彈性乳液的比較及其對(duì)彈性建筑涂料性能的影響

姜廣明，詹明佳，李 婭，劉東華，趙雅文，胡 水

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.富思特新材料科技發(fā)展股份有限公司，北京 102607；3.北京化工大學(xué)，北京 100029）

0 引言

彈性乳液是由玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低的丙烯酸丁酯、丙烯酸異辛酯等“軟單體”和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高的甲基丙烯酸甲酯等“硬單體”構(gòu)成。彈性乳液的性能同時(shí)還受到聚合物分子鏈的柔性、聚合物分子間的相互作用力、聚合物分子間的交聯(lián)程度、聚合物結(jié)晶度、聚合物玻璃化溫度、聚合物分子量等因素的影響［1］。彈性建筑涂料的性能主要由彈性乳液決定；彈性乳液的玻璃化溫度越低，彈性建筑涂料的拉伸強(qiáng)度越低，斷裂伸長(zhǎng)率越高，耐沾污性也會(huì)越差［2］。

本論文探討了不同的彈性乳液的結(jié)構(gòu)和性能的差異，以及產(chǎn)生這種差異的原因。在相同的彈性建筑涂料的配方基礎(chǔ)上，證實(shí)了彈性建筑涂料的拉伸性能和彈性乳液的性能正相關(guān)，并根據(jù)彈性乳液的特點(diǎn)指導(dǎo)了彈性建筑涂料的配方設(shè)計(jì)。通過(guò)動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析的研究，找到了彈性建筑涂料的損耗因子與拉伸性能的關(guān)系，建立了彈性建筑涂料的快速鑒別方法。

1 原材料

本文收集了 4 種彈性乳液，編號(hào)為 RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6。按照 35 % 的彈性乳液含量和 42 % 的顏料體積濃度（PVC）的相同配方，將彈性乳液制備成彈性建筑涂料。每款彈性建筑涂料的配方中僅使用對(duì)應(yīng)的一種彈性乳液，沒(méi)有加入其他乳液進(jìn)行復(fù)配或混拼［3-5］。

4 款彈性建筑涂料的編號(hào)依次編為 RYTL-1、RYTL-2、RYTL-4 和 RYTL-6。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

紅外光譜使用美國(guó) Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生產(chǎn)的 Nicolet 6700 傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)試，掃描范圍為 4000-400 cm-1，分辨率為 4 cm-1。采用 ATR 方式測(cè)試彈性乳液涂層的紅外光譜。

熱失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生產(chǎn)的 TGA/DSC1 同步熱分析儀（型號(hào) STARe system）測(cè)試，氮?dú)鈿夥?，測(cè)試的溫度范圍為室溫～+1 000 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

DSC 分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司產(chǎn)品 TGA/DSC1 同步熱分析儀（型號(hào) STARe system）測(cè)試；掃描范圍 -60～+100 ℃，升/降溫速度為 20 ℃/min。檢測(cè)依據(jù)為 GB/T 27816-2011《色漆和清漆用漆基 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定》；預(yù)掃描一次，消除材料的熱歷史；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度取中點(diǎn)溫度。

拉伸性能使用日本 Shimadz 公司生產(chǎn)的 AG-IC 100 kN 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。試樣的制備依據(jù) JG/T 172-2014《彈性建筑涂料》，裁取符合 GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》的啞鈴Ⅰ型試件，拉伸速度為 200 mm/min。

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能使用德國(guó) Netzsch 公司生產(chǎn)的 DMA 242 C 型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀測(cè)試；采用拉伸模式，頻率為 10 Hz，測(cè)試溫度范圍為 -60 ℃～+120 ℃，升溫速度為 3 ℃/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 彈性乳液的微觀性能

