改性聚丙烯酸酯建筑防水涂料的制备及性能研究

邹 辉

(安徽文达信息工程学院，安徽 合肥 231201)

建筑防水材料是用于对建筑物一类进行防水处理的材料。产品涂刷后会产生一层防水涂膜，一般可以达到家庭装修与工业建筑的屋顶、地板、水槽、办公室等各个部位的防水要求[1]。该类产品是由合成高分子聚合物和水泥或其它复合材料组成，加入适量的助剂、颜填料、溶剂等生产出的反应型、水乳型等类型的含有高分子合成材料的复合涂料产品[2]。依据主要组成成分不同可分成五类：合成高分子类、沥青类、水泥类、高聚物改性沥青类和聚合物水泥类等[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与水泥、无机填料、助剂复合组成的水性材料[4]。JS防水涂料的主要组成物质有：主要成膜物质(聚合物乳液)，决定产品的耐候性、柔韧性、硬度、耐水性、透水性等[5-8]；次要成膜物质(水泥、滑石粉、碳酸钙和颜料等)决定产品的分散性、耐候性等；辅助成膜物质(成膜助剂、消泡剂、增塑剂、分散和剂防腐剂等[9-12])；决定产品的储藏性、施工便捷性。然而，现在国内一般生产的JS防水涂料的高聚灰比涂料大多数耐水耐候性指标不达标。假如在不影响涂料的拉伸强度与断裂伸长率的情况下，尽量使用水泥和其他颜填料，会大幅度增加JS防水涂料的性能，也可以减少JS防水涂料的生产成本。本文从对聚合物乳液的制备工艺和填料的选择、其他各种助剂的选择等方面进行研究以提高JS防水涂料性能。

1 实验部分

1.1 仪器和原料

PHS-3B型恒温水浴锅(上海精密科学仪器有限公司)，JJ-1型电动搅拌器(北京永光明医疗仪器厂)，BS 224S型电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)。

丙烯酸异辛酯、十二烷基硫酸钠、丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、过硫酸铵、丙烯酸、碳酸氢钠、碳酸钙、氨水、OP-10、平平加O和异戊醇均购于国药集团化学试剂有限公司，水泥、滑石粉、石英砂、消泡剂均购于当地建材市场。

1.2 研究方法

1.2.1 聚丙烯酸酯乳液制备

将丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯和水，搅拌乳化20 min，得到单体的预乳化液A。在装有搅拌、回流冷凝管的三口烧瓶内分别加入十二烷基硫酸钠和平平加O、碳酸氢钠和去离子水，置于50℃水浴中均匀搅拌溶解得到溶剂B。将乳化液A和溶剂B混匀，升温至85℃，打开恒压滴液漏斗逐滴加入过硫酸铵溶液。然后保温2 h，直至无丙烯酸气味为止。降温，用氨水调pH值至7左右密封备用。

1.2.2 聚合物水泥防水涂料的制备

将制好的聚丙烯酸酯乳液加入消泡剂，混合搅拌成液料C；按照一定的配比将水泥和滑石粉等均匀混合成粉料D。将液料C和粉料D与功能单体丙烯酸按不同的聚灰比进行混合，得到聚合物水泥防水涂料(下文统称为JS涂料)。

1.2.3 性能测试与表征

1.2.3.1 IR光谱表征

将制备的聚丙烯酸酯乳液均匀涂抹在溴化钾压片上，采用傅里叶红外光谱仪对制备的聚丙烯酸酯结构中的基团进行表征，扫描频率范围为4 000～600 cm-1，扫描次数为6，分辨率为3。

1.2.3.2 聚丙烯酸酯乳液含量的测定

将制备好的聚丙烯酸酯乳液均匀搅拌后称取约2 g的样品，均匀地涂布于培养皿中，在105℃下干燥1 h后取出，放进玻璃干燥器里冷却到室温后进行称重，再将培养皿放进干燥器中，干燥30 min左右，然后放进干燥器中冷却到室温后进行称重，重复以上步骤，到前后两次称重偏差不大于0.01 g为止。固含量X按照公式(1)进行计算：

X=[(M2-M)/(M1-M)]×100%,

(1)

其中，M为培养皿质量(g)；M1为干燥前培养皿与样品的总质量(g)；M2为干燥后培养皿与样品的总质量(g)。

1.2.3.3 丙烯酸酯乳液的机械稳定性测定

用电动搅拌器高搅拌速率下搅拌2 h，然后观察产品机械稳定性、均匀性和粘稠性。

1.2.3.4 JS涂料涂膜吸水率的测定

将制备好的JS涂料进行涂膜(厚度0.15 mm)，在室温下静置7 d后，剪裁下约2 cm×2 cm的涂膜，洗干净，在50℃下烘干1 h，冷却到室温，然后称重；将涂膜放进蒸馏水里浸泡7 d，将试样取出轻轻擦干，再次称量，涂膜的吸水率V按公式(2)进行计算：

V=[(W2-W1)/W1]×100%,

(2)

