弹性乳液的比较及其对弹性建筑涂料性能的影响

姜广明，詹明佳，李 娅，刘东华，赵雅文，胡 水

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.富思特新材料科技发展股份有限公司，北京 102607；3.北京化工大学，北京 100029）

0 引言

弹性乳液是由玻璃化转变温度较低的丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯等“软单体”和玻璃化转变温度较高的甲基丙烯酸甲酯等“硬单体”构成。弹性乳液的性能同时还受到聚合物分子链的柔性、聚合物分子间的相互作用力、聚合物分子间的交联程度、聚合物结晶度、聚合物玻璃化温度、聚合物分子量等因素的影响［1］。弹性建筑涂料的性能主要由弹性乳液决定；弹性乳液的玻璃化温度越低，弹性建筑涂料的拉伸强度越低，断裂伸长率越高，耐沾污性也会越差［2］。

本论文探讨了不同的弹性乳液的结构和性能的差异，以及产生这种差异的原因。在相同的弹性建筑涂料的配方基础上，证实了弹性建筑涂料的拉伸性能和弹性乳液的性能正相关，并根据弹性乳液的特点指导了弹性建筑涂料的配方设计。通过动态热机械分析的研究，找到了弹性建筑涂料的损耗因子与拉伸性能的关系，建立了弹性建筑涂料的快速鉴别方法。

1 原材料

本文收集了 4 种弹性乳液，编号为 RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6。按照 35 % 的弹性乳液含量和 42 % 的颜料体积浓度（PVC）的相同配方，将弹性乳液制备成弹性建筑涂料。每款弹性建筑涂料的配方中仅使用对应的一种弹性乳液，没有加入其他乳液进行复配或混拼［3-5］。

4 款弹性建筑涂料的编号依次编为 RYTL-1、RYTL-2、RYTL-4 和 RYTL-6。

2 实验设备

红外光谱使用美国 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生产的 Nicolet 6700 傅立叶变换红外光谱仪测试，扫描范围为 4000-400 cm-1，分辨率为 4 cm-1。采用 ATR 方式测试弹性乳液涂层的红外光谱。

热失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生产的 TGA/DSC1 同步热分析仪（型号 STARe system）测试，氮气气氛，测试的温度范围为室温～+1 000 ℃，升温速度 10 ℃/min。

DSC 分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司产品 TGA/DSC1 同步热分析仪（型号 STARe system）测试；扫描范围 -60～+100 ℃，升/降温速度为 20 ℃/min。检测依据为 GB/T 27816-2011《色漆和清漆用漆基 玻璃化转变温度的测定》；预扫描一次，消除材料的热历史；玻璃化转变温度取中点温度。

拉伸性能使用日本 Shimadz 公司生产的 AG-IC 100 kN 万能材料试验机。试样的制备依据 JG/T 172-2014《弹性建筑涂料》，裁取符合 GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》的哑铃Ⅰ型试件，拉伸速度为 200 mm/min。

动态力学性能使用德国 Netzsch 公司生产的 DMA 242 C 型动态力学分析仪测试；采用拉伸模式，频率为 10 Hz，测试温度范围为 -60 ℃～+120 ℃，升温速度为 3 ℃/min。

3 结果与讨论

3.1 弹性乳液的微观性能

3.1.1 红外分析

将弹性乳液制成涂膜烘干，4 种弹性乳液涂膜的红外光谱的结果，如图 1 所示。红外光谱的纵坐标进行了归一化处理。

图1 4 种弹性乳液的红外光谱图

从图 1 可以看出，4 种弹性乳液的红外光谱几乎相同，4 种弹性乳液的成分均为聚丙烯酸酯类物质。红外光谱中 1 730 cm-1为 C=O 的伸缩振动峰，1 460 cm-1为 CH3反对称变角振动，1 250 cm-1和 1 160 cm-1分别为C-O-C 反对称伸缩振动和对称伸缩振动。

1 020 cm-1处的峰不是聚丙烯酸酯类的峰。根据分析，1 020 cm-1为 Si-O-Si 的伸缩振动峰，是因为弹性乳液合成时加入了部分的硅烷偶联剂，以提高弹性乳液的耐水性、耐沾污性和耐候性。

3.1.2 热失重分析

将弹性乳液制成涂膜烘干，4 种弹性乳液涂膜的热失重曲线，如图 2 所示。

图2 4 种弹性乳液的热失重曲线

从图 2 可以看出，4 种弹性乳液中 RY-1、RY-4 和RY-6 的热失重曲线几乎重合；RY-2 的热分解温度略低，残重略高。

RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6 的最大分解速率温度分别为 403 ℃、391 ℃、404 ℃ 和 405 ℃；1 000 ℃ 的残重分别为 4.4 %、7.6 %、4.1 % 和 4.1 %。RY-2 的分解温度低，证明该乳液中含有部分分子量比较低的分子。

3.1.3 DSC 分析

将弹性乳液制成涂膜烘干，4 种弹性乳液涂膜的差示扫描量热曲线，如图 3 所示。

图3 4 种弹性乳液的 DSC 二次升温曲线

从图 3 可知，4 种弹性乳液的玻璃化转变温度几乎一致。RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6 的玻璃化转变温度分别为-8.34 ℃、-7.24 ℃、-8.08 ℃ 和 -7.66 ℃。

