用 废聚苯乙烯泡沫塑料改性制备 水性防水涂料
魏庆莉，刘念，丁彩凤，孙道兴，张书圣
（青岛科技大学化学与分子工程学院，266042）
1 前 言
聚苯乙烯（PS）是一种无定型的线型聚合物，PS产品有普通聚苯乙烯塑料和聚苯乙烯泡沫塑料（PSF）之分，后者具有隔热、隔音、防震、防水、耐酸碱等特性，兼具质轻美观等优点，是世界上应用广泛的塑料之一，并且多为一次性使用，用后即成为废品。随着我国城市化进程的加快，城市垃圾的产生量急剧上升。我国目前仅电视机用PSF包装材料每年废弃量就达1.5万t以上，而用于一次性快餐饭盒的PSF废弃量就更为惊人。由于PS 的密度小（0.02～0.04g/cm3），因此，废弃以后所占的空间体积很大，且易燃烧，存在安全隐患问题；另外PS 发泡塑料的化学性质比较稳定，具有抗腐蚀，耐老化等特点，在自然界中不易老化腐烂，难于自然降解和被微生物降解，不为自然环境所亲和，而且废PS 本身带有各种有毒化学物质。填埋和焚烧是人们处理废弃PS常用的两种方法。然而这两种方法会造成资源浪费和严重的环境问题，由此产生的大量“白色垃圾”已成为当今环境保护的一大难题。若通过再生利用技术不仅可以消除其对环境的污染，而且还可以使它变废为宝。如可以利用废塑料和粉煤灰制做建筑用瓦、利用废聚苯乙烯泡沫塑料制做隔热保温材料、利用废泡沫塑料制做防水涂料等。本文就是选择合适的改性剂，以废PS发泡塑料为主的改性树脂乳液制备防水涂料。
2 实验部分
2.1 原料及仪器
原料：乙酸乙酯、乙酸丁酯（工业级）, 邻苯二甲酸二辛酯（化学纯）, N-羟甲基丙烯酰胺（化学纯,上海化学试剂公司）, 丙烯酸（AA）、丙烯酸羟乙酯（工业级）、丙烯酸丁酯（BA，化学纯，北京东方化工厂), 十二烷基苯磺酸钠（DBS，化学纯，莱阳化工实验厂），OP-10非离子表面活性剂（乳化剂，工业级），MS-1 阳离子表面活性（乳化剂，工业级），N- 甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（KH － 570，工业级 ）。
仪器：JJ-1 型 电动搅拌机（常州国华电器有限公司），N D J - 1 型旋转粘度计（上海天平仪器厂），QHQ 型涂膜铅笔划痕硬度仪（天津市森日达科技商贸有限公司 ），QFZ-II 型漆膜附着力测试仪（天津市科联材料试验厂）。
仪器：JJ-1 型 电动搅拌机（常州国华电器有限公司），N D J - 1 型旋转粘度计（上海天平仪器厂），QHQ 型涂膜铅笔划痕硬度仪（天津市森日达科技商贸有限公司 ），QFZ-II 型漆膜附着力测试仪（天津市科联材料试验厂）。
2.2 乳液防水涂料的制备
将废聚苯乙烯泡沫塑料用水洗净、晾干、粉碎，按一定比例加入到混合溶剂（无水乙醇、甲苯、汽油、乙酸乙酯）中，边加边搅拌，使其完全溶解，待成粘稠状后，再加入一定量的增塑剂邻苯二甲酸二辛酯，充分搅拌制成油相液。将该油相液倒入装有电动搅拌器、回流冷凝管的500mL 四口烧瓶中（置于有控温装置的水浴中），在一定温度下（40℃）恒温充分溶解1h后 ，升温至55℃加入一定量(3.3%）的乳化剂 DBS、OP-10 或MS-1，快速搅拌均匀，然后在激烈搅拌下慢慢加入一定量的水得到乳白色水包油（O/W）型乳状初级防水涂料。
2.2.1 改性工艺
将上述乳液初级防水涂料温度升至(70～75)℃,分别滴加有机硅单体硅烷偶联剂(KH-570)1%～2%和丙烯酸(AA) 3 ％、丙烯酸羟乙酯4%、N-羟甲基丙烯酰胺4%，(1～1.5)h滴完，然后保温(1～2)h，降温至40℃出料，得到成品涂料。
2.2.2 涂料技术性能
(1)耐水性的测试
取(0.3～0.4)g的涂料均匀涂在(6×4)cm的玻璃片上，晾干后再在50℃烘箱中烘2h,将玻璃片边缘用蜡封住放入水中，开始每10min 观察一次，1h 后每30min 观察一次，三次之后每1h观察一次，后每天观察一次，详细记录观察结果，判断其耐水性能。
(2)粘度的测试
(2)粘度的测试
根据GB1723-79 采用NDJ-1 型旋转粘度计测试防水涂料乳液的粘度。
(3)吸水率的测试
取下玻璃片上已涂好的干燥涂膜，称重，浸入蒸馏水中72h，取出后用滤纸吸干膜表面，称重，计算吸水率。
吸水率= 所吸水的重量/ 干燥涂膜重量× 100%
(4)涂膜硬度的测试
根据GB6739-86 采用QHQ- 型涂膜铅笔划痕硬度仪测试干燥的膜片硬度。
3 结果与讨论
3.1 乳化温度对涂料性能的影响
乳化是一个需要外界向体系输送能量的过程，而保持一定的乳化反应温度是决定乳液稳定性的一个重要因素。反应温度过高，由于分子热运动的过分加剧，而引起“破乳”现象。
