高耐水性墙纸基膜合成及应用研究

魏任重，洪 炜，唐焕栋

1.百色学院 化学与环境工程学院，广西 百色 533000；2.嘉力丰科技股份有限公司，浙江 桐乡 314500

1 前言

近些年来，房屋室内装修造成空气污染，影响人们的身体健康等问题引起了人们的广泛关注［1］。作为墙面装饰的一种，墙纸装饰越来越被广大客户所选择。墙面采用墙纸装饰，不仅环保健康，而且能给室内带来更丰富的色彩主题，更显高贵精致。室内墙体通常会批刮腻子，如果墙体腻子层施工不当，存在松软、掉粉、泛碱、渗水等多种缺陷，会直接影响壁纸的美观，甚至造成施工事故。因此，在墙纸施工前，有必要采用墙纸基膜对墙体基面进行预处理。墙纸基膜是一种以苯丙乳液为主要原材料的施工辅材，起到防潮、防霉、抗碱、紧固墙体，防止墙纸翘边的作用。在实际墙面施工过程中，各种因素包括环境、气候、施工习惯、墙体状况等均会影响到墙纸基膜的使用效果。为了达到墙体基层的处理效果，墙纸基膜需要综合多个方面的性能，例如耐水性，渗透性，成膜性，抗冻性等。但这些性能又是相互制约的，如耐水性和抗冻性成反比，渗透性和成膜性成反比等［2］。

墙纸基膜的主要原材料是苯丙乳液，再辅以相关助剂复配。苯丙乳液是采用苯乙烯、丙烯酸丁酯为主要单体，辅以功能单体，以阴/非乳化剂体系，采用乳液聚合方法制备而成［3-4］。本文通过合理设计乳化剂体系，功能单体体系来调整苯丙乳液的抗冻性、耐水性和渗透性等，优化其综合性能后，制备得到高耐水性墙纸基膜。

2 实验部分

2.1 试剂

苯乙烯(ST），丙烯酸正丁酯（BA），丙烯酸（AA），丙烯酰胺（AM），甲基丙烯酸乙二醇酯（EDGMA），甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）均为西陇化工有限公司；过硫酸铵，碳酸氢钠，氢氧化钠均为上海润捷化学试剂有限公司；反应型乳化剂（COPS-1）索尔维化学有限公司；非离子乳化剂脂肪醇聚醚（TO89）扬子石化-巴斯夫有限公司；阴离子乳化剂脂肪酸聚氧乙烯硫酸盐（DNS525），阴离子乳化剂烷基苯磺酸盐（DS23）均为上海忠诚精细化工有限公司，以上试剂均为市售产品，未经处理直接使用。

2.2 合成工艺

（1）预乳化液的制备：将一定质量的混合乳化剂溶解于去离子水后，转入预乳化烧瓶，再加入一定比例的苯乙烯，丙烯酸丁酯，丙烯酸，丙烯酰胺，以及其它功能单体等，进行高速分散30min，备用。

（2）墙纸基膜乳液的合成：将乳化剂和去离子水等按照比例称量，溶解后加入四口烧瓶中，高速搅拌下加入一定质量的苯乙烯和丙烯酸正丁酯等混合单体，搅拌30min，开始水浴升温至85℃，加入一定质量的过硫酸铵和碳酸氢钠混合溶液引发反应，反应持续15min。待乳液出现蓝光后，开始滴加预乳化液，并同时滴加过硫酸铵引发剂溶液，滴加持续3h，滴加完毕后，保温1h，降温至50℃，加入中和剂调节pH 值，过滤，即得墙纸基膜乳液。

（3）墙纸基膜的制备：在墙纸基膜乳液中，加入一定量增稠剂，成膜剂，杀菌剂等助剂，搅拌混合均匀，制备得到墙纸基膜。

2.3 性能测试

（1）出渣量测试：乳液聚合完成后，样品通过150 目滤网，滤渣清洗后称量。

（2）抗冻性测试：将乳液稀释到20%固含量，加入0.2%质量比的抗冻剂，搅拌分散10min，放置于-30℃冷冻冰箱24h，取出置于（23±2）℃环境解冻24h，观察样品外观、粘度变化变化，判断是否一次冻融通过。重复三次冻融循环通过，判断样品合格。

（3）耐水性测试：采用120um线棒制膜器在150mm×70mm的洁净玻璃板上制备乳液湿膜，并在60℃烘箱干燥2h，冷却后，放置于去离子水中浸泡24h 后，取出，擦干表面水渍，目测膜外观，外观等级分为严重泛白，泛白，泛蓝，轻微泛蓝（等级逐渐升高）。

（4）渗透性测试：选择400ml 圆柱形透明塑料杯容器（直径70mm，高110mm），底部均匀分布80 个细孔（直径3mm），并垫上中速定性滤纸，杯子装入360g 重钙粉（400 目），震荡使得粉料填实，最终粉料高度70～72cm，将50g，20%固含量乳液样品倒入容器中，5min后，测量样品浸润深度，平行测量三次，取平均值，作为乳液渗透深度。

