可再分散乳胶粉的研究概况

0 前言

可再分散乳胶粉( SWF) 的研究始于1934 年德国的聚醋酸乙烯酯( PVAc) 类SWF 和二战期间日本的粉末乳胶, 当时由于该产品具有较差的可再分散性、耐水性和耐碱性, 并且最低成膜温度(MFT) 较高, 导致其应用范围很窄。直至20 世纪60 年代成功开发出MFT 为0 ℃、有较好的耐水性和耐碱性的SWF 后, 该产品才得到广泛应用。

随着市场需求的不断扩大以及人们对全球能源资源、环保及建筑节能的日趋重视, 美国国民淀粉、德国瓦克公司等相继推出多种SWF 产品, 并已投放市场。在国内, SWF 的研究尚处于起步阶段, 目前只有山西三维集团股份有限公司、中国台湾大连化学公司等几家企业可进行规模化生产。
 

1 SWF 的种类和基本组成与特性

1.1 SWF 的种类

SWF 可分为均聚物和共聚物( 包括二元共聚物和三元共聚物) 两大类。均聚物如VAc 类; 二元共聚物如VAc/乙烯、VAc/叔碳酸乙烯酯和苯乙烯/丙烯酸等; 三元共聚物如VAc/叔碳酸乙烯酯/丙烯酸、乙烯/氯乙烯/月桂酸乙烯酯和VAc/乙烯/高级脂肪酸乙烯酯等。其中, VAc/乙烯二元共聚胶粉、乙烯/氯乙烯/月桂酸乙烯酯三元共聚胶粉和VAc/乙烯/高级脂肪乙烯酯三元共聚胶粉在整个市场中占主导地位, 尤其是VAc/乙烯共聚胶粉在全球销量中占领先地位, 并且代表了SWF 的特性与功能。

1.2 SWF 的基本组分

SWF 的基本组分包括聚合物树脂、内外添加剂、保护胶体和抗结块剂。各组分的作用为: ①聚合物树脂位于胶粉颗粒的核心部分, 也是胶粉发挥作用的主要成分; ②内添加剂主要起改性作用, 如为了降低MFT而使用的增塑剂( 通常情况下, VAc/乙烯共聚物胶粉不再添加增塑剂) 等; ③外添加剂的作用是扩展胶粉的应用性能, 如在某些助流的胶粉中添加超级减水剂等;④保护胶体的作用是在SWF 颗粒表面包裹一层亲水性的材料, 绝大多数胶粉的保护胶体为聚乙烯醇( PVA) ; ⑤抗结块剂是一种细矿物填料, 其作用是防止储运过程中胶粉结块。

1.3 SWF 的基本特性

SWF 的主要质量控制指标为粒径分布、堆积密度、灰份、pH 值、粘度和MFT; 此外, 为了保证产品品质的稳定, 根据生产过程中所采用的工艺不同, 相应的质量控制指标也各不相同。SWF 通常为白色至浅黄色的、可自由流动的粉末, SWF 在水中再分散后, 其颗粒粒径由干燥状态时的50～120 μm 降低至0.5～5 μm。

2 SWF 的生产过程

SWF 的生产过程可分为两个步骤[4- 5]: ①通过乳液聚合制备聚合物乳液; ②由聚合物乳液与其他组分配合制备混合液, 然后将其进行喷雾干燥及后续处理得到SWF。

2.1 乳液聚合阶段

一般以水为分散介质, 生产过程中常采用半连续种子乳液聚合法。聚合单体主要为烯类不饱和单体; 为了保证产品具有较宽的使用范围, 乳液的MFT 一般应低于15 ℃; 另外, 由于玻璃化转变温度( Tg) 较低的聚合物乳液具有较低的MFT, 故一般优先选择Tg 较低的单体, 聚合物乳液的Tg 可由FOX方程进行估算。聚合过程中, 通常加入乳化剂或大分子保护胶体形成稳定的乳化单体, 在引发剂作用下, 单体发生聚合反应形成聚合物, 为了防止乳液发生凝聚通常需添加表面稳定剂。

