一种厚质弹性防水涂料的制备及性能研究

王婷婷

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

0 前言

传统的建筑物外墙多采用混凝土墙体和砌体墙体，墙体防水采用防水砂浆，或水泥砂浆抹面，再在表面涂刷外墙涂料。 在自然界各种环境条件（如气候影响、太阳辐射和紫外线照射引起的化学作用以及水和湿气的影响）长期作用下，其表面往往会出现裂缝。由于普通的外墙防水多为刚性防水材料（防水砂浆）或外墙涂料，而外墙涂料的涂层很薄，并且几乎不具有弹性，因此均不能有效解决墙体产生的裂纹，从而造成外墙渗漏。 结合外墙涂料所依附的基层易于产生裂缝，以及外墙防水涂料需具有较高耐久性的要求，研究一种既具备优异的低温性能，又具有抗拉强度高、延伸率高的特点，同时还具有一定厚度的厚质弹性防水涂料，可以有效解决外墙防水涂层开裂的缺陷。该弹性涂料以高弹性丙烯酸酯共聚物乳液为成膜物质，加入颜料、填料、助剂等，再配以色浆制备出各种色彩的涂料，从而实现了外墙修补、防水、装饰一体化的要求。

1 试验用原材料

1.1 乳液的选择

乳液作为防水涂料的主要成膜物质，是影响涂料性能好坏的首要因素， 它关系到涂膜的耐水性、硬度、柔韧性及对基层的黏结强度等性能，因此聚合物乳液作为基料在防水涂料中起着十分重要的作用。

厚质防水涂料的一项重要功能就是在春夏秋冬都能很好地遮盖裂缝，也就是说，一年四季厚质涂料的使用温度都在乳液聚合物的橡胶态平台上，乳液聚合物的玻璃化温度Tg 必须是很低的。 如某地冬天最低气温为－15 ℃，则聚合物乳液的玻璃化温度就必须在－15 ℃以下才能满足要求，否则就失去了遮盖裂缝的功能。而冬天恰好是基面收缩最严重的季节，涂膜在冬季最易开裂，所以厚质防水涂料必须使用玻璃化温度Tg 很低的弹性乳液。

鉴于以上要求， 用于防水涂料的聚合物乳液需具备两个特点：第一，玻璃化温度Tg＜0 ℃，有利于较低温度施工时涂膜的聚结并保持较好的延伸率；第二，低黏度，有利于多加填充料，提高涂膜的拉伸强度。

市场上常用于弹性防水涂料的各种聚合物乳液中，主要有VAE 乳液（醋酸乙烯-乙烯共聚乳液）和丙烯酸酯共聚乳液两种。 VAE 乳液存在着弹性较差、抗碱性一般和不耐老化等缺点，通常只能用于建筑内部的防水材料[1]。 丙烯酸酯共聚乳液通常为纯丙弹性防水乳液和苯丙共聚乳液等，是丙烯酸（或甲基丙烯酸）及其酯类共聚物的总称。它是由丙烯酸酯单体中的双键经聚合反应，生成丙烯酸酯树脂，它的主链为碳-碳链，有很强的光、热和化学稳定性。 以丙烯酸酯乳液制得的防水涂料具有耐酸性、 耐碱性和不透水性好，低温柔韧性佳，耐候耐久性能优异，无环境污染，与水泥制品附着力好，施工方便等诸多优点， 已较广泛地用于许多重要的工业与民用高层建筑的屋面防水，使用年限可达15 年以上[2-3]。 丙烯酸酯乳液的性能比VAE 乳液的性能好得多，特别是在新的水泥基面或石灰墙面上使用时，则更能体现其优点。 这是因为丙烯酸酯乳液的涂膜遇碱皂化所生成的钙盐不溶于水， 而醋酸乙烯-乙烯共聚乳液耐水性能较差。 纯丙乳液和苯丙乳液也是我国目前用于配制防水涂料最常用的乳液， 它们具有耐候性好、耐水性优良及低温柔韧性佳等特点，一般实际使用中选择玻璃化温度（T g 值）在－8 ℃～－30 ℃之间的聚合物乳液。

试验选用A、B 两种型号的丙烯酸酯乳液，其主要性能见表1。

以上两种丙烯酸酯乳液，均为乳白色液体，涂膜吸水率反映了其耐水性的优劣。 乳液涂膜的吸水率越低，制成的产品耐水性越强，因此，用B 乳液制得的涂料涂膜耐水性较好。

表1 丙烯酸酯乳液性能

1.2 填料的选择

填料又称为体质颜料，主要起填充作用。 能有效改善涂料的贮存稳定性和漆膜的相关性能，如提高涂膜的耐久性、耐热性和表面硬度，降低涂膜的收缩等。 常用的填料有碳酸钙、滑石粉、煅烧高岭土、沉淀硫酸钡、硅酸铝等。 填料的选择主要考虑材料的耐久性、吸油量及成本，目前市场上常用的多是碳酸钙。 碳酸钙根据生产方法不同又分为重质碳酸钙（简称重钙）和轻质碳酸钙（简称轻钙）。 重钙是将天然的碳酸钙矿石即方解石或大理石经选矿、粉碎、分级包装而成，生产方法简单、成本低、能耗小；轻钙是用化学方法制成的，即将石灰石煅烧生成生石灰(主要成份为氧化钙)，生石灰加水消化生成石灰乳(主要成份为氢氧化钙)，再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀， 最后碳酸钙沉淀再经过脱水、干燥、筛分便制得轻质碳酸钙。 由于重钙和轻钙的生产方式的不同，导致对乳液的影响各异。

