改性聚丙烯酸酯建筑防水涂料的制備及性能研究

鄒 輝

(安徽文達信息工程學院，安徽 合肥 231201)

建筑防水材料是用于對建筑物一類進行防水處理的材料。產品涂刷后會產生一層防水涂膜，一般可以達到家庭裝修與工業建筑的屋頂、地板、水槽、辦公室等各個部位的防水要求[1]。該類產品是由合成高分子聚合物和水泥或其它復合材料組成，加入適量的助劑、顏填料、溶劑等生產出的反應型、水乳型等類型的含有高分子合成材料的復合涂料產品[2]。依據主要組成成分不同可分成五類：合成高分子類、瀝青類、水泥類、高聚物改性瀝青類和聚合物水泥類等[3]。其中，聚合物水泥防水涂料(JS防水涂料)主要是由聚合物乳液與水泥、無機填料、助劑復合組成的水性材料[4]。JS防水涂料的主要組成物質有：主要成膜物質(聚合物乳液)，決定產品的耐候性、柔韌性、硬度、耐水性、透水性等[5-8]；次要成膜物質(水泥、滑石粉、碳酸鈣和顏料等)決定產品的分散性、耐候性等；輔助成膜物質(成膜助劑、消泡劑、增塑劑、分散和劑防腐劑等[9-12])；決定產品的儲藏性、施工便捷性。然而，現在國內一般生產的JS防水涂料的高聚灰比涂料大多數耐水耐候性指標不達標。假如在不影響涂料的拉伸強度與斷裂伸長率的情況下，盡量使用水泥和其他顏填料，會大幅度增加JS防水涂料的性能，也可以減少JS防水涂料的生產成本。本文從對聚合物乳液的制備工藝和填料的選擇、其他各種助劑的選擇等方面進行研究以提高JS防水涂料性能。

1 實驗部分

1.1 儀器和原料

PHS-3B型恒溫水浴鍋(上海精密科學儀器有限公司)，JJ-1型電動攪拌器(北京永光明醫療儀器廠)，BS 224S型電子天平(北京賽多利斯儀器系統有限公司)。

丙烯酸異辛酯、十二烷基硫酸鈉、丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、過硫酸銨、丙烯酸、碳酸氫鈉、碳酸鈣、氨水、OP-10、平平加O和異戊醇均購于國藥集團化學試劑有限公司，水泥、滑石粉、石英砂、消泡劑均購于當地建材市場。

1.2 研究方法

1.2.1 聚丙烯酸酯乳液制備

將丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯和水，攪拌乳化20 min，得到單體的預乳化液A。在裝有攪拌、回流冷凝管的三口燒瓶內分別加入十二烷基硫酸鈉和平平加O、碳酸氫鈉和去離子水，置于50℃水浴中均勻攪拌溶解得到溶劑B。將乳化液A和溶劑B混勻，升溫至85℃，打開恒壓滴液漏斗逐滴加入過硫酸銨溶液。然后保溫2 h，直至無丙烯酸氣味為止。降溫，用氨水調pH值至7左右密封備用。

1.2.2 聚合物水泥防水涂料的制備

將制好的聚丙烯酸酯乳液加入消泡劑，混合攪拌成液料C；按照一定的配比將水泥和滑石粉等均勻混合成粉料D。將液料C和粉料D與功能單體丙烯酸按不同的聚灰比進行混合，得到聚合物水泥防水涂料(下文統稱為JS涂料)。

1.2.3 性能測試與表征

1.2.3.1 IR光譜表征

將制備的聚丙烯酸酯乳液均勻涂抹在溴化鉀壓片上，采用傅里葉紅外光譜儀對制備的聚丙烯酸酯結構中的基團進行表征，掃描頻率范圍為4 000～600 cm-1，掃描次數為6，分辨率為3。

