乳化沥青防水涂料表面结皮速率试验研究

0 引言 近年来,日趋严峻的环保形势推动着水性涂料的 发展。基于优异的防水及粘结性能,沥青被广泛制备 成乳化沥青用作公路养护材料及防水涂料等,沥青防 水涂料可直接冷施工,省时又省力…

0 引言
近年来,日趋严峻的环保形势推动着水性涂料的 发展。基于优异的防水及粘结性能,沥青被广泛制备 成乳化沥青用作公路养护材料及防水涂料等,沥青防 水涂料可直接冷施工,省时又省力,而且对环境影响 小,所以是沥青类涂料产品的发展趋势。然而,乳化沥青防水涂料在生产和使用过程中易出现破乳及表 面结皮等现象,影响施工操作性及储存稳定性。本 研究拟从沥青乳化剂类型、有机类助剂(主要为增稠 剂)等方面探讨影响乳化沥青防水涂料表面结皮速率 的因素。

1 实验部分
1.1 原材料及设备
沥青:重交沥青 90#,中海沥青股份有限公司;乳 化剂 A、 B、 C:沥青专用快裂型、慢裂型、非离子型乳 化剂,市售;热塑性丁苯橡胶:SBS796,中国石油化工 集团公司岳阳石油化工总厂;纤维素类(HPMC)增稠剂:临沂市绿森化工有限公司;碱溶胀型增稠剂:广 州卓能化工贸易有限公司;丙烯酸类高分子共聚物 增稠剂:广州盈瑞化工科技有限公司;聚氨酯缔合型 增稠剂(HEUR):西安保圣工贸有限公司;氢氧化钠 片碱:滨化集团股份有限责任公司;羧基丁苯胶乳: 西安捷德贸易有限公司;硫酸钡:1 250 目,西安信博 化工有限公司;分散剂、消泡剂:广州市宝华贸易有 限公司;防腐剂:广州市中旷化工有限公司。 RS300 乳化沥青试验机:湖北道一交通科技有限 公司;JFS-1100 数显高速分散搅拌砂磨机:杭州齐威 仪器有限公司;MP512 精密 pH 计:上海精密仪器仪 表有限公司。
1.2 乳化沥青的制备
先向釜内加入重交沥青 90#,边搅拌边升温至 185 ℃后,加入 SBS796 改性剂,搅拌至其完全溶解后 降温至 150 ℃;同时在另一釜内,依次加入自来水和 乳化剂(占总质量的 1.6%)后,用质量分数为 40%的 氢氧化钠溶液将体系的 pH 值调至 11.2,搅拌升温至 55 ℃配成皂液。最后将两个釜中的物质一起送入胶 体磨,设定好皂液与沥青的流量比,降温至预先设定 好的温度出料,即得固含量为 55%的乳化沥青。
1.3 乳化沥青防水涂料的制备
准确称量羧基丁苯胶乳、分散剂、消泡剂于分散 搅拌砂磨机中,启动搅拌器,在 500 r/min 下分散 5 min 后向其中缓慢加入计量的硫酸钡,调高搅拌器转 速为 800 r/min,分散 0.5 h 后降低搅速至 650 r/min, 加入制备好的改性乳化沥青,继续分散 40 min 后加 入消泡剂、防腐剂、增稠剂,搅拌 20 min 后出料得到 乳化沥青防水涂料。
1.4 性能检测
1.4.1 表面结皮速率
在标准试验条件下,将 100 g 乳化沥青防水涂料 试样置于相同容积的一次性塑料杯中,敞口放置,准 确记录表面产生(0.5±0.1)mm 厚结皮的时间。
1.4.2 机械搅拌稳定性
在标准试验条件下,称取 150 g 乳化沥青防水涂 料试样于 500 mL 烧杯中,加入 100 g 滑石粉(1 250目),在 800 r/min 的速率下搅拌,记录乳化体系出现 破乳的时间。
1.4.3 储存稳定性(50 ℃,10 d)
准确称取 300 g 乳化沥青防水涂料于铁罐中密 闭,置于 50 ℃烘箱中保存 10 d 后,查看其表面是否 出现分水及沉淀现象。

