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                 2018/4/27  

高弹性乳液的制备及其耐沾污性能影响因素的研究

来源:  中国涂料在线www.coatingol.com   发布时间: 2018/4/11 8:45:17   

   前 言
    随着环境温度的交替变化,建筑物的混凝土外墙会不断膨胀和收缩,从而产生破坏性的裂缝。弹性涂料由于具备良好的热胀冷缩的性能,能够有效解决建筑基层表面产生的破坏性裂纹问题而深受市场欢迎。弹性涂料分为:溶剂型弹性涂料、乳液型弹性涂料、无机高分子型弹性涂料等。弹性涂料具备较好的拉伸性能,但在有效保护墙体免受裂缝引起破坏的同时,存在耐沾污性差的问题。这是由于弹性涂膜柔软,尤其是在高温的夏季涂膜表面容易回黏,极易吸附灰尘从而大大降低了弹性涂膜的耐沾污性和装饰性。因此,在保证涂膜较高弹性的同时,提升其耐沾污性能成为了弹性乳液合成及功能型助剂研究突破的重点。本文采用预乳化半连续工艺合成了高弹性的苯丙乳液,并探究了软硬单体的配比、乳化剂类型、丙烯酸用量、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)用量、纳米二氧化硅用量对弹性乳液耐沾污性能和常温力学性能的影响。
 
1 实验部分
1.1 实验设计思路
以苯乙烯(St)和丙烯酸丁酯(BA)为主单体,十二烷基硫酸钠(SDS)和壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)为乳化剂,加入丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、乙烯基三甲氧基硅烷(A-171)、引发剂过硫酸铵(APS)和氨水制备具有高弹性的苯丙乳液。然后在此苯丙乳液基础上,调整St/BA软硬单体的配比;调整乳化剂的类型,用反应型乳化剂3-烯丙氧基-2-羟基-1-丙磺酸钠盐(COPS-1)、磷酸酯类乳化剂(PP40、DF1326)代替SDS;调整AA用量;调整交联单体GMA的用量;以及加入不同用量的纳米二氧化硅,来探究它们对弹性乳液耐沾污性能的影响。
1.2 实验配方(见表1)

1.3 实验原料
单体原料St、BA、AA、GMA、A-171,上海润捷化学试剂;乳化剂SDS、NP-10,上海英鹏化学试剂;COPS-1、PP40、DF1326,广州芯联化工产品;引发剂APS、氨水,江苏强盛功能化工;去离子水,自制。
1.4 实验工艺
称取适量乳化剂SDS、NP-10以及去离子水和单体St、BA、AA、GMA、A-171加入预乳化釜剧烈搅拌30min制备预乳化液备用。
将部分乳化剂和去离子水加入反应釜,升温到85℃,加入部分预乳化液和部分引发剂APS,搅拌反应30 min;开始滴加剩余预乳化液和引发剂,180 min滴加完毕,反应温度控制在85~88 ℃,滴加完后升温至88~90 ℃,保温60 min。
保温完成后,降温至45 ℃以下,加氨水调节pH值至7~9,过滤出料,得到乳液。
1.5 乳液性能测试方法
实验所得乳液,配制成乳液添加量为32%、PVC40%的弹性乳胶漆,进行耐沾污性、断裂伸长率及拉伸强度测试。耐沾污性测试方法按照JG/T 172—2014《弹性建筑涂料》中7.14耐沾污性方法执行检测;断裂伸长率及拉伸强度按照JG/T 172—2014 《弹性建筑涂料》中7.15断裂伸长率、拉伸强度方法执行检测。
 
