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弹性乳胶漆耐沾污性能影响因素的研究,涂料配方中分散剂、润湿剂对乳胶漆耐沾污性的影响,向弹性乳液中加入光引发剂、交联单体和不同玻璃化温度的弹性乳液对乳胶漆耐沾污的影响,中国化工网,okmart.com
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弹性乳胶漆耐沾污性能影响因素的研究,涂料配方中分散剂、润湿剂对乳胶漆耐沾污性的影响,向弹性乳液中加入光引发剂、交联单体和不同玻璃化温度的弹性乳液对乳胶漆耐沾污的影响
2019年06月06日    阅读量:241    新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

讨论了涂料配方中分散剂、润湿剂对乳胶漆耐沾污性的影响;以及向弹性乳液中加入光引发剂、交联单体和不同玻璃化温度的弹性乳液对乳胶漆耐沾污的影响。

0 前言

由于水泥基材的固有特性(属于脆性材料,较低的抗拉强度),当环境温度、干湿度等因素变化时,常常会产生裂缝,普通的外墙涂料装饰也会受基材影响开裂。随着时间的延长,裂缝会进一步加大、加深,对建筑物产生不利影响甚至危害中国化工网okmart.com。弹性乳胶漆就能在一定程度上解决以上问题,由于弹性外墙涂料涂膜具有很高的弹性,因此当墙体开裂出现裂缝时,涂膜受到拉伸变形而不会开裂被破坏,仍然完整的涂膜保持原有的各种阻隔作用,防止开裂的墙体处直接暴露于大气之中。而弹性涂膜具有对某些物质(水及其他液体等)的阻隔性,可以防止一些腐蚀性物质向墙体内部侵入,从而有效地保护了墙体免受危害,充分发挥其保护功能,因此弹性涂料越来越受到市场的欢迎。但是,弹性乳胶漆的主要组成之一是弹性乳液,弹性乳液的玻璃化温度一般低于0 ℃,这使得弹性乳胶漆涂膜柔软有弹性,但在夏季炎热的天气条件下,涂膜表面容易发黏,致使空气中的粉尘很容易黏附在涂膜表面,耐沾污性能大大下降,装饰效果变差。耐沾污差是弹性乳胶漆的通病,如何提高弹性乳胶漆的耐沾污性问题,已经成为弹性乳胶漆研发者面临的难题之一。本实验通过改变弹性乳液的不同性质来探讨其对耐沾污的影响。检测方法参照GB/T9780—2013。


1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

实验所用原料及仪器列于表1和表2。

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实验原料

实验仪器

1.2 涂料参考配方

实验选用目前本实验室常用的一种弹性涂料配方作为参考配方,如表3所示,讨论配方中使用不同润湿剂与分散剂对弹性乳胶漆耐沾污性能的影响。

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涂料配方

1.3 不同弹性乳液的制备

1.3.1 乳液参考配方

表4为本实验乳液聚合的参考配方。

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1.3.2 乳液聚合工艺

本实验乳液聚合工艺采用半连续预乳化单体滴加法,引发体系为氧化还原体系,氧化剂和还原剂分别为过硫酸铵和亚硫酸氢钠。乳液聚合工艺:首先制备预乳化液,取一定量的蒸馏水将部分乳化剂溶于一个洁净烧杯中,然后边搅拌边依次缓慢加入单体,剧烈搅拌,让其形成稳定的乳浊液待用;然后将部分乳化剂加入到装有温度计、冷凝管、搅拌机的四口烧瓶中,加入去离子水搅拌使其完全溶解,加热升温;当温度到达65 ℃时,将一定量先前准备好的预乳化液加入到反应烧瓶中,加入初始引发剂,65~70 ℃保温10 min,然后在65~70 ℃将剩下的预乳化液匀速滴加到反应烧瓶中,同时滴加引发剂,滴加2.5 h,65~70℃保温1.0 h,降温至60~65 ℃滴加后处理剂,滴加60min,保温30 min,最后降温至45 ℃以下调和出料。

1.3.3 弹性乳液制备

(1)不同Tg弹性乳液的制备:以主单体苯乙烯(Tg=100 ℃)、丙烯酸丁酯(Tg=-55 ℃)和功能单体甲基丙烯酸(Tg=130 ℃)制备乳液。通过苯乙烯与丙烯酸丁酯不同的配比来设计不同Tg的乳液。本实验设计了乳液Tg分别为-30.0 ℃(乳液1-1)、-27 ℃(乳液1-2)、-24℃(乳液1-3)、-21 ℃(乳液1-4)的弹性乳液,所用单体配比如表5。

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不同Tg的乳液单体配比

(2)不同光引发剂用量的弹性乳液的制备:实验选用的光引发剂1-羟基-环己基-苯基甲酮是国内最常用的光引发剂之一,其具有很高的光引发活性、优良的热稳定性及不产生黄变性等特点。本实验在乳液1-1(Tg=30 ℃)的基础上分别添加了占单体总质量为0.5%(乳液2-1)、1%(乳液2-2)、1.5%(乳液2-3)的光引发剂,单体配比如表6。