2.2 喷雾干燥阶段

将制备好的喷雾混合液充分搅拌均匀, 升温至工艺规定的温度, 利用喷雾干燥器进行喷雾干燥, 干燥器的进口温度一般为160～180 ℃。由于喷雾干燥发生在数秒之内, 此时颗粒分布被“冻结”, 保护胶体

作为间隔粒子起着隔离作用, 从而有效阻止了聚合物颗粒间的不可逆聚集。为了防止SWF 在运输和储存过程中“结块”, 在喷雾干燥过程中或之后还需加入抗结块剂( 高岭土、硅藻土或碳酸钙等) 。
 

3 SWF 用于聚合物改性砂浆的作用机理

大量文献资料表明, 采用SWF 改性后的聚合物砂浆, 其拉伸强度、弹性、柔性和封闭性等均有所提高。
王茹等研究表明, 掺入SWF 后, 水泥初期水化速率减慢, 聚合物膜可以部分或全部包裹水泥颗粒,从而使水泥得到充分水化, 致使其各项性能得以提高。王谦等通过研究后发现, 将SWF 掺入水泥砂浆中具有一定的减水作用, 而且由于聚合物与水泥之间可形成互穿网络结构, 从而增强了骨料之间的粘接强度、堵塞了砂浆内部的孔隙, 因此, 硬化后的聚合物改性砂浆的各项性能比普通砂浆好。Jakob等认为, SWF 的再分散液在干燥后可形成不溶于水的连续膜( 聚合物网络体) , 这种低弹性模量的聚合物网络体可使水泥性能得以改善; 同时, 聚合物分子中的某些极性基团与水泥水化产物发生化学反应, 形成了特殊桥键, 改善了水泥水化产物的物理组织结构, 缓解并减少了裂纹的产生。周竹发等研究表明, SWF 在砂浆中的作用是受水泥水化和乳胶粉成膜这两个过程所控制。水泥水化和乳胶粉成膜的复合体系形成由4 个步骤完成: ①SWF 与水泥砂浆搅拌混合后, 均匀地分散在体系中; ②聚合物颗粒沉积在水泥凝胶/未水化水泥颗粒混合物的部分表面;③聚合物颗粒形成连续紧密的堆积层; ④在水泥水化过程中紧密堆积的聚合物颗粒聚集成连续的薄膜, 将水化产物粘接在一起形成了完整的网络结构。

 

4 SWF 的主要应用领域

SWF 主要用于建筑材料的外添加剂, 与水泥等无机粘接材料一起使用。在改性聚合物砂浆中, 水泥与SWF 的匹配是最理想的, 两者的结合获得了显著的协同效应, 并且具有单独使用任何一种胶凝材料

都无法达到的特性。因此, 聚合物改性砂浆可用于许多特殊的场合, 并在质量控制、施工方法、储运和环境保护等方面有着明显的优势, 由SWF 配制而成的聚合物改性砂浆可用作瓷砖胶、保温砂浆、自流平砂浆、腻子、装饰抹灰及干粉涂料、勾缝剂、修补砂浆和防水密封材料等多种材料。据不完全统计, 2007 年世界范围内的干砂浆产量约为2 000 万t, 其中用量最大的三种产品为: ①瓷砖胶( 其用量几乎占产量的50%) ; ②保温系统的粘接砂浆和抹面砂浆; ③自流平砂浆。

4.1 瓷砖胶

由于瓷砖具有良好的装饰性和功能性( 如耐久、防水和易于清洁) 等特点, 因而其应用范围非常广泛( 包括用作墙面、地板、天花板、壁炉、壁画和游泳池等贴面材料) , 但由于瓷砖容易剥落而成为其应用范围受阻的主要因素之一。

