水性混凝土脫模劑的制備與研究

楊守成，孫萬萬，曾明，周紫晨，張冰

（中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢 430081）

脫模劑是一種起到隔離和潤滑效果的一類混凝土外加助劑，介于模具和成品之間的功能性物質(zhì)，在混凝土施工過程中，脫模劑的使用可有效減少混凝土與外加模板之間的附著力，改善混凝土表面出現(xiàn)的蜂窩麻面、缺角、裂隙等質(zhì)量缺陷，進而阻擋混凝土表層外雨水、煙氣等其他有害物質(zhì)的侵入，有效保護混凝土構(gòu)件免遭外界物理、化學(xué)因素的侵蝕破壞[1-3]。水性脫模劑使用時水分揮發(fā)后會在模具表面形成一層致密光滑的薄膜，以此來隔離混凝土與模具。優(yōu)質(zhì)的脫模劑應(yīng)保證薄膜能夠與模具表面很好地粘合，避免脫落和損壞，保持薄膜在脫膜過程中的完整性，同時與混凝土表面無反應(yīng)或粘附，并且在脫膜過程中可以很好地剝離模制產(chǎn)品[4-6]。

石蠟油是一種性質(zhì)極不活潑的碳?xì)浠衔?，主要成分為C20～C30正構(gòu)烷烴的同系混合物，憎水性較強，是優(yōu)良的疏水物質(zhì)，同時成本較低、來源廣泛、易乳化，因此常被用作混凝土水性脫模劑中作為主要原材料，通過乳化劑將石蠟制備成石蠟油乳液后，因其顆粒較小，均勻噴涂到模板表面后，通過水分揮發(fā)后，乳液破乳可使石蠟顆粒從水相中析出，均勻地吸附在模板上，從而提高模具的隔離和潤滑性能[7-10]。

本研究以熔點和黏度適中的26號石蠟油為原料，采用Span-80、TO-5、AEO-3和Twen-80為主乳化劑，以SG-6為助乳化劑，制備了高性能石蠟脫模劑乳液，實驗考察了配方組成、乳化劑含量、助乳化劑含量、石蠟油含量、乳化溫度、乳化時間和均質(zhì)速度對脫模劑穩(wěn)定性的影響，并研究了該脫模劑的脫膜性能。

1 試驗

1.1 主要原材料與儀器

26號石蠟油：熔點-24℃，運動黏度（40℃）24.7 mm2/s，HLB=9～12，分析純；失水山梨醇油酸酯（Span80）、聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯（Twen-80）：分析純；異構(gòu)十三碳醇聚氧乙烯醚（TO-5）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-3）、助乳化劑硬脂酸聚氧乙烯醚（SG-6）、增稠劑三乙醇胺（TEA）：化學(xué)純；穩(wěn)定劑：硬脂酸鈣，分析純；螯合劑：EDTA，分析純。

電子天平：FA1004型，紹興萬利儀器有限公司；恒溫水浴鍋：HHWO-10L型，鞏義瑞德儀器設(shè)備有限公司；高速離心機：TG20K型，上海繼譜電子科技有限公司。

1.2 環(huán)保水性混凝土脫模劑的制備

以石蠟油為基礎(chǔ)油原料，去離子水為分散體系，通過復(fù)配乳化劑及其他助劑制備水性混凝土脫模劑。制備過程如下：

（1）將2 g的穩(wěn)定劑加入到300 ml去離子水中，在80℃和1000 r/min轉(zhuǎn)速條件下分散10 min，得到分散均勻混合溶液A。

（2）將5 g乳化劑Span-80、2 g乳化劑Twen-80、6 g乳化劑TO-5、6.5 g乳化劑AEO-3以及2.5 g助乳化劑SG-6緩慢加入到80 g石蠟油中，在75℃和1500 r/min轉(zhuǎn)速下分散20 min，得到分散均勻的混合溶液B。

