用于纖維水泥板的丙烯酸乳液的研制

成煬霈，張彩媚，林日平（佛山市順德區巴德富實業有限公司，廣東順德 528322）

0 引言

由于對施工的便捷性與環保性的要求越來越高，傳統的建筑涂料正面臨著極大的沖擊，纖維水泥板正是在此形勢下誕生的新型建筑涂裝材料［1］。傳統建筑涂料的施工流程主要分為基層處理、膩子、拋光、第2道膩子、拋光、底漆、中間層、面漆，工藝流程復雜且繁瑣，而且還需要考慮施工環境及天氣的影響［2］。對纖維水泥板而言，由于在車間制造過程中，通過不同的模具可以在板材的表面壓制出不同的紋理，然后直接在板材表面涂刷一層底面合一的普通涂層或是藝術涂層，就可以滿足不同消費者的需求，做完一道膩子后，可以將做好的纖維水泥板直接黏貼在墻面上，施工時不需要考慮周圍環境及天氣的影響［3］。

目前，第一代纖維水泥板是在板材成型后，在其表面噴涂一層非常薄的聚硅氧烷，從而達到板材的防水效果，但是聚硅氧烷有一個缺點，就是在涂了聚硅氧烷的板材表面，涂料的附著力會非常差。因此在很大程度上限制了消費者的選擇。

本研究通過控制乳液的相對分子質量，結合板材的制造工藝，采用相分離技術制備了用于纖維水泥板的丙烯酸乳液。

1 試驗部分

1.1 原材料

苯乙烯（St），丙烯酸異辛酯（2-EHA），丙烯酸（AA），甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯（AAEM），叔十二硫醇（TDM），過硫酸銨（APS），緩沖劑碳酸氫鈉，叔丁基過氧化氫（TBHP），還原劑維生素C（Vc），陰離子乳化劑十二烷基硫酸鈉，上述原材料均為市售工業品；去離子水，自制。

1.2 儀器設備

攪拌機，上海新浦電器；電子天平，天津德安特傳感技術有限公司；水浴鍋，北京科學電器；自動溫控儀，東莞市莞城金裕儀器經營部；可調蠕動泵，保定蘭格恒流泵有限公司；500 mL四口燒瓶、冷凝管、溫度計、玻璃燒杯，四川蜀玻集團有限責任公司；反射率儀，廣州標格達實驗室儀器有限公司。

1.3 乳液的制備

1.3.1 參考配方

乳液制備的參考配方見表1。

表1 參考配方＊Table 1 The reference formulation

1.3.2 預乳化液的制備

在預乳化缸中稱取配方量的陰離子乳化劑，然后稱取配方量的去離子水，攪拌至陰離子乳化劑完全溶解后，依次將配方量的苯乙烯、丙烯酸異辛酯、丙烯酸倒入預乳化缸中進行分散攪拌，攪拌30 min后，停止攪拌，從預乳化缸中取出50%的預乳化液置于燒杯中，為預乳化液a。將剩余的預乳化液繼續進行攪拌，然后依次加入配方量的叔十二硫醇、甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯，再繼續攪拌30 min，得到預乳化液b。

1.3.3 乳液的制備

將反應釜內溫度控制在87~89 ℃，一次性投入配方量的釜底引發劑，將預乳化液a與滴加引發劑同時滴加入反應釜中，滴加時間90 min，滴加過程中，反應釜內溫度保持在87~89 ℃；滴加結束后保溫30 min；然后同時滴加預乳化液b與剩余的滴加引發劑，同樣保持釜內溫度為87~89 ℃，滴加時間90 min；滴加結束后保溫40 min；隨后降溫至70~75 ℃進行后處理，同時滴加氧化劑與還原劑，滴加時間30 min，滴加過程中溫度保持在70~75 ℃；滴加結束后，保溫30 min；降溫至50 ℃以下，過濾、出料。

1.4 纖維水泥板的制備

1.4.1 傳統纖維水泥板的制備流程

將水泥、石英砂、纖維素纖維、礦物添加劑、水等原料放入攪拌機中進行攪拌（混合物的固體分占總量的30%~40%），低速攪拌均勻后，將上述混合物倒入鋪有100 μm濾布的過濾池中進行一次過濾，然后將上述濾液倒入鋪有100 μm濾布的濾池中進行二次過濾，過濾所得的水可以進行二次循環利用，將第一次過濾所得的固體部分置于成型機中擠壓成型，然后將已成型的板材依次進行切割、堆積、固化、分離、自動加壓等工藝，成型后在板材表面噴涂一層非常薄的聚硅氧烷，最后對板材進行上漆涂覆。

1.4.2 乳液改性纖維水泥板的制備

在上述傳統纖維水泥板的制板流程基礎上，在原材料預混階段將一定量的丙烯酸乳液加入混合物中，同時省去在板材表面噴涂聚硅氧烷的步驟。

1.5 性能檢測

1.5.1 乳液的關鍵性能指標

丙烯酸乳液必須對水泥具有非常好的包裹能力，且乳膠粒必須在水被過濾時，能夠很好地相互分離。所以需要檢測的關鍵性能指標是水泥混合液用100 μm的濾布過濾時，丙烯酸乳液是否會隨水的過濾而流出，濾液是否呈現出澄清透明的狀態。

