一种真石漆用自清洁苯丙乳胶的合成
2021-06-21 13:23 浏览:160
一种真石漆用自清洁苯丙乳胶的合成
宋高占，梁健津，海 伟，何美娟，刘 燕(佛山市顺德区巴德富实业有限公司，广东佛山 528322)
0 前 言
据有关统计，我国近50%的城市大气污染程度达到了中度以上，其中18%达到重度污染程度，全国15%的地区被大气污染层覆盖。这些越来越严重的大气污染也给建筑外墙带来越来越多的污染问题。由于建筑外墙长期暴露在外，容易受到大气中多种污染源的污染，包括固态的灰尘、烟雾，液态的酸雨、油性烟雾和气态的工业废气等各种废气。另外微生物滋生和锈蚀的水流痕迹也会对外墙产生影响。这些污染一方面会影响建筑物的美观，另一方面也会影响建筑外墙的寿命和安全性。
自清洁涂料是指表面的污染物或灰尘在重力、雨水、风力或太阳能等自然外力的作用下能够自动脱落或被降解的一种涂料。根据润湿性的不同分为超疏水自清洁和超亲水自清洁涂料。目前以真石漆为代表的外墙涂料发展正盛，但关于真石漆自清洁的研究和报道却较少。本文通过实验合成一种亲水苯丙聚合乳胶用于真石漆，具有良好的自清洁效果。
1 实验部分
1.1.1 实验原料及器材
实验所用原料及仪器如表1、表2所示。
1.1.2 乳液聚合反应机理
乳液聚合主要分4步进行。
第1步：分散阶段。乳化剂在水中形成胶束，加入单体后在搅拌作用下，部分形成单体珠滴，部分增溶在胶束中还有部分溶于水中，处于动态平衡状态。
第2步：成核阶段。加入引发剂过硫酸钠后，在反应温度下分解出初始自由基，自由基扩散至胶束中进行引发单体反应，并生成单体自由基。过硫酸钠热分解过程机理如下方程式所示：
第3步：乳胶粒长大阶段，聚合反应发生在乳胶粒中，单体珠滴通过水相扩散至乳胶粒中与单体自由基进行聚合反应，使乳胶粒长大。反应方程式如下：
第4步：反应完成，此时胶束和单体珠滴均消失，单体转化率达到大。
1.2 制备方法
1.2.1 乳胶制备流程
1.2.1.1 预乳化液的准备
预备单体A和预备单体B的准备：常温常压下将苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸丁酯混合搅拌10～20 min均制成500 g预备单体A，将丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酰胺混合搅拌10～20min制成500 g预备单体B。
按照乳胶配方(见表3)，先加入一定量的水和乳化剂，用搅拌机搅拌至乳化剂完全分散均匀；然后边搅拌边缓慢加入预备单体A和预备单体B以及功能单体；加料完毕后继续搅拌使预乳化液分散均匀。
1.2.1.2 种子乳胶
按照表3所列乳胶参考配方，在四口烧瓶中加入370 g水和1.5 g阴离子乳化剂作为釜底，然后取5%的预乳化液加入四口烧瓶中，用机械搅拌机搅拌至分散均匀，即为种子乳胶。
1.2.1.3 实验工艺过程
将种子乳胶升温至85 ℃，加入初始引发剂，待其反应15 min；然后滴加预乳化液Ⅰ，滴加速度6.67 g/min，滴加时间120 min；滴加完毕后在85 ℃保温0.5 h，然后滴加预乳化液Ⅱ，滴加速度8.58 g/min，滴加时间90min，滴加完毕升温至88～90 ℃保温1 h。后降温至50℃用氨水调节pH值至7～8，过滤出料。
1.2.2 自清洁真石漆的制备
自清洁真石漆的制备见表4。
1.3 检测方法
制板及养护：利用表4配方制备的真石漆按照按JG/T 24—2018《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》规定的方法喷涂制板2块，标准条件养护3 d。测试装置及器材符合GB/T 9780—2013中5.1要求。测试方法按照GB/T 9780—2013中5.4.1.3所述B法进行测试。按照GB/T9780—2013中5.4.2计算自清洁测试结果。为了方便展示实验结果，利用真石漆制板前后反射率下降率进行结果评估。
2 结果与讨论
2.1 乳化剂对自清洁效果的影响