轻钙中存在着游离的氧化钙，该成分的存在会影响到乳液的稳定性。 轻质碳酸钙的沉降体积在2.5 mL/g 以上，颗粒微细、表面较粗糙，比表面积大（5 m2/g 左右），因此吸油值较高，为[（60～90） mL/100 g] 左右；重质碳酸钙沉降体积[(1.1～1.9) mL/g]较小，吸油量[(6～15) mL/100 g] 低，所以更适合用重钙作填料。 最好的重质碳酸钙是以天然的方解石为原料的产品，粒度在(1.5～12) μm 之间，相对密度2.71，pH 值为9。

天然石粉（碳酸钙）经过大自然的风化，其耐老化性能较人工合成的粉料有明显的优势。 碳酸钙性能稳定，吸油量比较低，对乳液需要量低，既降低涂料成本，又起骨架作用增加涂膜厚度，提高机械强度及耐磨性。据林宣益[4]介绍，在防锈漆系统中加入重钙，它可水解生成氢氧化钙，从而增加对底材的附着力；碳酸钙还能吸收酸性介质，有利于漆膜的防锈。 由于来源广泛，重钙的成本相对较低，综合考虑选用性价比高的重质碳酸钙作填料。

1.3 消泡剂的选择

在涂料的生产和施工过程中，将不可避免地带入空气， 细粒般的空气分散到涂料中形成了气泡，同时涂料中乳液的乳化剂、润湿分散剂以及增稠剂等表面活性物质的存在又增强了气泡的稳定性。 涂料中气泡的存在，既阻碍了颜填料的分散，又会使涂膜留下气孔，造成表面缺陷，严重时会影响涂料的防水性和耐候性， 降低涂膜的拉伸强度和延伸率。 所以在涂料生产阶段，消泡剂必不可少，要选用合适的消泡剂，有效地消除涂料中的气泡。

消泡剂一般可分为抑泡型消泡剂和破泡型消泡剂。 抑泡型消泡剂的作用是抑制体系泡沫的产生， 其作用机理是抑泡分子进入分散体系的表层，并将气-液界面的活性物质部分取代， 这样形成的混合表面助剂层可防止液体分子的聚集并使液层呈现低弹性从而消除气泡生成的可能。 因此作为抑泡型消泡剂应具有低表面张力、扩张性、不溶性的特点。 破泡性消泡剂的原理是能够快速润湿气泡的表面膜，并且沿膜表面扩散使得气泡液膜变薄并最终破裂[4]。 与一般装饰性涂料不同的是，弹性防水涂料因固含量高、体系的黏度大、泡沫的稳定性强，用一般消泡剂和常规用量很难消除体系内的气泡，需要选择具有特殊结构的高效消泡剂并加大用量才能奏效，有机硅类消泡剂可以实现上述目的。 选用抑泡和消泡复合型的消泡剂，用含有有机硅、二氧化硅的消泡剂能够起到很好的抑泡、消泡作用。

2 配方的优化

按照多功能防水涂料的要求，既要达到相关标准指标，又要环保低成本。 选用A 乳液和B 乳液分别按照基本配方制成涂料，性能比较见表2。

表2 不同乳液制成的厚质弹性防水涂料的性能比较

由表2 可知，涂料在50 ℃条件下储存30 d，未出现絮凝、分离等不良现象，说明丙烯酸乳液对所选用助剂的相容性是合格的；体系中有大量重质碳酸钙做填充料，证明此乳液对钙离子的稳定性合格。

乳液是防水涂料的主要成膜物质，起着十分重要的作用。 粉聚比是涂料中所用粉料量与聚合物乳液用量的比值，它不仅影响着涂膜的各种性能，而且关系到涂料的经济性。 在一定范围内，随着粉料的增加，对强度影响不大，但延伸率随之降低。

根据所选用的原材料的密度、吸油量和乳液的固含量等计算出配方体系的CPVC（临界颜料体积浓度）为72.4%。 此时的粉聚比为1.29∶1，如粉聚比超过该值，则乳液就不能完全包覆住颜填料，成膜后涂膜的缺陷较多。 由图1、2 可知在粉聚比大于1.2 以上，拉伸强度和延伸率急剧下降。 图1 和图2显示粉聚比对涂膜拉伸强度和延伸率的关系。