其中，W1为涂膜干燥后的质量(g)；W2为吸水后的质量(g)。

1.2.3.5 JS涂料的高温稳定性测定

采用热重分析仪测试JS涂料的高温稳定性，温度范围25～800℃，升温速率10℃/min，气体流量 50 mL/min。

1.2.3.6 JS涂料的力学性能测定

将涂料倒入聚四氟乙烯标准模板中进行测试样件制备，待固化后取出，采用万能试验机进行断裂生长率和拉伸强度测试。

1.2.4 数据处理

采用Excel 2010和Origin 2018对测试数据进行统计分析与处理。

2 结果与分析

2.1 聚丙烯酸酯分子IR光谱

通过IR光谱对聚丙烯酸酯乳化液进行光谱信号扫描，结果如图1所示。从图1可以看出，在2 935 cm-1(—CH2不对称伸缩振动)、1 696 cm-1(C=O伸缩振动)和1 163 cm-1(C—O伸缩振动)存在聚丙烯酸酯分子的特征吸收峰，根据以上出峰位置可以断定成功合成了聚丙烯酸酯。

图1 聚丙烯酸分子IR光谱图

2.2 JS涂料的配方优化

2.2.1 乳化剂的选择

JS涂料是通过聚丙烯酸酯乳液与水泥复配形成。由于水泥中存在大量钙离子，影响涂料的稳定性。所以需要合适的乳化剂进行乳化，提高涂料的稳定性。本文选择非离子表面活性剂平平加O和阴离子型乳化剂十二烷基硫酸钠复配得到复合乳化剂(主要因为非离子型表面活性剂对于电解质等的化学稳定性表现优秀，但是非离子型表面活性剂会使聚合反应速度减缓，并且其乳化能力比较弱，聚合反应中易产生凝块等。而阴离子型表面活性剂的化学稳定性不是很好，但是反应迅速，复配性能良好)。测试不同配比复合乳化剂的涂料性能，结果见表1。从表1可以看出，当阴离子和非离子表面活性剂质量比例为l∶2时乳液性能比较好。

表1 不同质量比乳化剂对涂料性能的影响

2.2.2 功能单体丙烯酸质量分数

功能单体丙烯酸的加入能够提升涂料乳液的分散性和附着力。但丙烯酸在乳胶粒形成过程中容易产生水相均聚。当丙烯酸质量分数超过4%时乳液稳定性增加的趋势就会变慢甚至降低。分别取丙烯酸质量分数为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%做成聚合物乳液，和水泥复配制成JS涂料，测量膜的硬度，结果如表2所示。由表2可以得出，丙烯酸质量分数为1.5%时，JS防水涂料成膜性最好。

表2 丙烯酸质量分数对涂料的影响

2.2.3 聚灰比的选择

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质量之比，本次实验在固定填料滑石粉质量的情况下，不断加大水泥的量，在其它数值不改变的基础上，对不同聚灰比对产品性能的影响进行了实验，其结果见表3。

表3 不同聚灰比对涂料性能影响

从表3可知，当聚灰比变大时，涂膜的拉伸强度不断降低，断裂伸长率不断增加。主要是因为乳液在体系中含量增大，乳液会变成主要组成物质，水泥变成次要组成物质，从微观角度上看水泥胶体链已经很不完整。当涂料产品的拉伸强度为2.02 MPa时，断裂伸长率达272%，可以满足一般工程的应用需求。因此，选择聚灰比为0.9。

2.3 涂膜性能测试

2.3.1 TG分析结果

通过最佳涂料配方复配成的JS涂料的涂膜(乳化剂的阴离子型与非离子型的质量比为1∶2，丙烯酸质量分数为1.5%和聚灰比为0.9)TG曲线见图2。当温度升到100℃时，涂膜出现明显的质量损失，约为5%，主要是因为涂料中的配位键、双键等不稳定键断裂；当温度达到200℃左右时，涂膜质量损失呈现急剧下滑状态，主要是因为分子链中的—CHn键出现断裂；当温度达到450℃左右时，涂膜基本分解完全，质量损失达到95%，剩余部分为水泥、化石粉等不易燃物质。

图2 JS涂料涂膜的TG曲线

2.3.2 耐水性

耐水性一般是涂膜对水作用的抵抗力，即涂膜不吸水的能力。采用最佳配方进行JS涂料配制，涂布成1.5 mm厚的涂膜，测试0、1、3、5、7、14和20 d浸水对于涂膜吸水率的影响，结果见表4。

表4 不同浸水时间对与涂膜吸水率的影响关系

根据表4可得，随着浸水时间的延长，JS防水涂膜的拉伸强度不断减小。这主要是由于涂膜浸水时间的不断增加，导致交联的柔顺性大分子的网状结构，分子间的作用力降低，尤其是分子间氢键遭到了损坏，让涂膜在浸水以后机械强度下降。实验表明，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个重要判定方法，该性能主要指涂膜承受水压的能力，在特定的压力下不渗水就是合格。一般要求耐水压0.1 MPa至0.3 MPa，不渗水时间达到30 min，通过测试发现涂膜均达到了0.3 MPa、30 min不透水的合格结果。

综上所述，本文以丙烯酸酯乳液与水泥为主要的粉料，滑石粉作为填料，加入一定量助剂。通过对产品进行各种性能测试，最终得到产品的基本性能均符合要求。

4 结论

本文基于丙烯酸酯进行水泥防水涂料制备与优化，得到如下结论：

(1)非离子乳化剂(平平加O)与阴离子乳化剂(十二烷基硫酸钠)的质量比为2∶1时，涂料产品稳定性较好，与水泥具有良好的配伍性。

(2)功能单体丙烯酸提供了和水泥水化反应的活性点，其质量分数为1.5%时与聚合物乳液交联效果最佳。

(3)当聚灰比为0.9时，涂料产品的拉伸强度为2.02 MPa时，断裂伸长率达272%，满足一般工程使用的要求。