在乳液聚合反应中乳化剂具有非常重要的作用，它能为乳液的聚合提供反应场所，直接影响着乳胶的各种性能参数，例如乳胶粒的数量和粒径、乳胶的稳定性等，乳化剂对乳胶的润湿性和亲水性也有很大的影响[3]。为了控制乳胶粒粒径，取1.5 g阴离子乳化剂置于釜底。具体乳化剂复配比例如表5所示，检测结果见表6。
从表6不同乳化体系的乳胶自清洁测试结果可以看出：非离子乳化剂的增加对自清洁效果提升不明显。当阴离子乳化剂占单体总量的0.5%以下时，随着阴离子乳化剂增加，乳胶的自清洁效果有明显的提高；当阴离子乳化剂用量大于0.5%时，继续增加阴离子的用量乳胶自清洁效果提升很小。这是因为当阴离子乳化剂用量较少时，乳胶粒外附着的乳化剂也少，乳胶粒亲水性不好，随着阴离子乳化剂的增加，包裹在乳胶粒外的乳化剂增多，乳胶整体亲水性增强，润湿性变好，附着在真石漆表面的污渍更容易被水带走。综上所述，本实验中阴离子乳化剂用量为0.5%，非离子乳化剂用量为0.1%时，制备的乳胶自清洁效果佳。
2.2 引发剂用量对自清洁效果的影响
引发剂用量对乳胶自清洁效果的影响如表7所示。
由表7可以看出，随着引发剂的增加，乳胶的自清洁效果先提高后又有所降低。这是因为乳胶的自清洁效果与乳胶所成膜的性能息息相关，乳胶成膜越致密，乳胶的自清洁效果就越好，而乳液的粒径又影响着乳胶的成膜性。随着引发剂用量的增加，反应生成的乳胶粒粒径先减小后保持平稳，引发剂用量过多时，聚反应过快，易产生大颗粒，乳胶的稳定性下降，当引发剂用量过少时，生成的乳胶粒数量较少，粒径和相对分子质量较大，低成膜温度较低。随着引发剂用量的增加，生成的乳胶粒数目增多，乳胶粒的粒径和相对分子质量都减小。乳胶的成膜过程是一种分子凝聚现象，是一个从颗粒相互接触变形到分子链相互贯穿的过程，粒径减小变形力增大，所以粒径变小更易成膜，所形成的膜也就越致密，自清洁效果也就会提高。当引发剂用量继续增加时，乳胶粒的粒径反而会有所增大导致成膜致密性降低，自清洁效果有所下降。
综上所述，本实验中引发剂用量为0.4%时，乳胶的自清洁效果佳。
2.3 壳段丙烯酸用量对乳胶自清洁效果的影响
壳段丙烯酸用量对乳胶自清洁效果的影响如表8所示。
由表8可以看出，随着壳段丙烯酸用量的不断增加，乳胶的自清洁效果逐渐提高。由于丙烯酸带有极性基团，所以它是一种极强的亲水物质，由于一端亲水一端亲油，所以丙烯酸在聚合反应中又带有乳化剂的作用，既能增加乳胶粒的数目又能使乳胶粒周围形成的水化层增厚，并提高乳胶所成涂膜的润湿性，附着在涂膜表面的污渍更容易被水冲走，达到自清洁效果。综上所述，本实验中壳段丙烯酸用量为2%时乳胶配制真石漆自清洁效果优。
2.4 乳液的玻璃化转变温度(Tg)对自清洁效果的影响
不同Tg对乳液自清洁效果的影响如表9所示。
由表9可以看出，随着乳胶Tg逐渐升高，乳胶自清洁效果先增加后有所降低。乳胶自清洁效果先增加的原因是：随着乳胶Tg的逐渐升高，乳胶所配制的真石漆形成的涂膜表面硬度、光洁度、致密性也就越高，而自清洁真石漆的基础就是涂膜的高硬度、高光洁度和高致密性。这样Tg升高必然就会带来好的自清洁效果。由于本实验中聚合物的Tg是通过苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸甲酯调节的，当聚合物Tg继续升高时，为了保持成本苯乙烯用量必然增大，聚合物开始变得逐渐疏水，涂膜对油性污染的抵抗能力减弱。另外Tg过高会导致涂膜开裂，而由于裂缝的存在导致灰尘等污染源藏匿其中难以被雨水、风等自然力量带走，自然就导致自清洁效果下降。
综上所述，本实验中聚合物的理论Tg为32.85 ℃时，乳胶所配真石漆的自清洁效果佳。
3 结 语
本文通过多次实验，探索了乳液聚合中乳化剂、引发剂和丙烯酸的用量对聚合物所配真石漆自清洁效果的影响以及不同的理论Tg对聚合物所配真石漆自清洁效果的影响，终确定聚合物反应乳化剂用量阴离子乳化剂为0.5%，非离子乳化剂为0.1%，引发剂用量为0.4%，壳段丙烯酸用量为2%，聚合物的理论Tg为32.85 ℃时，所制的乳胶自清洁性能佳。这种乳胶不仅自清洁效果突出，而且其他性能优秀，达到了国标的要求，是一款符合外墙涂料市场发展趋势的环境友好型乳胶。