（3）將混合溶液B緩慢加入到混合溶液A中，控制溫度為80℃，提高轉(zhuǎn)速到2500 r/min，分散20 min后加入3 g三乙醇胺，再分散10 min后，逐步降低轉(zhuǎn)速和溫度到200 r/min和35℃左右時再加入螯合劑，保持該溫度和轉(zhuǎn)速下繼續(xù)分散5 min后，即得到水性混凝土脫模劑。

1.3 性能測試方法

（1）穩(wěn)定性測試：取50 ml脫模劑乳液分別置于3個100 ml的具塞離心管中，分別放置于-5℃、室溫（25℃）及高溫（55℃）下30 d，30 d后取出，稱量并計算底部分層溶液占乳液總質(zhì)量的百分比，若占10%，則該乳液穩(wěn)定性為9分，底部分層溶液越少、分?jǐn)?shù)越高，則說明乳液穩(wěn)定性越好，每種條件下測試3次，取算術(shù)平均值，再取3種測試條件下的平均值確定最終分?jǐn)?shù)。

（2）脫模劑施工性能測試：按JC/T 949—2005《混凝土制品用脫模劑》進行。

（3）脫模劑成膜性能測試：將脫模劑原液及稀釋一定比例后涂刷在潔凈的鋼板上，30 min后察看成膜情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合乳化劑對脫模劑穩(wěn)定性的影響

穩(wěn)定性是評價水性脫模劑的一項重要指標(biāo)，穩(wěn)定性差的脫模劑脫模后會造成混凝土試件表面產(chǎn)生龜裂皺紋，嚴(yán)重影響混凝土的外觀以及模具的使用壽命，而脫模劑的脫模性能則是評價脫模劑質(zhì)量的最重要指標(biāo)，主要通過拆模時用力大小，混凝土粘附量以及成型面表面光滑程度等來進行表征。而對于水性脫模劑來說，乳化劑與基礎(chǔ)油的適配性是脫模劑是否具備穩(wěn)定性的關(guān)鍵，這就要求選擇的單一或復(fù)合乳化劑的親水-親油平衡值（HLB）盡可能地與被乳化基礎(chǔ)油的相等或接近，才能夠達到最佳的穩(wěn)定效果。

石蠟油的HLB值在9～12之間，試驗綜合比對了市場上相關(guān)的乳化劑性能與成本后，分別選取Span-80、TO-5、AEO-3和Twen-80共4種乳化劑進行復(fù)配，同時為了保持乳化后乳液的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)盡量保證復(fù)配乳化劑中各乳化劑之間的HLB值相差較大，且應(yīng)選擇3種及以上乳化劑進行復(fù)配，以便易于調(diào)節(jié)HLB值，使復(fù)配乳化劑的HLB值在9～12之間，最終確定乳化石蠟油的最佳HLB值。

將4種乳化劑進行復(fù)配，調(diào)整其HLB值在9～12之間，按照1.2節(jié)的步驟制備水性脫模劑。Span-80、TO-5、AEO-3和Twen-80四種乳化劑的復(fù)配比例及所制備脫模劑的HLB值和穩(wěn)定性如表1所示。

表1 4種乳化劑按不同比例復(fù)配時的HLB值及其對脫模劑穩(wěn)定性的影響

由表1可見，當(dāng)復(fù)配乳化劑的HLB值為10.48時，脫模劑乳液的穩(wěn)定性最佳，說明此時乳化劑和石蠟油的親水親油性最為接近，所以最終確定4種乳化劑的最佳復(fù)配比例為：m（Span-80）∶m（Twen-80）∶m（TO-5）∶m（AEO-3）=1∶4∶2∶3（11#）。

