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1 前言
丙烯酸酯乳液广泛用于涂料、纺织、造纸和粘合剂等工业, 以其优良的耐大气老化性、耐水性、耐酸碱性和粘结性及低廉的价格受到人们的青睐。但市售的外墙乳胶漆固含量一般为65 %左右, 由于固含量低、水分含量大, 因此干燥后会出现收缩的现象(一般为30 %～35 %) 。如果要提高其固含量就要增加填料量, 但填料量一般不超过乳液量的1.5 倍, 否则就会影响涂膜耐水性和附着力, 容易出现干裂和剥落的现象。为了避免出现这些情况,经过大量实验, 提高了涂料的固含量(达到75 %以上) , 采用直接以丙烯酸酯乳液做分散介质与金红石型钛白粉和超细重钙粉等为颜、填料制成高固含量的外墙丙烯酸乳胶漆, 大大提高了涂料的固含量, 使其中的水分降到最低点, 降低了涂料干燥后的收缩率(20 %左右) , 同时也提高了涂料的遮盖力、耐水性、耐洗刷性和附着力。本文讨论了乳液的粒径大小、分布情况、玻璃化转变温度等对涂膜性能的影响。
2 实验部分
2.1 原料
丙烯酸丁酯( BA ) 、甲基丙烯酸甲酯(MMA) 、甲基丙烯酸丁酯( MBA) 、丙烯酸(AA) , 以上原料均为聚合级; 乳化剂: 平平加O、十二烷基硫酸钠; 引发剂(NH4 ) 2S2O8 ; 保护胶PM; 去离子水; NaF 分析纯; 金红石型钛白粉RCL – 535 (美礼联公司提供) ; 超细重钙(1200目) ; 滑石粉(800 目) ; 超细白(800 目) 。
2.2 丙烯酸酯乳液的合成
首先将一定量的丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸加入到有一定量的乳化剂的水溶液中, 配制成预乳化液待用。另取一定量的水、乳化剂、NaF 及PM 保护胶加入到反应釜中, 加热升温, 当反应釜温度升至75 ℃时加入适量预乳化液及引发剂。待引发反应结束后, 升温至87 ℃, 滴加剩余的预乳化液, 约(2～3) h 滴加完毕, 保温(1～2) h 后降温出料。
2.3 丙烯酸酯乳液性能
乳液性能测试结果见表1 。
2.4 乳液成膜后性能的测试
乳液成膜后性能测试结果见表2 所示。
2.5 涂料配方及工艺
涂料用原料配方见表3 所示。
涂料的配制工艺: 在搪瓷筒内加入丙烯酸酯乳液, 然后加入分散剂、润湿剂、防腐剂、流平剂、消泡剂、抗冻融稳定剂, 常温下搅拌( 20 ～ 30)min , 加入颜填料(慢慢加入) 继续搅拌; 然后研磨, 最后增稠过滤即得成品。
2.6 涂料性能的测试
涂料性能测试结果见表4 所示。
注: 以上指标均按GB/ T9755 – 2001 规定操作测定。
2.7 与以水为分散介质配制成的涂料性能对比
采用相同的原料, 只是按传统的涂料工艺即以水为分散介质加入分散剂、润湿剂、消泡剂等涂料助剂, 然后加入颜填料, 再加入乳液, 最后增稠过滤得成品。涂料性能对比见表5 所示。
由表5 的数据可以看出, 直接以丙烯酸酯乳液做分散介质配制的涂料在遮盖力、耐洗刷性、耐水性、附着力等方面均比以传统的涂料工艺配制的涂料要好。其原因是由于直接以丙烯酸酯乳液做分散介质配制的涂料, 其乳液微粒直接进入填料粒子内部的数量要大于传统的涂料工艺配制的涂料, 而以传统的涂料工艺配制的涂料因水分子首先进入填料粒子内部并达到饱和状态, 因此再加入乳液, 其微粒只有少部分进入填料粒子内部, 其余乳液微粒只起到包裹填料粒子的作用。
3 结果与讨论
3.1 乳化剂的选择
由于实验采用乳液做分散介质, 因此就要求乳液有良好的机械稳定性、化学稳定性及电解质稳定性。所以选择的乳化剂为稳定性好的阴离子乳化剂(十二烷基硫酸钠) 与非离子乳化剂(平平加O)复合作为乳液乳化剂。
3.2 乳化剂的用量
在乳液聚合过程中, 乳化剂的用量对乳液粒径及数目、乳液的粘度、聚合物分子量、聚合反应速率及乳液稳定性和成膜后的耐水性均有影响。综合考虑, 实验中乳化剂用量为单体用量的2 %效果最佳。
3.3 丙烯酸的用量
丙烯酸在乳液聚合中是不可缺少的功能性单体, 它可增加聚合物乳液的稳定性, 减小乳液粒径, 提高乳液的分散性, 增加涂膜附着力, 但丙烯酸中含有亲水基— COOH , 所以, 含量越高, 涂膜的耐水性越差, 实验中选用丙烯酸含量为单体含量的6 %为宜。
3.4 玻璃化转变温度
从DSC 差示扫描量热仪测定的结果可以看出玻璃化转变温度为2215 ℃, 此时成膜坚硬而且有韧性, 耐沾污性及成膜温度均为最佳。
3.5 红外光谱分析
从红外光谱图可以看出3445cm- 1为羟基伸缩振动; 2960cm- 1 为甲基和亚甲基伸缩振动;1732cm- 1为羰基伸缩振动; 1448cm- 1为亚甲基和甲基的变形振动。这些特征峰的存在说明了丙烯酸酯单体完全共聚。
3.6 粒径分布情况
用Malvern 公司的ZETASIZER 电子扫描粒径分析仪测试可以看出, 乳液粒径大部分在(200～400) nm 之间, 平均300nm 左右, 且分布均匀,说明该聚合过程是平稳的。
3.7 NaF 含量的确定
向乳液聚合体系加入适量的NaF 可以提高聚合反应速率, 增大聚合物乳液的稳定性, 改善聚合物乳液的流动性, 因为乳液中丙烯酸的含量很高,反应后期体系的粘度会增大, 严重时会导致凝聚失去流动性, 影响聚合反应。因此加入适量的NaF来改善聚合物乳液的流动性。但NaF 加入量过大会使聚合物乳液失去稳定性导致破乳。综合考虑,实验中NaF 加入量为乳液量的0.1 %。
4 结语
采用直接以丙烯酸酯乳液做分散介质与金红石型钛白粉和超细重钙粉等做颜、填料配制成的外墙乳胶漆, 大大提高了涂料的固含量, 降低了涂料干燥后的收缩率, 同时也提高了涂料的遮盖力、耐水性、耐洗刷性和附着力, 而且在生产过程中降低了增稠剂的使用量。另外, 由于提高了涂料的遮盖力, 因此在施工时, 应一底二面完成的工作, 现一底一面就可以完成, 而且不影响施工质量, 降低了施工成本。
