可再分散乳胶粉性能影响因素探讨及应用

可再分散乳胶粉是通过喷雾干燥或其它干燥方式干燥聚合物乳液得到的粉末，能重新分散在水中并形成与原乳液性能相同或相似的聚合物乳液。可再分散乳胶粉的研究始于1934 年德国的I G Farbenindustrie A G 的聚醋酸乙烯类可再分散乳胶粉和二战中日本研制的粉末乳胶。工业化生产始于20 世纪50 年代中后期原西德的Hoechst A G 和Wacker-Chemie Gmbh 公司，这一时期的主要产品是聚醋酸乙烯类型。至20 世纪60 年代，开发的乳胶粉性能得到改善后，可再分散乳胶粉广泛应用于建筑材料领域。目前，可再分散乳胶粉以其贮存稳定性好、贮存期长，不会因冻结或水分挥发而变质，包装简单，运输方便，可以与水泥、石膏等其它原料随意混合等优点广泛应用于混凝土、砂浆改性以及粉末涂料和粉末粘结剂等领域。但是可再分散乳胶粉的可再分散性和耐水性、粘合性等性能之间的矛盾仍然没有得到很好的解决。本文从聚合物乳胶粉的制备过程讨论影响其性能的各种因素，并尝试提出解决聚合物乳胶粉的可再分散性和耐水性等性能之间矛盾的设想。

1 乳液合成对可再分散乳胶粉性能的影响

母体乳液合成过程中，对可再分散性乳胶粉性能影响的主要因素有单体选择、功能性单体引入、乳化剂、引发剂选择及用量以及乳胶粒设计等。

1.1 单体选择

目前制备可再分散乳胶粉常用的单体有醋酸乙烯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丁二烯、苯乙烯、丙烯酸－2－乙基己酯、叔碳酸乙烯酯等。得到的可再分散乳胶粉类型有以下几种：醋酸乙烯－乙烯共聚物（EVA）、苯乙烯－丁二烯橡胶（SBR）、丙烯酸酯聚合物（PAE）、苯乙烯－丙烯酸共聚物（SAE）、醋酸乙烯－叔碳酸乙烯酯共聚物、醋酸乙烯－叔碳酸乙烯酯－丙烯酸三元共聚物。
单体选择重点考察的是聚合物的玻璃化温度Tg。Tg 太高，聚合物在室温下难以成膜，并最终影响到可再分散乳胶粉的性能；另一方面，如果Tg 太低，在喷雾干燥过程中容易凝结成块，严重影响可再分散乳胶粉的可再分散性。张心亚等[3]根据研究得出，需要把母体乳液的Tg 设定在5 ℃以上，对乳液干燥粉化比较有利。因此在单体的选择过程中须通过调节软硬单体的比例来调节乳液的Tg 至合适的值。

1.2 功能性单体引入

功能性单体的引入是影响可再分散乳胶粉性能的又一重要因素。使聚合物乳胶粉加水后能再次分散成乳液并成膜是技术的关键。因此研究人员提出了引入水敏性单体，使聚合物乳胶粒具有亲水性和对碱的敏感性，最终改善可再分散乳胶粉的可再分散性。目前，在母体乳液合成中使用较多的亲水性单体主要是丙烯酸、甲基丙烯酸[4]。这些亲水性单体的引入使得乳胶粉的可再分散性增强，但是也降低了再分散成膜后的耐水性，而且与水泥拌和使用会抑制水泥的水化，影响水泥的正常凝结。开发再分散性和耐水性优异的可再分散乳胶粉成为当前可再分散乳胶粉研究的又一重要思路。笔者所在的科研团队尝试采用可交联的有机单体改性可再分散乳胶粉，提高交联度，从而达到最终改善胶膜耐水性的目的，这些工作都处于尝试阶段，相信经过不断的探索，可再分散乳胶粉的再分散性和耐水性、粘结性之间的矛盾能够得到很好的解决。

1.3 乳化剂和引发剂的选择和用量

乳化剂和引发剂的选择和用量应视具体情况而定。由于乳化剂对聚合和储存过程的稳定性起着重要作用，通常选用乳化效率较高的阴离子乳化剂或阴离子乳化剂和非离子乳化剂复配体系。但是乳化剂的存在会降低涂膜的光泽度、附着力和力学性能，而且亲水基团的存在将会降低涂膜的耐水性。另外，将含乳化剂的乳液应用于水泥砂浆中，会引入气泡，从而影响水泥砂浆的力学性能。因此，在保证乳化和稳定效率的前提下，应尽量减少乳化剂的用量。引发剂对整个聚合过程起着重要的作用，不同的引发剂制得的聚合物具有不同的分子结构及性能。通过对丙烯酸酯类共聚物乳液体系研究发现，丙烯酸酯类聚合物乳液体系采用水性的过硫酸盐为引发剂，用量为单体总量的0.2%～0.8%可以取得较好的效果，当引发剂用量为0.2%～0.4%时，制备的丙烯酸酯类共聚物乳液呈蓝相、乳液粒子粒径小、分布均匀，并且稳定性好。