3.1.1 紅外分析

將彈性乳液制成涂膜烘干，4 種彈性乳液涂膜的紅外光譜的結(jié)果，如圖 1 所示。紅外光譜的縱坐標(biāo)進(jìn)行了歸一化處理。

圖1 4 種彈性乳液的紅外光譜圖

從圖 1 可以看出，4 種彈性乳液的紅外光譜幾乎相同，4 種彈性乳液的成分均為聚丙烯酸酯類(lèi)物質(zhì)。紅外光譜中 1 730 cm-1為 C=O 的伸縮振動(dòng)峰，1 460 cm-1為 CH3反對(duì)稱變角振動(dòng)，1 250 cm-1和 1 160 cm-1分別為C-O-C 反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)。

1 020 cm-1處的峰不是聚丙烯酸酯類(lèi)的峰。根據(jù)分析，1 020 cm-1為 Si-O-Si 的伸縮振動(dòng)峰，是因?yàn)閺椥匀橐汉铣蓵r(shí)加入了部分的硅烷偶聯(lián)劑，以提高彈性乳液的耐水性、耐沾污性和耐候性。

3.1.2 熱失重分析

將彈性乳液制成涂膜烘干，4 種彈性乳液涂膜的熱失重曲線，如圖 2 所示。

圖2 4 種彈性乳液的熱失重曲線

從圖 2 可以看出，4 種彈性乳液中 RY-1、RY-4 和RY-6 的熱失重曲線幾乎重合；RY-2 的熱分解溫度略低，殘重略高。

RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6 的最大分解速率溫度分別為 403 ℃、391 ℃、404 ℃ 和 405 ℃；1 000 ℃ 的殘重分別為 4.4 %、7.6 %、4.1 % 和 4.1 %。RY-2 的分解溫度低，證明該乳液中含有部分分子量比較低的分子。

3.1.3 DSC 分析

將彈性乳液制成涂膜烘干，4 種彈性乳液涂膜的差示掃描量熱曲線，如圖 3 所示。

圖3 4 種彈性乳液的 DSC 二次升溫曲線

從圖 3 可知，4 種彈性乳液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度幾乎一致。RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為-8.34 ℃、-7.24 ℃、-8.08 ℃ 和 -7.66 ℃。

紅外光譜、熱失重分析和 DSC 分析的結(jié)果，證明了4 種彈性乳液的成分、組成和結(jié)構(gòu)是類(lèi)似的，均為聚丙烯酸酯類(lèi)彈性乳液。

3.2 彈性乳液的拉伸性能

盡管 4 種彈性乳液的微觀結(jié)構(gòu)是接近的，但是它們的力學(xué)性能能明顯感覺(jué)到有差異。為此首先測(cè)試了 4 種彈性乳液的涂膜在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的拉伸性能，檢測(cè)結(jié)果如表 1 所示。

表1 4 種彈性乳液的拉伸性能（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）

從表 1 可以看出，RY-1 和 RY-4 最軟，斷裂伸長(zhǎng)率＞900 %。RY-2 居中，而 RY-6 最硬，斷裂伸長(zhǎng)率不足400 %。

拉伸性能能夠非常直接反映出 4 種彈性乳液的性能差異。拉伸強(qiáng)度高、斷裂伸長(zhǎng)率低的乳液分子，一般分子量比較大，交聯(lián)程度比較高［6，7］。因此可以推測(cè)出，RY-6 的交聯(lián)程度過(guò)高，不太適合作為彈性建筑涂料的彈性乳液使用。

3.3 彈性建筑涂料的拉伸性能

將彈性乳液按照相同的配方制備成彈性建筑涂料。4 款彈性建筑涂料的涂膜在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的拉伸性能，檢測(cè)結(jié)果如表 2 所示。

表2 4 款彈性建筑涂料的拉伸性能（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）

彈性建筑涂料的拉伸強(qiáng)度大于對(duì)應(yīng)的彈性乳液，彈性建筑涂料的斷裂伸長(zhǎng)率小于對(duì)應(yīng)的彈性乳液。這是因?yàn)閺椥越ㄖ苛系睦鞆?qiáng)度隨填料的增加而增加，斷裂伸長(zhǎng)率隨填料的增加而降低［8］。