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不同光引发剂的乳液单体配比

(3)不同交联单体用量的弹性乳液的制备:实验选用的交联单体为硅偶联剂A-171。A-171是一种常见的交联单体被广泛运用于乳液聚合中,其具有耐候性、耐灰尘性等特点。本实验在乳液2-2的基础上分别添加了占单体总质量为0.2%(乳液3-1)、0.4%(乳液3-2)、0.6%(乳液3-3)的交联单体,单体配比如表7。

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不同交联单体的乳液单体配比

1.4 检测方法

将上述所制备的乳液按照表5中的涂料配方分别配制成弹性乳胶漆样备用。

实验检测方法参照GB/T 9780—2013,在涂有透明底漆的石棉板(150 mm×70 mm×4 mm)上先用120μm、再用80 μm的线棒涂布器涂布漆样,两道涂布间隔时间为2 h,每个样品制备2块样板。养护7 d后,1块样板在UV灯下照4 h,1块不照,然后在样板的上中下取5个点测试初始反射率,取平均值,然后将配好的煤灰[m(煤灰)∶m(水)=1∶1]均匀地涂在样板上(0.7±0.1)g,60 ℃烘箱0.5 h后常温放置2 h,然后于冲水装置冲洗涂层,将冲洗了的样板室温放置2 d,此为一个循环,整个循环约为24 h,如此重复两个循环。最后测试循环完样板的反射率,此为最终放射率,算出前后反射率的变化(%),反射率变化值(%)=(初始反射率-最终反射率)/初始反射率。


2 结果与讨论

2.1 涂料配方中分散剂和润湿剂的选用

由于实验条件原因,本实验首先选择了一种市面上常见的弹性乳液,由巴德富生产的RS-9699,作为一个标准乳液。然后对表3涂料配方中的分散剂和润湿剂的选用进行探讨。本实验选取了几种不同的分散剂、润湿剂,用同一个标准乳液按照表3中的涂料配方配成乳胶漆,测试它们的耐沾污性,从中选取对耐沾污性最好的一种润湿剂和分散剂运用到涂料配方中。

2.1.1 分散剂

表8是使用两种不同分散剂时,对乳胶漆耐沾污的影响结果。

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不同分散剂的耐沾污性能

分散剂Sn-5027和APC为疏水改性的聚丙烯酸铵盐的聚合物分散剂,分散剂Sn-5040和A4100为聚羧酸钠盐型分散剂。Sn-5040和A4100与Sn-5027和APC相比更加亲水。由表8可知,在相同的条件下,用亲水性分散剂Sn-5040、A4100比用疏水性分散剂Sn-5027、APC耐沾污性明显提高;而用Sn-5040比用A4100耐沾污略好一点。

2.1.2 润湿剂

表9为使用不同HLB值的润湿剂时,乳胶漆耐沾污的结果。

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不同润湿剂的耐沾污性能

LCN407和LCN088都为烷基聚氧乙烯醚,属于非离子型润湿剂,ED3060和PE20为EO/PO-嵌段共聚物,也属于非离子型润湿剂。HLB值越大表示润湿剂越亲水,由表9可以看出随着润湿剂HLB值的增大乳胶漆的耐沾污性逐渐增大,但增大的幅度不大。

根据以上结果,本实验推测涂料配方中助剂的亲水性对改善乳胶漆的耐沾污性有一定的帮助,因此,在涂料配方中分散剂本实验选用较亲水的Sn-5040,润湿剂选用较亲水的LCN407,涂料配方如表10。

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2.2 不同弹性乳液对乳胶漆耐沾污性能的影响

2.2.1 乳液聚合中单体的选择

单体的选择是决定乳液性能的关键因素之一。目前能用于乳液聚合的单体种类有很多,有600多种,其中应用较广泛的主要有3类:(1)乙烯基类单体,例如苯乙烯、乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯腈、丙烯酰胺、氯乙烯等;(2)共轭二烯烃类单体,如丁二烯、氯丁二烯、异戊二烯等;(3)丙烯酸与甲基丙烯酸系单体,如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯等。根据单体性质的不同,本实验大致将其分为硬单体、软单体和功能单体3类。软单体的玻璃化温度(Tg)一般低于0 ℃,它能赋予乳液较好的柔软性,是制备弹性乳液的主要单体。丙烯酸丁酯(BA)是常用的软单体,其均聚物的Tg为-55 ℃,拥有良好的延伸性能,但是单独使用会使涂料表面发软、发黏,容易黏附空气中的灰尘,耐沾污差。要使弹性乳液具有一定的强度就要加入一定的硬单体,硬单体一般具有较高的Tg,苯乙烯作为常用的硬单体其均聚物的Tg为100 ℃,苯乙烯能与软单体BA共聚,并且具有一定的刚性,能赋予乳液一定的强度,对弹性乳液的耐沾污有一定帮助。功能单体主要给乳液提供某些特殊的功能,如抗污染性、耐溶剂性、耐水性等。因此,本实验乳液聚合用苯乙烯与丙烯酸丁酯作为主单体,交联单体A-171(乙烯基三甲氧基硅烷)、光引发剂1-羟基-环己基-苯基甲酮和甲基丙烯酸作为功能单体。