1.4 乳胶粒设计

乳胶粒的设计，目前报道比较多的是采用种子乳液聚合制备具有软核硬壳的乳胶粒，这主要是因为软核硬壳的乳胶粒子结构使乳液可以在较高的干燥气流温度下喷雾干燥，制得的可再分散乳胶粉具有良好的可再分散性和耐水性能。刘庆等[5]采用Tg 较低的BA （－5 ℃）和Tg 高的MMA（106 ℃），通过种子乳液聚合得到含有软核硬壳乳胶粒的乳液，最终得到的可再分散乳胶粉具有良好的可再分散性和耐水性。马晶晶等[6]通过试验确定了核壳单体比例为2∶1 时制得的可再分散乳胶粉性能优异。另外，通过乳胶粒设计，干燥过程在高速剪切力的作用下，接枝的功能性单体不易从乳胶粒表面脱除，提高功能性单体的利用率。
 

2 干燥过程的影响

干燥过程是一个非常关键的步骤，它决定着可再分散乳胶粉质量的好坏。目前探讨较多的工艺参数有干燥的进出口温度、喷雾干燥雾化器的转速、进料量以及保护胶体、无机粉种类和用量。

2.1 进出口温度

喷雾干燥法是制备可再分散乳胶粉最常用的方法，进出口温度是喷雾干燥工艺中的最主要影响参数，在其它条件相同的情况下，出口温度随着进口温度的升高而升高。当进口温度过高时，乳液容易在喷嘴处迅速失水而聚集，导致乳液进料不畅；当进口温度过低时，干燥塔出口温度也会降低，从而导致产品含水率过大，一般要得到含水率小于5％的产品，出口温度必须控制在45 ℃以上。实际操作过程中，必须综合考虑产品含水率的要求和乳液的Tg 等相关因素来确定进出口温度。谢德龙等[7]探讨了干燥进出口温度对EVA 可再分散乳胶粉的影响。得到了如下结论：随着干燥进出口温度的升高，可再分散乳胶粉含水率下降，堆积密度下降，储存稳定性提高，再生膜吸水率升高，可再分散乳胶粉滤渣量、休止角下降；但温度过高时，滤渣量和休止角反而上升；FTIR 测试显示，进口温度180 ℃时，干燥前后聚合物分子结构没有发生明显变化，而进口温度为220 ℃时，干燥前后聚合物分子结构发生了明显的变化，适合的进口温度为150～180 ℃，出口温度为72～78℃。在文献中介绍，干燥进口温度为100～140 ℃，出口温度为40～100 ℃。刘庆等的研究也表明，干燥进口温度不能超过190 ℃，出口温度可以根据进料速度调节。陈立斌等也考虑

了进出口温度对干燥效率、含水率和粘结强度等性能的影响，发现进口温度为120 ℃，出口温度为60 ℃时，产品的上述性能较好。因此，喷雾干燥法制备乳胶粉的进口温度一般应该设定在100～200 ℃，出口温度可以根据进料量调节。具体的温度还需根据乳液性质及可再分散聚合物乳胶粉的要求确定。

2.2 雾化器转速

喷雾干燥转速直接决定可再分散乳胶粉的粒径和流动性。雾化器的转速太低，粉体会黏壁或轻微黏壁，主要是因为当雾化器转盘的圆周速度较小时，得到的雾滴很不均匀，由一群粗雾滴和靠近盘处的细雾滴组成，而粗雾滴还没来得及进入干燥降速阶段就已经接触了器壁，即粗雾滴还没有完全形成固体外壳而黏附在塔壁上。没有黏壁的粉末流动性不好，粒径分布偏大。随着雾化器转速的增加，黏壁情况改善，乳胶粉流动性提高。但雾化器转速太快，进料量无法满足要求，造成出口温度不稳定，同时雾化器长期高速运转，易造成磨损并浪费能源。文献指出，雾化器的转速最好控制在18 000～27 000 r/min，得到的乳胶粉的流动性好，粒径分布比较窄。
2.3 进料速度

进料速度对最终产品性能的影响与进出口温度和雾化器转速等其它因素密切相关。进口温度和雾化器转速一定，进料速度太慢，出口温度过高，会导致乳胶粉发黏、结块，甚至黏在出料管壁上，造成堵塞；进料速度太快，出口温度降低，导致产品含水率提高，有可能发生黏壁现象，最终产品的粒径分布将会变宽。因此，要调节好进料速度，试验中一般调节进料速度为出口温度符合要求并稳定，使在出口温度下制得的乳胶粉满足使用要求。