2 结果与讨论
2.1 软硬单体的配比对弹性乳液耐沾污性能的影响
由图1可以看出随着硬单体St用量的提高,乳液的反射率下降率明显下降即耐沾污性能明显提升,常温断裂伸长率快速下降,常温拉升强度逐渐上升。这说明乳液要有良好弹性同时具备优异的耐沾污性能,需要在合理的软硬单体配比范围内,尽量提高硬单体St的用量。因为丙烯酸聚合物具有热黏冷脆的特性,当St用量提高时,乳液膜的刚性变大,导致涂膜常温断裂伸长率下降,拉伸强度提高;同时涂膜因乳液刚性变大而变得更硬且不发黏,所以空气中的粉尘和其他污染物难以吸附在涂膜上,使其耐沾污性能变好。
2.2 乳化剂的类型对弹性乳液耐沾污性能的影响
由表2可以看出,反应型乳化剂COPS-1和磷酸酯类乳化剂PP40、DF1326对弹性乳液耐沾污性能提升有一定的帮助,两种类型的乳化剂都优于SDS。
传统乳化剂在涂膜的成膜过程中会迁移上浮,导致涂膜表面乳化剂堆积。涂膜表面乳化剂越多,灰尘越容易被吸附堆积,导致耐沾污性能越差。COPS-1属于反应型乳化剂,它独特的结构使它不单单具有表面活性剂的作用,更可以聚合链接到聚合物大分子链上,在涂膜的成膜过程中不会迁移上浮,因此耐沾污性能得到提升。磷酸酯类乳化剂其磷酸酯结构,会与颜填料紧密结合,提供很好的附着力,同时涂膜成膜过程中,磷酸酯类乳化剂也不会迁移,同样会提升耐沾污性能。
2.3 AA的用量对弹性乳液耐沾污性能的影响
由图2看出,随着AA用量的提高,耐沾污性能随之提高,常温拉伸强度随之提高,常温断裂伸长率先升高后下降。

乳液中存在交联单体的情况下,AA用量的提高会使乳液的交联度上升,所以乳液膜更硬,涂膜更致密,耐沾污性能变得更好,常温拉伸强度也更高;AA用量为0时,聚合物大分子链呈线型结构,常温拉伸强度和常温断裂伸长率都较差;AA用量在一定范围,聚合物大分子链间存在着键合作用,大分子所带的—COO—使得分子链间的吸引加强,AA特有的结构也使得大分子支化程度增大[6],此时常温断裂伸长率和常温拉伸强度达到一个较好的平衡,处在较理想状态;而当AA的用量太高时,交联程度过高,涂膜常温断裂伸长率迅速下降,常温拉伸强度迅速升高。
2.4 GMA的用量对弹性乳液耐沾污性能的影响
由图3看出,随着GMA用量的提高,涂膜常温拉伸强度提高,耐沾污性能变好,常温断裂伸长率呈现先上升后下降的趋势。

GMA主要影响聚合物的交联程度。聚合物交联度越高,乳液刚性越强,涂膜越硬越致密,耐沾污性能越好。GMA用量为零时,聚合物大分子间呈线型分布,常温拉伸强度和常温断裂伸长率都较差;提高GMA用量,当聚合物有一定的交联程度后,常温断裂伸长率和常温拉伸强度都上升明显;当GMA用量过多时,聚合物交联程度过高,分子链呈网状结构,涂膜常温断裂伸长率下降迅速,常温拉伸强度迅速上升。
2.5 纳米二氧化硅的用量对弹性乳液耐沾污性能的影响
由图4可以看出,随着纳米二氧化硅用量的增加,涂膜的耐沾污性能变好,但提升并不十分明显,常温断裂伸长率变化不大,常温拉伸强度有较小的提升。因为纳米二氧化硅的加入,有助于形成致密的涂膜结构,使得孔隙率变小,吸入污染程度降低,同时致密的涂膜结构对常温拉伸强度的提升有一定的帮助。
3 结语
设计并合成了一种高弹性的丙烯酸乳液,此乳液常温断裂伸长率达到486.51%,常温拉伸强度达到2.19MPa,耐沾污性能(反射率下降率)测试结果为35.1%,属于一种力学性能优异、耐沾污性能存在缺陷的高弹性苯丙乳液。
在此乳液基础上,探究了软硬单体配比、乳化剂的类型、AA的用量、GMA的用量和纳米二氧化硅的用量对其耐沾污性能的影响。其中软硬单体的配比对耐沾污影响最大,同时对常温断裂伸长率和常温拉伸强度影响大。对于此弹性乳液来说,在力学性能合适的条件下,尽可能提高硬单体的占比可以提高耐沾污性能。
在乳化剂的选择方面,选用反应型乳化剂或者含磷乳化剂对改善耐沾污性能有一定的帮助,但提升较小,而反应型乳化剂和含磷乳化剂的价格相对传统乳化剂较高,因此在选择时应加以考虑。提高AA和GMA的用量有助于耐沾污性能的提升,但会使常温断裂伸长率下降。确定AA和GMA等功能单体的用量前应充分考虑耐沾污性能、常温断裂伸长率和常温拉伸强度三者的平衡。AA对乳液的出釜黏度影响很大,而GMA相对影响较小。添加一定量的纳米二氧化硅能使涂膜更加致密,有助于耐沾污性能的提高,并且它对力学性能影响较小。

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