红外光谱、热失重分析和 DSC 分析的结果，证明了4 种弹性乳液的成分、组成和结构是类似的，均为聚丙烯酸酯类弹性乳液。

3.2 弹性乳液的拉伸性能

尽管 4 种弹性乳液的微观结构是接近的，但是它们的力学性能能明显感觉到有差异。为此首先测试了 4 种弹性乳液的涂膜在标准状态下的拉伸性能，检测结果如表 1 所示。

表1 4 种弹性乳液的拉伸性能（标准状态下）

从表 1 可以看出，RY-1 和 RY-4 最软，断裂伸长率＞900 %。RY-2 居中，而 RY-6 最硬，断裂伸长率不足400 %。

拉伸性能能够非常直接反映出 4 种弹性乳液的性能差异。拉伸强度高、断裂伸长率低的乳液分子，一般分子量比较大，交联程度比较高［6，7］。因此可以推测出，RY-6 的交联程度过高，不太适合作为弹性建筑涂料的弹性乳液使用。

3.3 弹性建筑涂料的拉伸性能

将弹性乳液按照相同的配方制备成弹性建筑涂料。4 款弹性建筑涂料的涂膜在标准状态下的拉伸性能，检测结果如表 2 所示。

表2 4 款弹性建筑涂料的拉伸性能（标准状态下）

弹性建筑涂料的拉伸强度大于对应的弹性乳液，弹性建筑涂料的断裂伸长率小于对应的弹性乳液。这是因为弹性建筑涂料的拉伸强度随填料的增加而增加，断裂伸长率随填料的增加而降低［8］。

与弹性乳液的规律类似，RYTL-1 和 RYTL-4 最软，RYTL-2 居中，RYTL-6 最硬。通过比较表 1 和表 2 的数据，可以发现弹性建筑涂料的拉伸性能与弹性乳液的拉伸性能成正相关的关系。

根据经验和统计规律，弹性建筑涂料的拉伸强度一般不会高于 4～5 MPa，因此 RYTL-2 和 RYTL-6 的弹性不足，仅为具有弹性的普通建筑涂料。为满足断裂伸长率、特别是低温断裂伸长率的要求，如使用该两种弹性乳液，则应适当提高弹性建筑涂料中弹性乳液的含量，或者降低颜料体积浓度。

3.4 弹性建筑涂料的微观性能

在以往的研究中，我们发现动态热机械性能对弹性建筑涂料的拉伸性能有非常重要的指导意义。玻璃化温度较低的弹性建筑涂料的拉伸性能非常优越；玻璃化温度过高的弹性建筑涂料拉伸性能一般都不合格。但是玻璃化温度居中的弹性建筑涂料的拉伸性能能否合格，尚未有足够的数据支持某种结论［9，10］。

本文中使用的 4 种弹性乳液的玻璃化温度不低也不高，属于玻璃化温度居中的情况。为研究该类弹性乳液制备的弹性涂料的微观性能，测试了这 4 款弹性建筑涂料的动态热机械分析性能，曲线如图 4 所示，玻璃化温度和损耗因子的具体值如表 3 所示。

图4 弹性建筑涂料的动态热机械分析曲线

表3 弹性建筑涂料的动态热机械分析的结果

从图 4 和表 3 可以看出，动态热机械分析获得的玻璃化转变温度比 DSC 分析更加灵敏。使用软乳液的RYTL-1 的玻璃化转变温度比 RYTL-4 的玻璃化转变温度低了 4 ℃。

RYTL-1 和 RYTL-4 的损耗因子最大值比较高，均＞1。而另外两种弹性建筑涂料的损耗因子最大只有0.7～0.8 左右。结合动态热机械分析和拉伸性能的结果，我们知道损耗因子高的弹性乳液或者弹性涂料的拉伸强度更低，断裂伸长率更高。

虽然 RY T L-2 的玻璃化转变温度最高，但是 RYTL-2 展示了更宽的损耗因子峰。这可能是因为 RY-2 的分子量分布与其他的 3 款弹性乳液相比更宽，小分子量的分子的含量更高。RYTL-2 在较低温度的损耗因子值接近于使用软乳液的 RYTL-1，而不是接近使用硬乳液的 RYTL-6。因此 RYTL-2 的拉伸性能是介于比较软的 RYTL-1、RYTL-4 和比较硬的 RYTL-6 之间的。

综合以上分析，在利用动态热机械分析的结果对弹性涂料的拉伸性能进行判断的时候，首先应关注玻璃化转变温度，然后还应该关注损耗因子的峰的形状；在玻璃化温度和损耗因子峰的形状接近的条件下，损耗因子的值也能反映弹性建筑涂料的拉伸性能。

4 结论

拉伸性能是弹性乳液的关键技术参数，也是弹性建筑涂料产品的质量控制的关键指标。不同弹性乳液虽然成分和结构类似，但是由于聚合过程造成的分子量、分子量分布、分子间相互作用力等方面的不同而展现出了巨大的拉伸性能差异，这种差异直接影响了使用该种弹性乳液的弹性建筑涂料的拉伸性能。使用动态热机械分析手段能够分析弹性乳液的更深层次结构，并帮助推断弹性建筑涂料的拉伸性能是否合格。Q