2.2 乳化劑用量對脫模劑穩(wěn)定性的影響

選用11#復(fù)配乳化劑，按照1.2制備脫模劑（下同），乳化劑用量（按占石蠟油質(zhì)量百分比計）對脫模劑穩(wěn)定性的影響如表2所示。

由表2可見，當(dāng)乳化劑用量從10%逐漸增加到25%時，乳液穩(wěn)定性從3.5分提高到10分（完全不分層）；繼續(xù)從30%增加到40%時，乳液穩(wěn)定性又從10分降低到8.4分。這是因為，當(dāng)乳化劑用量較少時，乳化劑不能將石蠟油完全乳化，導(dǎo)致油水兩相分層。當(dāng)乳化劑用量增大時，乳化過程中會不斷產(chǎn)生泡沫，大大影響乳液的剪切乳化效果；同時由于脫模劑刷到模板表面后蒸發(fā)水分留下一層疏水油膜，才有脫模作用，若乳化劑用量過大，殘留乳化劑太多，疏水油膜不一定能成膜；還有乳化劑親水，會影響水泥表面水化進程，可能導(dǎo)致掉灰、模具生銹、使其無法正常吸附在金屬模板表面，從而也會影響水性脫模劑的使用性能。綜合考慮，當(dāng)乳化劑用量為25%時，乳液的穩(wěn)定性最佳。

2.3 助乳化劑用量對脫模劑穩(wěn)定性的影響

硬脂酸聚氧乙烯醚兼具有陰離子和非離子表面活性劑的特點，乳化過程中形成的泡沫較少，同時在液體狀態(tài)下又具有較高穩(wěn)定性，可減小乳液破乳的幾率。試驗選擇乳化劑用量為25%，助乳化劑SG-6用量（按占石蠟油質(zhì)量百分比計）對脫模劑穩(wěn)定性的影響如表3所示。

表3 助乳化劑用量對脫模劑穩(wěn)定性的影響

由表3可見，當(dāng)SG-6用量不大于20%時，隨著SG-6用量的增加，復(fù)合乳化劑與石蠟油之間的親合力不斷增強，使得乳化石蠟油的穩(wěn)定性提高；而當(dāng)SG-6用量大于20%時，隨著助乳化劑用量的增加，乳液的穩(wěn)定性明顯降低，因此，以下試驗選擇SG-6的用量為18%，此時乳液穩(wěn)定性最佳。

2.4 石蠟油用量對脫模劑穩(wěn)定性的影響

石蠟油用量對脫模劑的穩(wěn)定性影響較大，石蠟油用量太少會導(dǎo)致乳液固含量較低，穩(wěn)定性差。又由于脫模劑的原材料成本絕大部分占比來自于石蠟油，石蠟油用量過多會大大增加脫模劑的生產(chǎn)成本。表4為石蠟油用量對脫模劑穩(wěn)定性的影響。

表4 石蠟油用量對脫模劑穩(wěn)定性的影響

由表4可見，當(dāng)石蠟油用量從12%增加到20%時，隨著石蠟油用量的增加，乳液穩(wěn)定性在不斷提高，當(dāng)石蠟油用量為20%時，乳液穩(wěn)定，完全不分層；但當(dāng)石蠟油用量繼續(xù)增加到24%時，乳液出現(xiàn)輕微分層。這是因為，當(dāng)石蠟油用量過大時，體系中的乳化劑不足以將所有的石蠟油乳化，從而導(dǎo)致乳液輕微分層。所以當(dāng)石蠟油用量為20%時，乳液的穩(wěn)定性最佳，性價比最高。

2.5 乳化溫度對脫模劑穩(wěn)定性的影響

乳化劑的性能與溫度有著密切的關(guān)系，尤其是當(dāng)溫度改變時，乳化劑的HLB值也會改變，這也會大大影響乳液的穩(wěn)定性，同時溫度還會影響石蠟油的黏度和涂膜的穩(wěn)定性。試驗固定石蠟油用量為20%，乳化溫度對脫模劑穩(wěn)定性的影響如表5所示。

表5 乳化溫度對脫模劑穩(wěn)定性的影響

由表5可見，當(dāng)乳化溫度較低于60℃時，乳液的穩(wěn)定性較差。這是因為當(dāng)溫度較低時，石蠟油黏度較大，導(dǎo)致乳化劑與石蠟油難以分散，乳化效果不佳，乳液的穩(wěn)定性較差；當(dāng)乳化溫度為70～90℃時，乳液的穩(wěn)定性良好。若乳化溫度過高，體系膠束不穩(wěn)定，乳液會破乳分層。綜合考慮，對于具有較高熔點的石蠟油體系來說，應(yīng)該保證其乳化溫度，但溫度過高還會造成能源浪費，因此其最佳乳化溫度為80℃。

