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1 前言
弹性乳液是弹性涂料最重要的原料之一, 弹性乳液的性能在很大程度上决定弹性涂料的性能。研究数据表明, 墙体伸缩裂纹80% 以上的机率发生在寒冷的冬季, 因而低温高弹往往成为外墙弹性乳液的重要标志, 这就要求弹性乳液具有较低的玻璃化温度。而过低的玻璃化温度又会导致内聚能的下降, 影响弹性回复性。经多家公司广泛的研究表明, – 20 ºc 左右是弹性乳液比较恰当的玻璃化温度。众所周知, 弹性伸长率是弹性乳液掩盖墙体裂纹能力的重要标志, 而耐水性、耐碱性以及基材附着性又往往决定弹性涂料的使用寿命。弹性涂料中弹性乳液的含量往往是很高的, 常常达到50% 以上, 这对弹性乳液自身的耐水性、耐碱性提出了更高要求, 普通弹性乳液难以满足要求。本文采用反应型乳化剂、功能单体及核壳聚合技术, 通过研究各因素对乳液性能的影响规律, 有效地解决了这个难题。
2 实验部分
2.1 乳液聚合
2.1.1 配方
纯丙弹性乳液试验配方见表1。
2.1.2 半连续预乳化工艺
在装有冷凝器、搅拌器等的四口瓶中加入部分去离子水、乳化剂及醋酸钠( NaAC) 搅拌升温,溶解成透明澄清液, 升温到( 90士 1)ºc , 加入5%预乳化液, 1min 后加入初始引发剂溶液, 控温( 88~ 90)ºc , 反应15min。滴加预乳化单体与引发剂溶液, 在( 88~ 90)ºc 保温( 3~ 3.5) h, ( 预乳化液3h、引发剂3.5h) 。其滴加完后, 保温1h,消除残余单体, 冷却到50ºc 以下, 加入氨水调整pH7~ 8, 搅拌2min, 加入杀菌剂、消泡剂, 搅拌10min 以上。冷却到40ºc 以下, 过滤, 出料, 包装。
2.2 应用配方与性能指标
2.2.1 应用配方
弹性拉毛涂料配方见表2。
注: 依次加入以上原料到消泡剂SN- 154, 低速分散10min,充分消泡。再加增稠剂调整到合适粘度, 低速分散30min 以上。
2.2.2 性能指标
弹性乳液与其它产品性能的比较见表3。
3 结果与讨论
3.1 反应型乳化剂B 与阴、非离子乳化剂C 比例对乳液性能的影响
阴、非离子乳化剂可为乳液粒子提供双电层与水化层双重保护, 具有效率高、稳定性好等特点,故在乳液聚合中得到广泛应用, 是乳液粒子生成、成长与稳定的重要物质, 然而也是导致乳液粒子成膜不完整的根源。由于阴、非离子乳化剂与成膜物质混溶性不好, 在成膜过程中, 乳化剂会迁移至表面或聚集在胶膜中产生毛细孔, 影响胶膜外观与耐水性能。
反应型乳化剂B 是含有不饱和双键, 且可与反应单体共聚合的磺酸钠盐。采用反应型乳化剂B代替部分阴、非离子乳化剂C, 可以有效地解决上述问题, 由于其良好的共聚性与相容性, 成膜时亲水基团被包围在涂膜里面, 大大减少亲水毛细孔的数量, 提高涂膜的耐水性与封闭性。然而阴、非离子乳化剂C 具有更高的乳化效率与较低的成本,适量加入在降低总乳化剂用量、提高稳定性方面有一定帮助。反应型乳化剂B 与阴、非离子乳化剂C用量比例对乳液性能影响见表4。
从表4 中数据可以看出, 随着反应型乳化剂B比例的提高, 耐水性、耐碱性逐步提高, 但冻融稳定性与机械稳定性有所下降, 在B:C= 4:1 时, 冻融稳定性与机械稳定性不能通过, 这可能是因为阴、非离子具有更高的乳化效率, 阴、非离子乳化剂具有双电层与水化层双重保护, 用量过低时会影响稳定性, 因此B:C= 2:1 的比例恰当。
3.2 功能单体A 与甲基丙烯酸比例对乳液性能的影响
甲基丙烯酸是水溶性功能单体, 适量加入可有效增加胶膜极性, 提高附着力与机械稳定性, 但过量甲基丙烯酸会影响漆膜耐水性能与涂料贮存性能。功能单体A 也是水溶性功能单体, 与甲基丙烯酸相比, 具有更高的附着力促进效率与更好的耐水性及贮存稳定性, 但也存在价格过高之缺陷, 需要严格控制用量, 采用功能单体A 代替部分甲基丙烯酸, 乳液性能变化规律如表5。
从表中可以看出, 功能单体A 的用量越大,各方面性能就越好, 但成本也越高, 因此1:1 的比例恰当。
3.3 引发剂对乳液性能的影响
引发剂在引发反应时, 会产生OH、SO4、SO3类自由基, 与聚合物活性自由基发生链终止时, 会在聚合物上引入这些亲水基团, 从而影响乳液的耐水、耐碱性。同时, 引发剂的种类与用量也会对反应速度与单体转化率产生重要影响, 其数据见表6。
从表中数据可以看出, 以过硫酸铵做引发剂,在实验中, 涂膜具有更好的耐水性, 乳液气味也更小即单体转化率更高。
3.4 粒子结构对乳液性能的影响
乳液属于热塑性树脂, 具有高温回粘之缺陷,尤其弹性乳液, 因玻璃化温度低, 耐沾污性能比较差, 常规乳液聚合很难解决弹性与耐沾污性的矛盾。采用核壳聚合技术, 研究了粒子结构与耐沾污性的关系, 较好地解决了这一矛盾, 具体数据见表7。
从表中可以看出, 软核硬壳之结构耐沾污性与耐水性均较好。
4 结语
采用反应型乳化剂B 与功能单体代替部分阴离子乳化剂C 与甲基丙烯酸( MAA) , 可以有效地提高耐水性能与附着力, 而将乳液粒子设计成软核硬壳结构可以大大改善弹性与耐沾污性之矛盾。根据以上试验, 合成了综合性能较好的FA120 纯丙弹性乳液, 经过中试与工业化试生产, 证明该配方与工艺是稳定可靠的。