過濾性指標能夠直觀地反應出制板過程中乳液的利用率。如果濾液為白色液體，則說明乳液中的聚合物不能較好地與水泥、石英砂等原料結合。反之，如果濾液澄清透明，則說明乳液中的聚合物能夠較好地與水泥、石英砂等原材料相結合。

其他相關指標則要求在制板過程中乳液不發生破乳現象即可。

1.5.2 纖維水泥板的關鍵性能指標

根據板材制作商的要求，在上述工藝下，只需對成型后的板材進行吸水率測試，將板材置于水中24 h，吸水率≤2%即可。

2 結果與討論

2.1 甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯對混合物體系過濾性的影響

考察了甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯（AAEM）在乳液中的不同添加量對于混合物體系過濾性的影響，結果見表2。由表2可知，當AAEM的用量在1.6%（占單體總量）時，混合物通過100 μm濾布所過濾出的濾液呈現澄清透明狀態。原因在于，混合物體系中主要是以水泥為主，而AAEM作為一種高效螯合劑，很容易與水泥中的各種離子進行相互螯合反應［4］，當AAEM達到一定用量時，能夠迫使丙烯酸乳液牢牢地包裹住水泥粒子，乳膠粒就不會在過濾時隨水發生遷移。

表2 AAEM用量對混合物體系過濾性的影響Table 2 The effect of AAEM amount on filtration of mixture system

2.2 叔十二硫醇對混合物體系過濾性的影響

考察了叔十二硫醇（TDM）的添加量對體系過濾性的影響，結果見表3。由表3可見，當TDM在丙烯酸乳液中的用量超過0.4%（占單體總量）時，混合物通過100 μm濾布的濾液為澄清透明狀態。最終板材的吸水率則隨著TDM用量的增加而逐漸增大。

原因在于，隨著TDM用量的增加，聚合物的相對分子質量逐漸降低，相對于較大相對分子質量的聚合物而言，較小相對分子質量的聚合物更容易被水泥粒子吸附而在過濾時與水發生相分離現象［5］，因此隨著體系中TDM用量的增加，濾液趨于清澈透明的平衡狀態，但體系中聚合物的相對分子質量過小，會對最終板材的吸水率造成很大的影響。綜上所述，TDM的用量以0.4%為宜。

2.3 釜底乳化劑用量對混合物體系過濾性的影響

通過對釜底乳化劑用量的調節，控制最終乳液的粒徑，考察釜底乳化劑用量對混合物體系過濾性的影響，結果見表4。由表4可知，釜底乳化劑用量與混合物體系的過濾性沒有太大的關系，但是隨著釜底乳化劑用量的增加，乳液對于水泥體系逐漸趨向于不穩定。這是由于隨著釜底乳化劑用量的增加，乳液的粒徑不斷降低，此時乳液的穩定性也逐漸降低，因此在后階段板材成型的過程中，粒徑小的乳液均出現破乳現象［6］。當釜底乳化劑用量為0時，乳液粒徑最大，為300 nm，此時乳液相對于水泥的穩定性最佳。

2.4 聚合物的玻璃化轉變溫度對混合物體系過濾性的影響

在上述討論的基礎上，我們對聚合物的玻璃化轉變溫度（Tg）進行進一步的探究，考察了聚合物的Tg對混合物體系過濾性的影響。不同組成下聚合物的玻璃化轉變溫度見表5。

表5 不同組成下聚合物的玻璃化轉變溫度Table 5 The Tg of polymer under different composition

聚合物Tg對混合物體系過濾性的影響見表6。

表6 聚合物Tg對混合物體系過濾性的影響Table 6 Effect of polymer Tg on filtration of mixture system

由表6可知，當聚合物Tg>5 ℃時，混合物體系的過濾性無明顯差異，濾液均為清澈透明狀。且隨著聚合物Tg的增加，最終板材的24 h吸水率也隨之增加。

這是由于板材為環保化體系，在板材制作過程中，并未添加能夠促使乳液成膜的成膜助劑或其他溶劑，隨著聚合物Tg的增加，乳液的成膜性逐漸變差，因此成品板材的24 h吸水率呈現出上升的趨勢。綜合考慮，聚合物的Tg以5 ℃為宜。

3 結語

（1） 試驗表明，當甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯的用量為1.6%（占單體總量），叔十二硫醇的用量為0.4%（占單體總量）時，水泥混合物體系經過100 μm濾布過濾出的水為清澈透明狀態，且此時最終板材的吸水率也最低。

（2） 乳膠粒的粒徑對混合物體系的穩定性有較大的影響，當釜底不添加陰離子乳化劑時，乳膠粒粒徑最大，為300 nm，此時乳液相對于水泥的穩定性最佳。

（3） 根據乳液的成膜致密性，結合上述所有因素的影響，由試驗測得，當聚合物的玻璃化轉變溫度為5 ℃時，最終板材的24 h吸水率適宜，且達到最初設定的標準。