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高耐沾污高弹性建筑乳胶漆的制备及研究,疏水性助剂对提升弹性漆耐沾污性的影响,测试标准参考JG/T 172—2015,中国化工网,okmart.com
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高耐沾污高弹性建筑乳胶漆的制备及研究,疏水性助剂对提升弹性漆耐沾污性的影响,测试标准参考JG/T 172—2015
2019年06月08日    阅读量:431    新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

高耐沾污高弹性建筑乳胶漆的制备及研究

孔德道,林伟,柯荣萍,蔡正伟,李祥文,林昌庆,刘国元,陈继洪,陆维生(福建三棵树涂料股份有限公司,福建莆田351100)


0 引言

随着环境温度的交替变化, 建筑物的混凝土外墙会不断膨胀和收缩,从而产生破坏性的裂缝。弹性涂料由于具备良好的热胀冷缩的性能, 能够有效解决建筑基层表面产生的破坏性裂纹问题而深受市场欢迎。弹性涂料主要是以弹性乳液为基料, 添加不同比例的颜、填料及助剂配制而成, 其中弹性乳液玻璃化温度(Tg)低于环境温度,在环境温度下施工时为弹性体中国化工网okmart.com。弹性涂料具备较好的拉伸性能, 但在有效保护墙体免受裂缝引起破坏的同时,存在耐沾污性差的问题,即弹性涂膜柔软, 尤其是在高温的夏季涂膜表面容易回粘,极易吸附灰尘,大大降低了弹性涂膜的耐沾污性和装饰性。因此,在保证涂膜较高弹性的同时,提升其耐沾污性能成为了弹性乳液合成、功能型助剂以及涂料配方设计研究突破的重点。采用核壳乳液聚合技术,添加功能性助剂提升涂料特殊性能是当前的研究热点,在涂料等领域极具实用价值。


本文采用特殊核壳聚合技术设计了一款弹性乳液, 并使用该乳液制备了一种高弹高耐沾污外墙弹性乳胶漆,同时研究了亲水性、疏水性助剂对提升弹性漆耐沾污性的影响,测试标准参考JG/T 172—2015。

 

1 实验部分

1.1 主要原料

乳液部分: 丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸(MA)、甲基丙烯酸丁酯(MBA)、氮羟甲基丙烯酰胺(NAM)[6]、阴离子型乳化剂十二烷基磺酸钠(SDS)、非离子型乳化剂壬基苯基聚氧乙基醚(OP-10)[7]均为市售产品;碳酸氢钠(NaHCO3)、过硫酸钾(KPS)、三乙胺(TEA),均为国药分析纯试剂;去离子水,自制。

涂料部分:钛白粉、重钙、高岭土、重晶石、羟乙基纤维素、胺助剂AMP-95、分散剂、润湿剂、消泡剂、乙二醇、十二醇酯、杀菌防腐剂、疏水助剂、亲水助剂,均为市售品。

1.2 实验仪器

红外光谱:NICOLET IS10 傅里叶变换红外分光光度计,THERMO SCIENTIFIC; 粒径分析:MS2000 粒径分析仪,马尔文仪器有限公司。

分散设备:SFJ-400 分散机,上海现代环境工程技术有限公司;拉伸测试:MZ-4000D 电动万能材料试验机,江苏明珠机械有限公司;润湿性测试:SL200B 自动接触角仪,上海梭伦信息科技有限公司。

1.3 弹性乳液合成

弹性乳液合成配方见表1。

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乳液合成配方

护下先将部分乳化剂、缓冲剂加入装有温度计、冷凝管、聚四氟乙烯搅拌的四口烧瓶中,加入去离子水,常温搅拌使其完全溶解,加入部分单体和引发剂,常温搅拌20 min,缓慢升温至85 ℃,形成蓝色相乳液,降温并开始缓慢滴加核预乳化液,1.5 h 内滴完, 然后滴加壳预乳化液,1.5 h 内滴完,保温2 h,除残余单体,降温并调pH 出料。