2.6 乳化時間對脫模劑穩(wěn)定性的影響

乳化時間對脫模劑的穩(wěn)定性也有較大影響。乳化時間過長，會使乳液黏度過大，導(dǎo)致乳液流動性變差；同時過度的剪切乳化會導(dǎo)致乳液破乳，乳化時間過長還會造成不必要的能源損耗。但乳化時間過短，剪切力不足以將石蠟溶液、水和乳化劑分子分散成的小顆粒充分結(jié)合成微小粒子，使得石蠟油沒有被完全乳化，導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性差，乳化效果不好。按照上述試驗確定的最佳條件，考察乳化時間對脫模劑穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 乳化時間對脫模劑穩(wěn)定性的影響

由表6可見，當(dāng)乳化時間為25 min時，乳液的穩(wěn)定性最佳。所以，以下試驗選擇該體系的乳化時間為25 min。

2.7 乳化速度對脫模劑穩(wěn)定性的影響

石蠟油在乳化過程中需要足夠大的剪切力去破壞油水之間的作用力，但如果乳化速度過快，剪切過程中會產(chǎn)生大量氣泡，同時也會打破乳液的平衡狀態(tài)，造成乳液破乳。按照上述試驗確定的最佳條件，考察乳化速度從500 r/min增大到3000 r/min時對脫模劑穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如表7所示。

由表7可見，當(dāng)乳化速度從500 r/min增大到3000 r/min時，脫模劑穩(wěn)定性呈先提高后降低。當(dāng)乳化速度達到1500 r/min時穩(wěn)定性達到最高；而乳化速度從2500 r/min提高到3000 r/min時，穩(wěn)定性降低。這是由于乳化速度過快，一方面會產(chǎn)生大量氣泡，造成不必要的能源損耗；另一方面也會打破乳液的平衡狀態(tài)，造成破乳現(xiàn)象。所以，選擇適宜的攪拌速度為2000 r/min。

表7 乳化速度對脫模劑穩(wěn)定性的影響

2.8 脫模劑中試

按上述最優(yōu)工藝條件制備的脫模劑，即乳化劑用量為石蠟油質(zhì)量的25%，助乳化劑SG-6用量為復(fù)合乳化劑的8%，石蠟油用量為脫模劑質(zhì)量的20%，乳化溫度80℃，乳化時間25 min，乳化速度2000 r/min。將所制備的水性脫模劑按照J(rèn)C/T 949—2005進行性能測試，結(jié)果如表8所示。

表8 水性脫模劑的性能測試結(jié)果

從表8可見，所制備的水性脫模劑不僅儲存穩(wěn)定性好，而且具有良好的脫模效果，對鋼模不產(chǎn)生銹蝕，脫模后混凝土表面光滑、棱角完整無損，性能符合JC/T 949—2005要求。

圖9為中試生產(chǎn)的水性脫模劑用于預(yù)制構(gòu)件管片廠生產(chǎn)混凝土制品脫模后的效果。

3 結(jié)論

（1）以26號石蠟油為基礎(chǔ)油原料，采用Span-80、TO-5、AEO-3和Twen-80為復(fù)配乳化劑，SG-6為助乳化劑制備了一種性能良好的水性脫模劑。其最佳制備工藝條件為：復(fù)合乳化劑的HLB值為10.5左右，乳化劑用量為石蠟油質(zhì)量的25%，助乳化劑SG-6用量為復(fù)合乳化劑的8%，石蠟油用量為脫模劑質(zhì)量的20%，乳化溫度80℃，乳化時間25 min，乳化速度2000 r/min。

（2）性能測試結(jié)果表明，所制備的脫模劑具有良好的儲存穩(wěn)定性，脫模后對鋼模不產(chǎn)生銹蝕，脫模效果良好，混凝土粘附量小，脫模后的混凝土試件表面光滑平整。性能符合JC/T 949—2005要求。