1.2.3.2 聚丙烯酸酯乳液含量的測定

將制備好的聚丙烯酸酯乳液均勻攪拌后稱取約2 g的樣品，均勻地涂布于培養皿中，在105℃下干燥1 h后取出，放進玻璃干燥器里冷卻到室溫后進行稱重，再將培養皿放進干燥器中，干燥30 min左右，然后放進干燥器中冷卻到室溫后進行稱重，重復以上步驟，到前后兩次稱重偏差不大于0.01 g為止。固含量X按照公式(1)進行計算：

X=[(M2-M)/(M1-M)]×100%,

(1)

其中，M為培養皿質量(g)；M1為干燥前培養皿與樣品的總質量(g)；M2為干燥后培養皿與樣品的總質量(g)。

1.2.3.3 丙烯酸酯乳液的機械穩定性測定

用電動攪拌器高攪拌速率下攪拌2 h，然后觀察產品機械穩定性、均勻性和粘稠性。

1.2.3.4 JS涂料涂膜吸水率的測定

將制備好的JS涂料進行涂膜(厚度0.15 mm)，在室溫下靜置7 d后，剪裁下約2 cm×2 cm的涂膜，洗干凈，在50℃下烘干1 h，冷卻到室溫，然后稱重；將涂膜放進蒸餾水里浸泡7 d，將試樣取出輕輕擦干，再次稱量，涂膜的吸水率V按公式(2)進行計算：

V=[(W2-W1)/W1]×100%,

(2)

其中，W1為涂膜干燥后的質量(g)；W2為吸水后的質量(g)。

1.2.3.5 JS涂料的高溫穩定性測定

采用熱重分析儀測試JS涂料的高溫穩定性，溫度范圍25～800℃，升溫速率10℃/min，氣體流量 50 mL/min。

1.2.3.6 JS涂料的力學性能測定

將涂料倒入聚四氟乙烯標準模板中進行測試樣件制備，待固化后取出，采用萬能試驗機進行斷裂生長率和拉伸強度測試。

1.2.4 數據處理

采用Excel 2010和Origin 2018對測試數據進行統計分析與處理。

2 結果與分析

2.1 聚丙烯酸酯分子IR光譜

通過IR光譜對聚丙烯酸酯乳化液進行光譜信號掃描，結果如圖1所示。從圖1可以看出，在2 935 cm-1(—CH2不對稱伸縮振動)、1 696 cm-1(C=O伸縮振動)和1 163 cm-1(C—O伸縮振動)存在聚丙烯酸酯分子的特征吸收峰，根據以上出峰位置可以斷定成功合成了聚丙烯酸酯。

圖1 聚丙烯酸分子IR光譜圖

2.2 JS涂料的配方優化

2.2.1 乳化劑的選擇

JS涂料是通過聚丙烯酸酯乳液與水泥復配形成。由于水泥中存在大量鈣離子，影響涂料的穩定性。所以需要合適的乳化劑進行乳化，提高涂料的穩定性。本文選擇非離子表面活性劑平平加O和陰離子型乳化劑十二烷基硫酸鈉復配得到復合乳化劑(主要因為非離子型表面活性劑對于電解質等的化學穩定性表現優秀，但是非離子型表面活性劑會使聚合反應速度減緩，并且其乳化能力比較弱，聚合反應中易產生凝塊等。而陰離子型表面活性劑的化學穩定性不是很好，但是反應迅速，復配性能良好)。測試不同配比復合乳化劑的涂料性能，結果見表1。從表1可以看出，當陰離子和非離子表面活性劑質量比例為l∶2時乳液性能比較好。

表1 不同質量比乳化劑對涂料性能的影響

2.2.2 功能單體丙烯酸質量分數

功能單體丙烯酸的加入能夠提升涂料乳液的分散性和附著力。但丙烯酸在乳膠粒形成過程中容易產生水相均聚。當丙烯酸質量分數超過4%時乳液穩定性增加的趨勢就會變慢甚至降低。分別取丙烯酸質量分數為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%做成聚合物乳液，和水泥復配制成JS涂料，測量膜的硬度，結果如表2所示。由表2可以得出，丙烯酸質量分數為1.5%時，JS防水涂料成膜性最好。