2 结果与讨论
2.1 沥青乳化剂类型对乳化沥青防水涂料表面结皮速率的影响
为了研究沥青乳化剂类型对乳化沥青防水涂料 表面结皮速率和机械搅拌稳定性的影响,固定沥青乳 化剂的用量,分别以快裂型、慢裂型、快裂型与非离子 型复配、慢裂型与非离子型复配乳化剂来制备乳化沥 青防水涂料,记录了防水涂料的表面结皮时间以及破 乳时间,结果如表 1 所示。
沥青乳化剂类型对表面结皮速率的影响
由表 1 可知,当乳化剂用量不变时,乳化剂类型 对乳化沥青防水涂料表面结皮速率和机械搅拌稳定 性的影响较大。其中,慢裂型乳化沥青的抗表面结皮 性和机械稳定性均比快裂型乳化沥青好;以复合乳化 剂制备的乳化沥青防水涂料的抗结皮性与机械搅拌 稳定性比单一类型乳化剂制备的乳化沥青防水涂料 好;慢裂型乳化剂与非离子型乳化剂以质量比为 2∶1 复配后制备的乳化沥青防水涂料的性能最优,其表面 结皮时间是 140 min,乳化体系在 3 h 内未出现破乳 现象。这是因为乳化沥青防水涂料表面结皮的原因主 要是表层沥青微粒与水相脱离,破坏了 O/W 型乳化 沥青的表面平衡体系,导致沥青微粒不断在表层聚 集,从而发生表面结皮现象。 快裂、慢裂型乳化沥青的分裂速度与分裂时间不 同,分裂时间具体是指从乳化沥青与填料接触开始到沥青沉积并完全吸附在填料表面形成裹覆的薄膜为 止的时间,即沥青微粒与水相脱离所经历的时间。相 比慢裂型乳化沥青,快裂型乳化沥青因沥青微粒表面 包封的乳化剂分子膜不稳定,沥青微粒与水相更易脱 离,从而使得涂料的表面更易结皮,且与填料接触后 其机械搅拌稳定性更差。而采用复合乳化体系时, O/ W 型乳化沥青中沥青微粒与水相界面所形成的界面 膜比采用单一乳化剂时形成的界面膜具有更高的机 械强度,对沥青微粒有着更好的保护作用,且非离子 乳化剂分子不带电荷,体系中引入的非离子部分在 与填料接触后与水有较强的缔合作用,导致沥青微粒 的分裂速度更慢,乳化沥青防水涂料的表面结皮时间 更长、机械稳定性更好。
2.2 乳化剂用量对乳化沥青防水涂料表面结皮速率的影响
为了研究沥青乳化剂用量对乳化沥青防水涂料 表面结皮速率的影响,以快裂型沥青乳化剂为研究对 象,制备了一系列不同乳化剂用量的乳化沥青防水涂 料,分别研究了它们的表面结皮速率,其结果如图 1 所示。
快裂型乳化剂用量对表面结皮速率的影响
由图 1 可知,乳化剂用量对乳化沥青表面结皮速 率有着较大的影响,快裂型乳化剂用量越多,乳化沥 青防水涂料的表面结皮时间越长,越有利于施工操作 及储存。这是因为随着乳化剂用量的增加,沥青微粒 表面会吸附更多的乳化剂分子,使得微粒之间有更大 的静电排斥力,沥青微粒之间难以发生碰撞或迁移而 导致聚集,从而可延缓乳化沥青的分裂时间即沥青微 粒与水相脱离所经历的时间,使得表面结皮速率减 缓。
同一种类型的乳化剂,随着乳化剂用量的增加可 延缓乳化沥青的分裂时间,降低其分裂速度,因此可 根据乳化剂的用量,配制出快裂、中裂、慢裂类型的乳 化沥青。为了获得更好的机械搅拌稳定性及施工操 作性,制备乳化沥青防水涂料时应尽量选择慢裂型沥 青乳化剂。
2.3 增稠剂类型对乳化沥青防水涂料表面结皮速率的影响
为提高乳化沥青防水涂料的贮存稳定性,避免出 现粉体沉淀与表面分水现象,在制备乳化沥青防水涂 料时,均需加入增稠剂。增稠剂可以提高乳化沥青防 水涂料体系的稠度,使其在沥青微粒上形成保护层, 增加沥青微粒布朗运动的阻力,还可降低已分散的沥 青微粒的碰撞强度,减少相互碰撞,减缓表面结皮与 表面分水及沉淀。然而,不同类型的增稠剂因其增稠 机理的差异,会产生不同的增稠效果,使得乳化沥青 防水涂料的表面结皮速率及表面分水情况有较大差 异。 分别以纤维素类、非离子型聚氨酯缔合类和丙烯 酸碱溶胀类增稠剂为增稠助剂制备了乳化沥青防水 涂料,研究了增稠剂类型对乳化沥青防水涂料表面结 皮速率的影响,其结果如表 2 所示。
