.4 JS涂料涂膜吸水率的測定

將制備好的JS涂料進(jìn)行涂膜(厚度0.15 mm)，在室溫下靜置7 d后，剪裁下約2 cm×2 cm的涂膜，洗干凈，在50℃下烘干1 h，冷卻到室溫，然后稱重；將涂膜放進(jìn)蒸餾水里浸泡7 d，將試樣取出輕輕擦干，再次稱量，涂膜的吸水率V按公式(2)進(jìn)行計算：

V=[(W2-W1)/W1]×100%,

(2)

其中，W1為涂膜干燥后的質(zhì)量(g)；W2為吸水后的質(zhì)量(g)。

1.2.3.5 JS涂料的高溫穩(wěn)定性測定

采用熱重分析儀測試JS涂料的高溫穩(wěn)定性，溫度范圍25～800℃，升溫速率10℃/min，氣體流量 50 mL/min。

1.2.3.6 JS涂料的力學(xué)性能測定

將涂料倒入聚四氟乙烯標(biāo)準(zhǔn)模板中進(jìn)行測試樣件制備，待固化后取出，采用萬能試驗機(jī)進(jìn)行斷裂生長率和拉伸強(qiáng)度測試。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和Origin 2018對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析與處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚丙烯酸酯分子IR光譜

通過IR光譜對聚丙烯酸酯乳化液進(jìn)行光譜信號掃描，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，在2 935 cm-1(—CH2不對稱伸縮振動)、1 696 cm-1(C=O伸縮振動)和1 163 cm-1(C—O伸縮振動)存在聚丙烯酸酯分子的特征吸收峰，根據(jù)以上出峰位置可以斷定成功合成了聚丙烯酸酯。

圖1 聚丙烯酸分子IR光譜圖

2.2 JS涂料的配方優(yōu)化

2.2.1 乳化劑的選擇

JS涂料是通過聚丙烯酸酯乳液與水泥復(fù)配形成。由于水泥中存在大量鈣離子，影響涂料的穩(wěn)定性。所以需要合適的乳化劑進(jìn)行乳化，提高涂料的穩(wěn)定性。本文選擇非離子表面活性劑平平加O和陰離子型乳化劑十二烷基硫酸鈉復(fù)配得到復(fù)合乳化劑(主要因為非離子型表面活性劑對于電解質(zhì)等的化學(xué)穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)秀，但是非離子型表面活性劑會使聚合反應(yīng)速度減緩，并且其乳化能力比較弱，聚合反應(yīng)中易產(chǎn)生凝塊等。而陰離子型表面活性劑的化學(xué)穩(wěn)定性不是很好，但是反應(yīng)迅速，復(fù)配性能良好)。測試不同配比復(fù)合乳化劑的涂料性能，結(jié)果見表1。從表1可以看出，當(dāng)陰離子和非離子表面活性劑質(zhì)量比例為l∶2時乳液性能比較好。

表1 不同質(zhì)量比乳化劑對涂料性能的影響

2.2.2 功能單體丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)

功能單體丙烯酸的加入能夠提升涂料乳液的分散性和附著力。但丙烯酸在乳膠粒形成過程中容易產(chǎn)生水相均聚。當(dāng)丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4%時乳液穩(wěn)定性增加的趨勢就會變慢甚至降低。分別取丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%做成聚合物乳液，和水泥復(fù)配制成JS涂料，測量膜的硬度，結(jié)果如表2所示。由表2可以得出，丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，JS防水涂料成膜性最好。

表2 丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂料的影響

2.2.3 聚灰比的選擇

聚灰比主要指涂料里面聚合物乳液中聚合物的干量和水泥的質(zhì)量之比，本次實驗在固定填料滑石粉質(zhì)量的情況下，不斷加大水泥的量，在其它數(shù)值不改變的基礎(chǔ)上，對不同聚灰比對產(chǎn)品性能的影響進(jìn)行了實驗，其結(jié)果見表3。

表3 不同聚灰比對涂料性能影響

從表3可知，當(dāng)聚灰比變大時，涂膜的拉伸強(qiáng)度不斷降低，斷裂伸長率不斷增加。主要是因為乳液在體系中含量增大，乳液會變成主要組成物質(zhì)，水泥變成次要組成物質(zhì)，從微觀角度上看水泥膠體鏈已經(jīng)很不完整。當(dāng)涂料產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度為2.02 MPa時，斷裂伸長率達(dá)272%，可以滿足一般工程的應(yīng)用需求。因此，選擇聚灰比為0.9。

2.3 涂膜性能測試

2.3.1 TG分析結(jié)果

通過最佳涂料配方復(fù)配成的JS涂料的涂膜(乳化劑的陰離子型與非離子型的質(zhì)量比為1∶2，丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%和聚灰比為0.9)TG曲線見圖2。當(dāng)溫度升到100℃時，涂膜出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，約為5%，主要是因為涂料中的配位鍵、雙鍵等不穩(wěn)定鍵斷裂；當(dāng)溫度達(dá)到200℃左右時，涂膜質(zhì)量損失呈現(xiàn)急劇下滑狀態(tài)，主要是因為分子鏈中的—CHn鍵出現(xiàn)斷裂；當(dāng)溫度達(dá)到450℃左右時，涂膜基本分解完全，質(zhì)量損失達(dá)到95%，剩余部分為水泥、化石粉等不易燃物質(zhì)。

圖2 JS涂料涂膜的TG曲線

2.3.2 耐水性

耐水性一般是涂膜對水作用的抵抗力，即涂膜不吸水的能力。采用最佳配方進(jìn)行JS涂料配制，涂布成1.5 mm厚的涂膜，測試0、1、3、5、7、14和20 d浸水對于涂膜吸水率的影響，結(jié)果見表4。

表4 不同浸水時間對與涂膜吸水率的影響關(guān)系

根據(jù)表4可得，隨著浸水時間的延長，JS防水涂膜的拉伸強(qiáng)度不斷減小。這主要是由于涂膜浸水時間的不斷增加，導(dǎo)致交聯(lián)的柔順性大分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間的作用力降低，尤其是分子間氫鍵遭到了損壞，讓涂膜在浸水以后機(jī)械強(qiáng)度下降。實驗表明，所制得的JS防水涂料是具有防水性能的。

2.3.3 不透水性

不透水性一般是衡量防水涂料防水性能的一個重要判定方法，該性能主要指涂膜承受水壓的能力，在特定的壓力下不滲水就是合格。一般要求耐水壓0.1 MPa至0.3 MPa，不滲水時間達(dá)到30 min，通過測試發(fā)現(xiàn)涂膜均達(dá)到了0.3 MPa、30 min不透水的合格結(jié)果。

綜上所述，本文以丙烯酸酯乳液與水泥為主要的粉料，滑石粉作為填料，加入一定量助劑。通過對產(chǎn)品進(jìn)行各種性能測試，最終得到產(chǎn)品的基本性能均符合要求。

4 結(jié)論

本文基于丙烯酸酯進(jìn)行水泥防水涂料制備與優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

(1)非離子乳化劑(平平加O)與陰離子乳化劑(十二烷基硫酸鈉)的質(zhì)量比為2∶1時，涂料產(chǎn)品穩(wěn)定性較好，與水泥具有良好的配伍性。

(2)功能單體丙烯酸提供了和水泥水化反應(yīng)的活性點，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時與聚合物乳液交聯(lián)效果最佳。

(3)當(dāng)聚灰比為0.9時，涂料產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度為2.02 MPa時，斷裂伸長率達(dá)272%，滿足一般工程使用的要求。