1.4 弹性乳胶漆的制备

1.4.1 疏水型弹性乳胶漆制备配方见表2。

疏水型弹性乳胶漆合成配方

1.4.2 亲水型弹性乳胶漆制备配方见表3。

亲水型弹性乳胶漆合成配方


根据表2、表3 配方依次加入水、润湿剂、分散剂、杀菌防腐剂、消泡剂、纤维素等于分散罐中,在分散机搅拌均匀后加入AMP-95、颜填料,高速分散20 min,控制浆料细度≤60 μm, 加入自制乳液及亲/疏水功能型助剂,调节黏度,过滤包装。

 

2 结果与讨论

2.1 乳液性能检测及表征

2.1.1 弹性乳液性能检测结果见表4。

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弹性乳液性能检测结果

注:a. 取30 mL 乳液, 然后加入质量分数为0.5%的CaCl2溶液6 mL,搅拌,48 h 后观察有无分层、沉淀、絮凝等现象;b . 2 500 r/min、0.5 h 后,观察有无分层、沉淀、絮凝等现象。

2.1.2 红外光谱分析

由图1 可以看出, 在1 164.81 cm-1、1 242.37 cm-1处是由甲基丙烯酸甲酯聚合物中的C—O—C 对称伸缩振动引起的,1 731.32 cm-1 处出现丙烯酸酯类物质的C==O 伸缩振动峰,940.79 cm-1 处为丙烯酸丁酯的特征峰。说明丙烯酸酯类单体经聚合反应生成了丙烯酸酯类聚合物。

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乳液聚合物的红外光谱图

2.1.2 粒径分析

由图2 可以看出该乳液种子/核平均粒径为110nm,具有较好的分散性。从粒径测试数据可以看出,采用预乳化半连续滴加方法制备的乳液粒径呈正态分布。

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自制乳液粒径分布

2.2 乳胶漆性能测试

2.2.1 亲/疏水型弹性乳胶漆常温拉伸性能研究

(1)常温拉伸强度测试

(2)常温延伸率测试

2.2.2 亲/疏水型弹性乳胶漆低温-10℃拉伸性能研究

2.2.3 亲/疏水型弹性乳胶漆耐沾污性能研究

2.3 亲/疏水型弹性乳胶漆涂膜对水的静态接触角性能研究

2.4 亲/疏水型弹性乳胶漆膜截面扫描电镜测试

图3~6 为弹性乳胶漆的拉伸性能及耐沾污性能测试,在固定基料、颜填料的情况下,研究测试亲/疏水助剂添加量对弹性乳胶漆室温(25±2 ℃)下的拉伸强度、断裂延伸率、低温(-10 ℃)下的断裂延伸率及耐沾污性能影响。测试参考标准为JG/T 172—2015。

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亲/疏水助剂含量对涂料常温拉伸强度的影响

亲/疏水助剂含量对涂料常温延伸率的影响

亲/疏水助剂含量对涂料低温延伸率的影响

亲/疏水助剂含量对涂料耐沾污的影响


从图3 可知室温拉伸强度为2.3~2.5 MPa,优于标准0.3~0.5 MPa,其中亲水型弹性漆膜强度为逐步递增的趋势, 其添加量为0.5%时强度达顶峰2.47 MPa;疏水型弹性漆膜强度相比亲水型漆强度曲线呈略微下降趋势, 可能的原因是由于亲水助剂中的部分亲水基团(如—OH,—COO-等) 与所合成乳液中的极性官能团(如—NH2—,—OH 等)发生分子间作用,有助于漆膜干燥过程中形成致密的网状交联, 从而提高了漆膜断裂强度。相反疏水助剂的功能性官能团可能与乳液不存在这一有效作用。