Zurbriggen等通过实验证实, 使用聚合物改性砂浆时, SWF 可在砂浆/瓷砖界面处形成牢固而柔软的薄膜, 从而明显提高了粘接强度; 特别是在粘贴致密玻化瓷砖材料时, 从扫描电子显微镜中发现, 瓷砖表面没有供形成机械咬合作用的孔隙, 因此, SWF 形成的粘接作用是获得良好粘接效果的主要机理。

SWF 与水泥各相之间具有良好平衡的相互作用, 并且提供了符合要求的工作性( 粘接性能、剪切强度) 和较长的开放时间( 对瓷砖的适当润湿能力) ,从而形成了具有微粒尺寸的聚合物/水泥复合结构,

使之具有独特的材料特性———强度和柔性, 因而施工速度显著加快且无需在水中预湿瓷砖。因此,SWF 作为瓷砖粘合剂的改性添加剂而得到广泛应用。
4.2 保温系统

近年来我国外墙外保温技术日趋成熟, 并得到迅速推广, 尤其是EPS( 膨胀聚苯乙烯泡沫塑料) 板薄抹灰外墙外保温( EIFS) 体系已成为外墙外保温工程中最主要的应用体系, 并得到迅速发展。EIFS 体系在欧洲的使用年限已超过30 年, 在建筑保温系统中占80%以上; EIFS 体系在我国也有10 余年的应用历史。其中SWF 是EIFS 体系中建筑胶粘剂( 粘接砂浆和抹面砂浆) 的主要成分。

有关研究表明, 使用憎水型SWF 可以提高防护层与EPS 板之间的粘接性能, 改善体系的机械稳定性, 使体系吸水率显著降低。实验中掺入占干砂浆总质量的0.2%SWF, 即能满足JG 149- 2003 标准中对面层砂浆吸水量的要求。

4.3 自流平砂浆

自流平砂浆是以无机胶凝材料为基料, 加入各种外加剂进行改性而制得的砂浆材料, 具有自动找平、自动愈合裂缝、耐磨性优和抗冲击性能好等特点。早在20 世纪70 年代初, 日本住宅公团就对石膏基、水泥基自流平材料作了基础性的研究, 并制备出以α- 半水石膏为基料的石膏基自流平材料; 德国帕依爱罗公司研发了II 型无水石膏自流平砂浆、奇罗尼公司研制了α- 石膏混合型自流平砂浆。这些材料已用于商业大厦、学校等建筑物地面, 但由于该类材料耐水性差、其中性和酸性材料对钢铁的锈蚀危害较大, 因而其推广应用受到限制。因此, 水泥基自流平砂浆得到全球重视, 日本、欧美等国陆续推出了各种型号的水泥基自流平砂浆, 特别是将SWF作为改性剂加入自流平砂浆中, 可使改性自流平砂浆在技术上取得突破性的进展。我国在这方面的研究起步较晚, 近年来自流平材料的研发应用虽取得了一些成果, 但普遍存在早期强度低、表面粉化和耐磨性较差等问题。

4.4 SWF 的其它应用

随着SWF 研究与应用的不断深入, 出现了许多新的应用领域: 如水性药物薄膜包衣材料、单组分JS 防水涂料和防水密封砂浆等。目前, 仍有许多领域正在尝试使用SWF, 随着改性SWF 的不断推出, SWF 新的应用领域也将不断扩展。
 

5 结语

在科学技术迅速发展、建筑节能技术不断提高和推广的形势下, SWF 在我国的应用领域也将越来越广。有关业内人士指出, 2007 年仅北京建筑节能改造项目中, 使用SWF 已达320 万元人民币, 可见SWF 具有良好的发展前景。但是, 由于国内对SWF的研究尚处于起步阶段, 尤其在耐水性、喷雾干燥工艺和复配试验等方面还需要进一步改进, 只有这样,才能使SWF 的应用与推广顺利进行。