3 结果与讨论

本文主要考察功能单体，交联剂和乳化剂对墙纸基膜乳液抗冻性、耐水性、渗透性和聚合稳定性等重要性能指标的影响。

表1 功能单体用量对乳液性能的影响

表2 交联剂的用量对乳液性能的影响

表3 乳化剂的用量和种类对乳液性能的影响

3.1 抗冻性

墙纸基膜是一种重要家装建材，全国市场的需求量都非常大。对于北方地区，冬季气温经常低于-20℃，因此墙纸基膜需要优异的储存抗冻能力。根据表1 所示，在苯丙乳液聚合体系中，丙烯酸和丙烯酰胺两种水溶性功能单体对乳液的抗冻性能具有非常重要的影响。当不加入丙烯酸和丙烯酰胺时，乳液的抗冻循环次数为0；当丙烯酸含量为2.0%，或者丙烯酰胺含量为2.0%时，乳液的抗冻循环次数为1；随着两者含量的进一步增加，乳液的抗冻循环次数达到3，可满足行业标准。但随着丙烯酸（4.0%）和丙烯酰胺（2.0%）含量增大到一定比例，抗冻性增强，聚合出渣量却有所上升。因此丙烯酸和丙烯酰胺的总含量控制在5.0%，乳液具有较好的抗冻性和聚合稳定性。丙烯酸和丙烯酰胺单体分别具有水溶性的羧酸基团和酰胺基团，它们和水分子之间形成强烈的氢键作用，可以减弱水分子之间的相互作用，减缓水冻结的倾向，因此提高了乳液的抗冻性。综合考虑下，实验优选丙烯酸含量3.0%，丙烯酰胺含量2.0%。

3.2 耐水性

防水防潮是墙纸基膜最重要的一项功能，因此乳液的耐水性研究非常重要。本文主要考察了交联单体和乳化剂体系对乳液耐水性的影响。根据表2 所示，交联剂甲基丙烯酸乙二醇酯（EDGMA）对乳液的耐水性提升有限，反而聚合出渣量急剧增加（1.91%），稳定性下降；交联剂甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）含量达到2.0%时，则乳液耐水性保持较好，湿膜外观为轻微泛蓝，并且出渣量只有0.58%。EDGMA 属于内交联型交联剂，能提高乳胶粒的粒子刚性；GMA 属于外交联型交联剂，在乳液干燥成膜过程中，能提高粒子之间的作用力，从而提高膜的致密性和强度。因此单独使用GMA 作为交联剂，更有利于提高乳液耐水性。

乳化剂种类和用量的选择对乳液干膜的耐水性和聚合物稳定性有着重要影响。实验采用阴/非离子乳化剂复合体系，阴离子乳化剂在乳胶粒周围形成双电层使乳液稳定，非离子乳化剂则通过形成水化层在乳胶粒间形成空间位阻。阴/非离子乳化剂复合使用，使两类乳化剂能交替吸附在乳胶粒表面，增加乳液稳定性。表3 表明，当乳化剂总含量过大时，乳液虽然稳定，但是耐水性极差；阴/非离子乳化剂之间的相对比例对耐水性影响也较大，阴离子乳化剂含量高于非离子乳化剂时，乳液耐水性也下降；阴离子乳化剂的种类对耐水性也由影响，采用烷基苯磺酸盐（DS23）效果优于脂肪酸聚氧乙烯硫酸盐（DNS525）；反应型乳化剂（COPS-1）能有效提高乳液聚合稳定性，并且不会降低乳液干膜的耐水性。根据以上分析，墙纸基膜乳液聚合的乳化剂含量可以优先1.0%，阴/非离子乳化剂比例为0.5，可少量复配反应型乳化剂增强乳液稳定性。

表4 墙纸基膜性能应用评价表

3.3 渗透性

墙纸基膜乳液对腻子墙体渗透性能十分重要，渗透性强的乳液对腻子墙体的紧固效果更佳。表3 表明，高乳化剂含量将会提高乳液的渗透性；低出渣量的乳液渗透性也较好。结果表明，高乳化剂含量可以降低乳胶粒的粒径，从而具有更好的渗透性；另外，乳液聚合稳定性对乳液渗透性也有影响。因此，墙纸基膜乳液制备过程中，在保证抗冻性，耐水性和聚合稳定性等前提下，需要考虑减小乳胶粒的粒径，从而提高其渗透性能。

3.4 应用评价

根据以上参数优化，得到抗冻性，耐水性，渗透性以及聚合稳定性综合性能最佳的墙纸基膜乳液，复配相关助剂，可制备出性能优异的墙纸基膜。性能指标见表4。

4 结论

本文针对家装墙纸施工中，腻子墙体松软，掉粉和渗水等问题，成功制备了一种高耐水性，高抗冻性，渗透性好的墙纸基膜，可有效对墙体进行预处理。研究表明，采用一定比例阴/非离子复合乳化剂体系和外交联型交联剂可增强乳液的耐水性能，丙烯酸/丙烯酰胺功能单体能提高乳液的抗冻性。