2.2.2 不同Tg弹性乳液耐沾污性能测试结果

按照上述检测方法,将Tg不同的弹性乳液配成弹性乳胶漆的耐沾污性能结果如表11所示。

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不同Tg的弹性乳液耐沾污性

由表11检测结果可以看出,随着乳液Tg的升高,乳胶漆样板的反射率变化值逐渐变小,也就是说乳胶漆的耐沾污性越好。因此,从此组实验可以看出提高乳液的Tg可以使乳胶漆的耐沾污性能提高,这是因为乳液Tg越高,乳胶漆成膜后的涂膜硬度就越高,污染物不易黏附上去,耐沾污性就越好。但是,对于弹性乳胶漆,乳液Tg越高,涂膜强度越大,柔软性就越差,这就导致了涂膜延伸率下降,特别是低温延伸率。因此,在提高乳液Tg改善乳胶漆耐沾污性时,还要考虑到乳胶漆的力学性能,最好找一个平衡点,本实验就不做讨论了。考虑到乳胶漆的低温延伸率,本实验将乳液的Tg选为-30.0 ℃。

2.2.3 不同光引发剂用量的弹性乳液耐沾污测试结果

按照上述检测方法,将不同光引发剂用量的弹性乳液配成弹性乳胶漆的耐沾污性能结果如表12所示。

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不同光引发剂用量的弹性乳液耐沾污性

由检测结果可以看出,加入光引发剂后,不照UV涂膜的反射率变化值基本没变,耐沾污性基本无改变;经过4 hUV照射涂膜的反射率明显变小,但是随着光引发剂的加多,反射率变化值减小幅度变小,并且光引发剂相对于主单体价格较贵。因此,本实验认为将光引发剂的用量控制在单体总量的1%是合理的。1-羟基-环己基-苯基甲酮属于裂解型光引发剂,其作用机理为当分子收到光照吸收光能后,跃迁到激发单线态,经系间窜跃到激发三线态,分子结构呈不稳定状态,其中弱键会发生均裂产生活性自由基,增加涂膜表面交联度,使涂膜硬度提高,从而改善乳胶漆耐沾污性。

2.2.4 不同交联单体用量的弹性乳液耐沾污测试结果

按照上述检测方法,将不同交联单体用量的弹性乳液配成弹性乳胶漆的耐沾污性能结果如表13所示。

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不同交联单体用量的弹性乳液耐沾污性

同样可以看出,随着交联单体A-171的加入,乳胶漆样板的反射率变化值逐渐变小,乳胶漆的耐沾污性逐渐变好。当交联单体加入到一定量时,对乳胶漆耐沾污性提高幅度变小,并且考虑到交联单体A-171对乳胶漆力学的影响和乳液聚合过程中反应性的影响,而且交联单体A-171价格也较贵。因此本实验认为交联单体A-171的加入量为单体总量的0.2%时比较合理。交联剂A-171的作用机理是与硅相连的烷氧基水解生成硅羟基,硅羟基之间脱水缩合成含有硅羟基的低分子聚硅氧烷,然后低聚物中的硅羟基可以与基材表面上的羟基形成氢键,增强附着力,也可以在乳胶漆成膜时与乳胶漆中的羟基形成氢键或共价键,提高涂膜交联度,使涂膜变硬,从而提高乳胶漆的耐沾污性。


3 结语

从本实验的结果可以看出,在配制乳胶漆的配方中使用亲水性助剂比使用疏水性助剂的乳胶漆耐沾污性好。因为目前国内空气中的污染物大多数是亲油性的,很容易黏附在疏水的乳胶漆上,再加上疏水性乳胶漆很难被雨水润湿,雨水从亲油性污染物表面滚过而不能将污染物带走,使得疏水性弹性乳胶漆耐沾污性更严重。

在乳液方面,乳液Tg越高乳胶漆耐沾污性越好,但是乳液Tg对乳胶漆延伸率影响较大,提高乳液Tg的同时要兼顾到乳胶漆的力学性能。乳液中加入交联单体和光引发剂能使乳胶漆在成膜时,涂膜表面更致密,涂膜表面硬度增加,减弱涂膜表面发黏,这样能增大污染物附着在乳胶漆表面的难度,从而提高弹性乳胶漆的耐沾污性。


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