图4 表明随亲、疏水助剂加量的增大,常温延伸率均呈先升高再降低趋势,其中亲水助剂添加量为0.5%时常温延伸率从390%升至418%,疏水助剂添加3%时延伸率也升至403%, 远远优于标准(≥150%),原因可能是亲、疏水助剂本身是一种高分子聚合物, 一定程度上存在软化乳液粒子的成膜的问题, 同时在添加一定量时可以像乳液一样对颜填料有包裹性能, 使得漆膜内外更丰满致密, 从而延伸率提高。该分析也可以解释图5 中低温延伸率的变化趋势,由图5 可知,2 曲线的低温延伸率也远优于标准(≥35%)状况;但助剂添加一定量后曲线呈下降趋势,原因可能是漆膜中亲、疏水助剂本身的性能已成为影响漆膜弹性的主要因素。


对比发现, 亲水性助剂较疏水助剂对于提高弹性漆的常温强度、常温延伸率以及低温延伸率会略有优势,结合图9 扫描电镜微观形貌测试结果分析,添加亲水助剂的漆膜截面更显致密,漆膜弹性更好。


图6 可以看出耐沾污性能随着亲/疏水助剂量的添加呈先降低再上升趋势,亲水助剂加量为0.4%及疏水助剂加量为5%时,两者耐沾污性能均最好,耐沾污值分别为10.8%、10.5%,但当两助剂添加量继续增加时,耐沾污性能均开始变差,亲水助剂添加量在增至0.6%时耐沾污值趋于平稳为13.9%,而疏水助剂随加量的增大,耐沾污性能逐渐变差。


原因可能是亲水助剂加量在0.1%~0.5%时,亲水性助剂随漆膜干燥过程逐渐向表层迁移形成致密覆盖。功能性亲水基团在固气两相交界面紧密有序排列,据相似相容原理,当与油性类粉煤灰接触时,干涂膜很难吸附粉煤灰,使得耐沾污性能提高,一旦加量>0.5%,过多的亲水物质含带非亲水链烃也堆积于涂层表面,一定程度上降低了漆膜亲水性,耐沾污性能降低;疏水助剂加量"在1~5%时,疏水物质随漆膜干燥向表层快速迁移累积且疏水基团延伸到空气中紧密排列, 在加量5%时疏水物质与粗糙的漆膜共同作用可能形成了微纳米结构的表面,而这一表面具有“荷叶效应,可以起到自清洁的作用, 所以添加5%疏水助剂时的涂膜耐沾污效果最佳,当超过5%用量,具有荷叶效应的微纳米结构被打破, 累积在表层的疏水性物质在实验室60 ℃烘箱烘烤0.5 h 下变软,涂膜回粘,耐沾污变差。结合图7 亲/疏水型弹性乳胶漆涂膜的耐沾污功效和图8 中不同助剂加量下对水的静态接触角数值,可以更为直观地解释图6 的曲线。

亲/疏水型弹性乳胶漆涂膜耐沾污功效

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亲/疏水型弹性乳胶漆涂膜静态接触角,亲/疏水弹性漆膜截面形貌扫描电镜照片


3 结语

(1)合成制备了一款自交联核-壳结构的丙烯酸弹性乳液,表征了其红外光谱及粒径分布,该乳液粒径呈单分散性分布,平均粒径为110 nm。

(2)采用自制乳液并通过添加亲、疏水助剂改善漆膜亲疏水性能, 制备了两款具有高弹高耐沾污性能的弹性乳胶漆, 即亲水型弹性乳胶漆和疏水型弹性乳胶漆, 其中亲水助剂加量0.4%时, 其室温强度为2.45MPa,常温延伸率417%,低温延伸率59%,耐沾污值10.8%;疏水助剂加量5%时,其室温强度为2.38 MPa,常温延伸率400%,低温延伸率53%,耐沾污值10.5%。

(3)采用扫描电镜、静态接触角测试仪器对亲/疏水漆膜的截面和对水润湿性能进行微观分析, 添加亲水助剂的漆膜截面致密度更高,且亲水助剂加量0.4%时静态接触角(SCA) 达58.4°, 疏水助剂加量5%时SCA 达149.6°。


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