與彈性乳液的規(guī)律類(lèi)似，RYTL-1 和 RYTL-4 最軟，RYTL-2 居中，RYTL-6 最硬。通過(guò)比較表 1 和表 2 的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)彈性建筑涂料的拉伸性能與彈性乳液的拉伸性能成正相關(guān)的關(guān)系。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律，彈性建筑涂料的拉伸強(qiáng)度一般不會(huì)高于 4～5 MPa，因此 RYTL-2 和 RYTL-6 的彈性不足，僅為具有彈性的普通建筑涂料。為滿足斷裂伸長(zhǎng)率、特別是低溫?cái)嗔焉扉L(zhǎng)率的要求，如使用該兩種彈性乳液，則應(yīng)適當(dāng)提高彈性建筑涂料中彈性乳液的含量，或者降低顏料體積濃度。

3.4 彈性建筑涂料的微觀性能

在以往的研究中，我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能對(duì)彈性建筑涂料的拉伸性能有非常重要的指導(dǎo)意義。玻璃化溫度較低的彈性建筑涂料的拉伸性能非常優(yōu)越；玻璃化溫度過(guò)高的彈性建筑涂料拉伸性能一般都不合格。但是玻璃化溫度居中的彈性建筑涂料的拉伸性能能否合格，尚未有足夠的數(shù)據(jù)支持某種結(jié)論［9，10］。

本文中使用的 4 種彈性乳液的玻璃化溫度不低也不高，屬于玻璃化溫度居中的情況。為研究該類(lèi)彈性乳液制備的彈性涂料的微觀性能，測(cè)試了這 4 款彈性建筑涂料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析性能，曲線如圖 4 所示，玻璃化溫度和損耗因子的具體值如表 3 所示。

圖4 彈性建筑涂料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析曲線

表3 彈性建筑涂料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析的結(jié)果

從圖 4 和表 3 可以看出，動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析獲得的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比 DSC 分析更加靈敏。使用軟乳液的RYTL-1 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比 RYTL-4 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低了 4 ℃。

RYTL-1 和 RYTL-4 的損耗因子最大值比較高，均＞1。而另外兩種彈性建筑涂料的損耗因子最大只有0.7～0.8 左右。結(jié)合動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析和拉伸性能的結(jié)果，我們知道損耗因子高的彈性乳液或者彈性涂料的拉伸強(qiáng)度更低，斷裂伸長(zhǎng)率更高。

雖然 RY T L-2 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最高，但是 RYTL-2 展示了更寬的損耗因子峰。這可能是因?yàn)?RY-2 的分子量分布與其他的 3 款彈性乳液相比更寬，小分子量的分子的含量更高。RYTL-2 在較低溫度的損耗因子值接近于使用軟乳液的 RYTL-1，而不是接近使用硬乳液的 RYTL-6。因此 RYTL-2 的拉伸性能是介于比較軟的 RYTL-1、RYTL-4 和比較硬的 RYTL-6 之間的。

綜合以上分析，在利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析的結(jié)果對(duì)彈性涂料的拉伸性能進(jìn)行判斷的時(shí)候，首先應(yīng)關(guān)注玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，然后還應(yīng)該關(guān)注損耗因子的峰的形狀；在玻璃化溫度和損耗因子峰的形狀接近的條件下，損耗因子的值也能反映彈性建筑涂料的拉伸性能。

4 結(jié)論

拉伸性能是彈性乳液的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，也是彈性建筑涂料產(chǎn)品的質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)。不同彈性乳液雖然成分和結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但是由于聚合過(guò)程造成的分子量、分子量分布、分子間相互作用力等方面的不同而展現(xiàn)出了巨大的拉伸性能差異，這種差異直接影響了使用該種彈性乳液的彈性建筑涂料的拉伸性能。使用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析手段能夠分析彈性乳液的更深層次結(jié)構(gòu)，并幫助推斷彈性建筑涂料的拉伸性能是否合格。Q