表2 丙烯酸質量分數對涂料的影響

2.2.3 聚灰比的選擇

聚灰比主要指涂料里面聚合物乳液中聚合物的干量和水泥的質量之比，本次實驗在固定填料滑石粉質量的情況下，不斷加大水泥的量，在其它數值不改變的基礎上，對不同聚灰比對產品性能的影響進行了實驗，其結果見表3。

表3 不同聚灰比對涂料性能影響

從表3可知，當聚灰比變大時，涂膜的拉伸強度不斷降低，斷裂伸長率不斷增加。主要是因為乳液在體系中含量增大，乳液會變成主要組成物質，水泥變成次要組成物質，從微觀角度上看水泥膠體鏈已經很不完整。當涂料產品的拉伸強度為2.02 MPa時，斷裂伸長率達272%，可以滿足一般工程的應用需求。因此，選擇聚灰比為0.9。

2.3 涂膜性能測試

2.3.1 TG分析結果

通過最佳涂料配方復配成的JS涂料的涂膜(乳化劑的陰離子型與非離子型的質量比為1∶2，丙烯酸質量分數為1.5%和聚灰比為0.9)TG曲線見圖2。當溫度升到100℃時，涂膜出現明顯的質量損失，約為5%，主要是因為涂料中的配位鍵、雙鍵等不穩定鍵斷裂；當溫度達到200℃左右時，涂膜質量損失呈現急劇下滑狀態，主要是因為分子鏈中的—CHn鍵出現斷裂；當溫度達到450℃左右時，涂膜基本分解完全，質量損失達到95%，剩余部分為水泥、化石粉等不易燃物質。

圖2 JS涂料涂膜的TG曲線

2.3.2 耐水性

耐水性一般是涂膜對水作用的抵抗力，即涂膜不吸水的能力。采用最佳配方進行JS涂料配制，涂布成1.5 mm厚的涂膜，測試0、1、3、5、7、14和20 d浸水對于涂膜吸水率的影響，結果見表4。

表4 不同浸水時間對與涂膜吸水率的影響關系

根據表4可得，隨著浸水時間的延長，JS防水涂膜的拉伸強度不斷減小。這主要是由于涂膜浸水時間的不斷增加，導致交聯的柔順性大分子的網狀結構，分子間的作用力降低，尤其是分子間氫鍵遭到了損壞，讓涂膜在浸水以后機械強度下降。實驗表明，所制得的JS防水涂料是具有防水性能的。

2.3.3 不透水性

不透水性一般是衡量防水涂料防水性能的一個重要判定方法，該性能主要指涂膜承受水壓的能力，在特定的壓力下不滲水就是合格。一般要求耐水壓0.1 MPa至0.3 MPa，不滲水時間達到30 min，通過測試發現涂膜均達到了0.3 MPa、30 min不透水的合格結果。

綜上所述，本文以丙烯酸酯乳液與水泥為主要的粉料，滑石粉作為填料，加入一定量助劑。通過對產品進行各種性能測試，最終得到產品的基本性能均符合要求。

4 結論

本文基于丙烯酸酯進行水泥防水涂料制備與優化，得到如下結論：

(1)非離子乳化劑(平平加O)與陰離子乳化劑(十二烷基硫酸鈉)的質量比為2∶1時，涂料產品穩定性較好，與水泥具有良好的配伍性。

(2)功能單體丙烯酸提供了和水泥水化反應的活性點，其質量分數為1.5%時與聚合物乳液交聯效果最佳。

(3)當聚灰比為0.9時，涂料產品的拉伸強度為2.02 MPa時，斷裂伸長率達272%，滿足一般工程使用的要求。