由图1 和图2 可以看出， 随着粉聚比的提高，涂膜的拉伸强度在粉聚比为1∶1 时，强度达到最大；延伸率则随着粉聚比的增加，呈下降趋势。 因此粉聚比确定为1.1∶1～1.2∶1 之间为宜，该值最接近最大填充量，能有效降低产品成本，但是涂膜的拉伸强度和延伸率较理想。 经试验探索进一步确定粉聚比的比例为1.0∶1～1.2∶1 为宜。

图1 拉伸强度与粉聚比的关系

图2 延伸率与粉聚比的关系

表3 系采用A 乳液，按粉聚比例1∶1、1.2∶1、1.5∶1 等配比制成三组样品， 测定其主要性能： 拉伸强度、断裂延伸率和低温柔性。 结果显示随着粉料的增加，对强度影响不大，但延伸率随之降低，低温柔性前两组达到-20 ℃无裂纹。 粉聚比为1∶1 时强度达到1.28 MPa，延伸率只有214%；1.5∶1 时，强度为1.02 MPa，延伸率仅为131%。 因此该乳液在最佳粉聚比时达不到相关标准该指标的要求，不适宜用于防水涂料。

表3 粉聚比对涂膜性能的影响

丙烯酸酯B 乳液具有优异的低温性能和延伸性，优良的防水、耐碱及耐候性，最低成膜温度0 ℃，玻璃化温度为-8 ℃。 粉料作为填料充满于乳液之中，限制了高分子链间的自由延伸，所以防水涂料的延伸率随粉聚比的增加而减小。 拉伸强度和断裂延伸率在粉聚比为1∶1～1.2∶1 达到最大，随粉聚比的继续增加，拉伸强度和断裂延伸率呈直线下降。

按照粉聚比1.1∶1 和1.2∶1 两个配比制得两组样品，50 ℃做热稳定性试验放置30 d 后取出，冷至室温。 结果如下：

1）1.1∶1 厚质防水涂料， 表面有少许析出物，较容易搅拌，无不良现象发生。

2）1.2∶1 厚质防水涂料， 表面几乎没有析出物，搅拌较费力（因填充量较高），但能搅拌均匀，无絮凝、凝胶、沉降现象发生。

3 配方的制定和性能测试

3.1 基本配方

表4 厚质弹性防水涂料基本配方

3.2 制备工艺

1）先将消泡剂的一半加进计量好的乳液中，低速搅拌均匀。

2）将计量好的颜填料，每次少量分多次加入乳液中。 刚开始加料时搅拌器可提升至接近上液面，以便将加进的粉料快速分散进入乳液。 随着粉料的不断加入涂料黏度增大，可提高搅拌速度并下降搅拌器至适当位置。

3）基本看不到粉料时，将内壁上附着的干粉刮进液料中。

4）加入另一部分消泡剂，提高搅拌速度至1 000 r/min 搅拌30 min， 利用物料的黏稠度形成的剪切力进一步将粉料润湿分散。

5）加入其它助剂，低速搅拌10 min，使体系中的泡沫消除。

3.3 性能测试

厚质弹性防水涂料的性能要求应符合JC/T 864—2008《聚合物乳液建筑防水涂料》中Ⅰ型的指标要求，检测结果见表5。

表5 厚质弹性防水涂料检测结果

防水涂料Ⅰ型产品适用于非长期浸水环境下的建筑防水工程。

4 厚质丙烯酸弹性防水涂料的产品特点

用丙烯酸酯B 乳液配制成的防水涂料，整体成膜性好，与基层黏结力强，涂膜固化后形成一层连续均匀完整的橡胶状弹性体，因而做成的防水层无接缝，对异型部位的施工更为适宜，提高了工程的整体防水抗渗能力；涂膜良好的延伸率及较好的拉伸强度，对基层开裂或伸缩的适应性强；以水为分散介质的单组分涂料，无毒无味，可冷施工、常温固化、易于涂布、施工速度快、施工机具易于清洗，因而更安全，不污染环境，绿色环保，在潮湿表面上可以施工；具有较好的耐候性、耐水性、耐碱性和保色性； 对损坏部分局部修补仍可达到原有的防水效果，省时、省力、费用低，维修容易；价格适中，且可以通过着色调配成各种色彩[5]。

在选取原材料时，尽量选取无毒或低毒的材料，尽可能少的使用助剂。 防水涂料中只有乳液、无机颜填料及少量的消泡剂、防霉剂和触变剂，没有添加增稠剂、成膜助剂及其它可能会增加涂料VOC含量的助剂，以最大限度地减少有机挥发物的使用，从而使该水性涂料趋向零VOC。

对于没有高光泽要求的场所，单独将该防水涂料直接用于有防水、防锈要求的部位，可取代溶剂型油漆。 该防水涂料的自身颜色为白色，可以通过添加不同的颜料来制成各种颜色，以适应美化环境和满足不同建筑面的需要。 在该厚质防水涂料中加入氧化铁红颜料浆， 制成铁锈红色的防水涂料，涂刷于铁栅栏等金属制品上，一年后还完好如初，能取代传统的溶剂型防锈漆使用，既没有挥发性有机化合物，又经济实用，性价比较高。