2.4 保护胶体

目前普遍认同的可再分散机理认为用水溶性保护胶体包覆乳胶粒，在干燥过程中包覆层可以防止乳胶粒之间发生不可逆的聚结，在聚合物乳胶粉再分散过程中保护胶体溶于水，乳胶粒再分散在水中。随着研究的深入，发现并不是所有的乳液在保护胶体的作用下都能干燥成乳胶粉并再分散在水中，因此，该理论还有待完善。但是，目前在聚合物乳胶粉的制备研究过程中，大多还是引入了保护胶体。目前比较常用的保护胶体是聚乙烯醇（PVA）。文献介绍了PVA 作为保护胶体制备可再分散乳胶粉的情况。PVA 本身是亲水性的，会使产品耐水性变差，用乙酰乙酰化PVA 做保护胶体，可以提高产品的耐水性和粘结强度。目前，羧基、氨基、巯基和烷基改性的部分水解的PVA 也可以做保护胶体。除PVA 外，丙烯酰胺（AAM）、淀粉、纤维素也是比较常见的保护胶体。杜涛和裴梅山[15]选择性地利用丙烯酰胺（AAM）、甲基丙烯酸羟乙酯（HPEA）、丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸乙酯（EMA）等单体合成了聚丙烯酰胺、AAM/AA/EMA 共聚物、AA/EMA 共聚物3 类保护胶体，在这3 类保护胶体的作用下，可以制得再分散性良好的可再分散乳胶粉，其中以AAM/AA/EMA 共聚物的效果最好。

2.5 各种添加剂

无机粉料的加入主要是防止聚合物乳胶粉颗粒之间发生粘结和吸水，常用的无机粉料主要有碳酸钙、黏土、二氧化硅、硅酸铝、滑石粉和高岭土。一般无机粉料的添加量为聚合物乳胶粉的0～40％，最好为8％～30%，具体的用量要根据聚合物乳胶粉的种类和性能确定。由于亲水性保护胶体的加入使得乳胶粉再次成膜的耐水性下降，目前从乳胶粒设计方面提高耐水性的研究还较少，在可再分散乳胶粉中添加憎水粉末添加剂是一种比较常见的方法。国民淀粉、瓦克公司都推出了性能优异的憎水性粉末添加剂。
 

3 可再分散乳胶粉的应用及展望

可再分散乳胶粉的种类很多，用途很广泛。传统意义上可再分散乳胶粉主要用于水泥和砂浆等建筑材料的改性。常温成膜的乳胶粉都可以作为水泥、石膏等无机水硬性材料的增塑剂、增韧剂、增稠剂、粘结剂、成膜剂、防水剂，具体应用包括单组分建筑砂浆（外墙腻子、彩色装饰砂浆、保温砂浆等）、墙地砖安装材料（瓷砖粘结剂、填缝剂等）、地坪砂浆（底层、表层的自流平水泥砂浆等）、砌筑砂浆、修补砂浆等、有机改性干粉混凝土等。

随着人们对可再分散乳胶粉认识的深入，可再分散乳胶粉的应用范围越来越广。用可再分散聚合物乳胶粉作涂料成膜物质是目前“环境友好涂料”开发的一个重要思路。常温成膜的聚合物乳胶粉则可以单独作为零挥发性有机物（VOC）含量的干粉乳胶涂料、干粉胶粘剂等材料的成膜物质，加水搅拌后具有与同类乳胶涂料或胶粘剂相似的性能。用作成膜物质的乳胶粉与涂料、粘合剂的其它组分按照一定的比例混合即可得到干粉涂料或粘合剂。干粉状的乳胶涂料和粘合剂相比液状同类产品，能够大大地延长储存期限，降低包装、运输、储存的成本，减少固体废料，减少对空气和水体的污染。目前干粉涂料和干粉粘合剂依然面临着可再分散性和耐水性、粘结性不能兼容的矛盾，但从制备工艺出发，一方面，在聚合物中引入亲水基团，以提高其自分散的性能；另一方面，在聚合物基体上引入交联基团[20]使乳胶粉粒子在水中分散后具有交联活性，通过自交联或与交联剂反应形成高性能的涂膜，将会使这些性能兼容起来。由于乳胶粉涂料体系中乳胶粉和交联剂（或催化剂）处于相对隔离的状态，可以制成一种“双组分单包装涂料”。乳胶粉和交联剂在施工加水后溶胀并发生交联反应，从而提高涂膜的性能。交联型涂料的性能通常优于非交联型涂料，因此，引进交联机制的聚合物乳胶粉成膜系统还可能满足更多高性能涂装的需要。笔者所在科研团队已经开发出了性能优异的干粉涂料。相信随着研究的深入，可再分散乳胶粉技术将会不断成熟，干粉涂料和粘合剂也将会具有广阔的市场。
除了建筑领域，可再分散乳胶粉的研究已经扩展到了许多新领域，例如医用行业和化妆品行业。