不同类型增稠剂对表面结皮速率的影响
从表 2 可以看出,纤维素类和非离子型聚氨酯缔 合类增稠剂会使乳化沥青防水涂料产生较明显的分 水现象,且采用非离子型聚氨酯缔合类增稠剂时乳化 沥青防水涂料的表面更易结皮,施工可操作时间较 短;而丙烯酸碱溶胀类增稠剂抗分水效果较好,制得 的乳化沥青防水涂料表面结皮速率较慢。这是因为纤 维素类增稠剂主要是带有羟基的大分子链,既能与水 相发生强烈的水合作用,又能产生分子链间缠绕,从 而可增加水相的黏度,其产生的增稠作用更倾向于水 相增稠,从而使得体系具有更好的保水效果,所以制得的涂料表面结皮速率较慢。但纤维素分子吸附弱, 极易被体系中的润湿剂、乳液中的表面活性剂等所置 换,游离于水相中,因此易产生分水现象;碱溶胀型增 稠剂主要是通过调节 pH 值至碱性,使聚合物链上的 大量羧酸根离解,分子内产生静电斥力和水合作用, 从而使大分子链结构由卷曲逐渐伸展来提高水相的 黏度。碱溶胀型增稠剂的分子结构中同时含有亲水 链和疏水链,可在分子内或分子间产生类似表面活 性剂之类的大的胶束结构,能把水分子颗粒或其他 颗粒相对静止地固定下来,使得体系黏度上升,水分 挥发变慢,所以制得的乳化沥青防水涂料的表面结 皮较慢,抗分水效果较好。 一般的,碱溶胀型增稠剂既有侧重于水相增稠 的,也有侧重于乳液相增稠的;而聚氨酯增稠剂则是 侧重于乳液相增稠,其增稠机理主要得益于其特殊的 “亲油-亲水-亲油”形式的三嵌段聚合物结构,使亲 水基与体系中的水偶合,形成胶束的末端基通过两 个亲油端吸附在不同的胶束粒子上,分子中亲水链段 在粒子间形成桥连,与乳液的聚合物粒子和已吸附有 分散剂的颜料颗粒相互缔合形成网状结构,并且互相 连接缠绕而使体系黏度增大。因其不对水相增稠,无 保水作用,故多余的水分易浮于浓缩的颗粒表面,从 而导致乳化沥青防水涂料的表面易结皮及产生分水 现象。
2.4 增稠剂用量对乳化沥青防水涂料表面结皮速率的影响
以非离子型聚氨酯缔合增稠剂为例研究增稠剂 用量对乳化沥青防水涂料表面结皮速率的影响,结果 如图 2 所示。
非离子型聚氨酯缔合增稠剂用量对表面结皮速率的影响
随着非离子型聚氨酯缔合增稠剂用量 的增加,体系黏度逐渐增大,乳化沥青防水涂料表面 结皮时间缩短。这是因为随着非离子型聚氨酯缔合 增稠剂用量的增加,增稠剂分子在体系中形成的大 量胶束粒子越多,形成胶束的末端基通过两个亲油端 更易吸附在不同的胶束粒子上,与乳液的聚合物粒子 和已吸附有分散剂的颜料颗粒相互缔合形成三维网 状结构,并且互相连接缠绕而使体系黏度大大增加。 因聚氨酯型增稠剂侧重于对乳液相增稠,无保水作用,体系粘度越大,多余的水分浮于浓缩的颗粒表面, 表面形成的 O/W 型乳化沥青平衡体系被破坏得越严 重,水分更易挥发,导致表面越易结皮。

3 结论
制备了乳化沥青防水涂料,研究了乳化剂种类及 用量、增稠剂种类及用量等对乳化沥青防水涂料表面 结皮速率影响,得出如下结论:
1)可根据乳化剂的种类配制出快裂、中裂和慢裂 类型的乳化沥青,快裂型乳化剂比慢裂型乳化剂更易 使乳化沥青防水涂料表面产生结皮,为获得更好的机 械搅拌稳定性及施工操作性,应尽量选择慢裂型乳化 剂;
2)增稠剂的类型对乳化沥青防水涂料表面结皮 速率的影响较大,其中,纤维素类、碱溶胀类增稠剂不 易使沥青防水涂料表面产生结皮,而聚氨酯类增稠剂 则易于使表面产生结皮,且用量越大,结皮速率越快。

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