按2.2的合成工艺，每次将6.9g PS泡沫溶入10g混合溶剂中，溶解后加入增塑剂1.72g、乳化剂1.0g、水7.6g，在(20～80)℃的不同温度下分别进行试验，制备防水涂料，并对涂料表干时间和耐水性进行测试，结果如表1 所示。
从表1 可以看出，随着反应温度的升高，涂料耐水时间延长，当反应温度为(50～55)℃时，耐水性好;反应温度再升高，耐水性反而更差，说明反应温度过低或过高对防水涂料的耐水性都不利；另外，在(50～55)℃时，涂料表面干燥时间相对稍长一些，但综合考虑，选择反应温度为(50～55)℃。
3.2 混合溶剂用量对涂料性能的影响
按上述配比，反应温度为(50～55)℃，在(6～25)g仅改变混合溶剂的用量，分别进行试验，并对涂料表干时间和耐水性进行测试，其结果如表2所示。
从表2 可以看出，随着混合溶剂用量的增加，涂料干燥时间延长，而耐水时间先增加后缩短，而后又稍有延长；混合溶剂越少干燥时间越短，但此时涂膜的耐水性太差。综合考虑，混合溶剂用量为10g，涂膜干燥时间短，耐水性能好。
3.3 增塑剂用量对涂料性能的影响
增塑剂可以改变涂膜的韧性，它能降低玻璃化温度，使高弹性在较低温度下出现，改变涂膜的附着力、柔韧性等。 反应温度在(50～55)℃下，对加入(1.5～2.0)g 增塑剂分别进行试验，其涂料的表干时间和耐水性结果如表3 所示。
从表3可以看出，增塑剂用量为1.7g时，耐水时间长；增塑剂用量再增大时，涂料耐水时间反而缩短。说明增塑剂用量过多或过少对所得防水涂料的性能均不利，通过坐标作图选择增塑剂用量为1.72g。
3.4 乳化剂用量对涂料性能的影响
3.4 乳化剂用量对涂料性能的影响
按前面所讨论的佳配比与条件制备防水涂料，在(0.5～2.5)g仅改变乳化剂的用量，分别进行试验，并对涂料表干时间和耐水性进行测试，其结果如表4所示。
从表4可以看出，当乳化剂用量为1.0g时，涂料的耐水时间长。随着乳化剂用量的增多，耐水时间先延长后缩短。虽然在乳化剂用量为1.0g时干燥时间相对较长，但相对而言是可行的，于是综合考虑选择乳化剂用量为1.0g。
3.5 有机硅用量对涂料性能的影响
3.5 有机硅用量对涂料性能的影响
聚苯乙烯是一种弱极性刚性链高分子，耐水、耐酸碱性强，但其硬度大、强度小，单独作为成膜物时附着力差，且膜脆[6]，与其它极性强的高分子或无机填料相容性不好，因此，在废聚苯乙烯泡沫塑料（PSF）的回收利用中，必须对其进行改性，以提高回收的利用价值。聚苯乙烯改性是依赖接枝上去的单体化学性质或物理性质来实现的，即在非极性或弱极性链上接入极性官能团。聚苯乙烯（PS）结构中苯环所对应碳原子上的氢较活泼，因此可利用引发剂攻击此氢产生激活点形成自由基，高分子自由基引发活泼单体丙烯酸、丙烯酸丁酯、N- 羟甲基丙烯酰胺发生自由基共聚反应，在PS的分子链上形成一些含极性基团如羧基、酯基等侧链，这样可以提高PS 涂料成膜物的附着力和柔韧性。另外，在PS 表面接枝低表面能硅烷偶联剂，可改善该涂料的耐水性、耐沾污性等，使其综合性能大大提高。为使涂膜在耐水性和稳定性方面得到改善，以不同用量有机硅偶联剂（KH-570）对涂料进行改性，其试验结果如表5 所示。
由表5 可见，在一定配方下，随着有机硅含量的增加，涂膜的耐水性提高，超过2% 时，其耐水性提高不大，涂料稳定性降低，而有机硅偶联剂的用量2%时效果佳。
3.6 活性单体对涂料性能的影响
为使涂膜的附着力和强度得到相应的改善，实验中加入丙烯酸、丙烯酸丁酯等活性单体进行改性，活性单体对涂料附着力和强度的影响其结果如6所示。
注：未加任何单体时涂膜附着力为7 级，强度为4B。表中A 为丙烯酸，B 为丙烯酸羟乙酯，N 为N- 羟甲基丙烯酰胺。
由表6可见，加入混合活性单体后涂膜的附着力和强度均得到较大的提高，若只加入某一种活性单体时，改善的效果不明显，这是因为活性单体与PS 发生的是自由基共聚反应，单一活性单体所形成的自由基参与自由基共聚反应的效率不如混合单体自由基参与自由基共聚反应效率高，因此实验中选择混合活性单体进行改性。
4 结 论
(1) 废聚苯乙烯泡沫塑料可以制成水乳型防水涂料。制备防水涂料的佳配方为泡沫塑料100g、混合溶剂145g、增塑剂（邻苯二甲酸二辛酯）25.5g、乳化剂13g、水110g、有机硅单体12%、KH-570 1%、AA 3%、N- 羟甲基丙烯酰胺 4%、羟乙酯4%，其反应温度为(70～75)℃，反应时间为(2～3)h。按此配方和条件制备的防水涂料是一种均匀的乳白色液体，无结皮，粘度为67mPa·s；干燥时间为15min；耐水时间>360h，是较理想的水乳型防水涂料。
(2) 涂料生产工艺简单，施工前可根据实际需要用水调节粘度，化学性质稳定，价格低廉；它可代替防潮油用于瓦楞纸箱，还可用于纤维板的防水。
