复合交联型JS 防水乳液的研制
刘毅，郑军，张士军，李晓飞
（保定光普化工研究所，河北保定071000）
0 引言
传统的防水材料(如油毡、沥青等)存在着污染环境、不易施工、耐候性差等缺陷。而随着人们健康、安全、环保意识的不断增强，防水材料的水性化趋势越来越明显。聚合物水泥防水涂料具有绿色环保、性能稳定、施工简便、强度高、耐冲击性强等优点，已成为建筑防水材料的主流产品。聚合物水泥防水涂料由聚合物乳液、粉料（水泥粉、钙粉等）及添加剂合理配合，混合搅拌均匀后，经无机粉料的水化反应及有机乳液的交联固化复合而成。聚合物乳液对聚合物水泥防水涂料的耐水性、弹性、韧性等综合性能起着决定性作用。只有提高乳液的品质，才能从根本上提高聚合物水泥防水涂料的性能，满足防水材料行业的发展需求。而用传统VAE 乳液配制的JS 防水涂料通常存在以下不足：液粉比大而弹性并不高，涂膜长期浸水后明显软化，强度下降，抗紫外线能力不强，耐候性差，一些产品在屋面暴露两三年后明显变硬，延伸率下降。
本研究所开展了以N-羟甲基丙烯酰胺、有机硅氧烷、丙烯酸-2-羟丙酯为交联单体对JS 乳液进行改性的研究，所得JS 乳液涂膜耐水性能好、黏结力强、抗拉强度高，可满足聚合物水泥防水涂料的要求，具有广阔的市场应用前景。
1 试验部分
1.1 主要原料
丙烯酸丁酯（BA）、丙烯酸（AA）、苯乙烯（St），北京东方化工厂；乳化剂CO-1220、乳化剂H-870、分散剂DA-02，上海光普化工有限公司；N-羟甲基丙烯酰胺（NMAM）、有机硅氧烷A-171、碳酸氢钠、过硫酸铵、叔丁基过氧化氢、吊白块，市售产品；去离子水，自制。所有原料均为工业级。
1.2 试验仪器
电热恒温水浴槽，精密增力电动搅拌器，恒温干燥箱，旋转式黏度计，电光分析天平。
1.3 乳液聚合工艺
1）单体预乳化过程：将去离子水、乳化剂CO-1220和全部BA、AA、St、NMAM、A-171，按顺序边搅拌边加入预乳化装置中，预乳化30 min 后取样检测，当呈现均匀乳白色液体状时为预乳化充分。
2）加入底料过程：将部分去离子水、乳化剂H-870和碳酸氢钠依次加入反应器中，持续升温至80 ℃。
2）加入底料过程：将部分去离子水、乳化剂H-870和碳酸氢钠依次加入反应器中，持续升温至80 ℃。
3）主体反应阶段：温度控制在80 ～ 85 ℃，同步匀速滴加全部预乳化液和部分过硫酸铵溶液，总滴加时间为2.5 h；然后于80 ～ 85 ℃保温1 h。
4）后消除阶段：保温结束后，降温至65 ～ 75 ℃，加入叔丁基过氧化氢溶液，5～10 min 后加入吊白块溶液；降至常温，调胶、过滤出料。
1.4 乳液的表征
1.4.1 固含量的测定
取2 g 乳液，在120 ℃烘干至恒重，记录烘干前后乳液聚合物的质量，计算固含量。
1.4.2 黏度的测定
根据GB/T 11175—2002，采用NDJ-1 旋转式黏度计，选择合适的转子测定乳液黏度。
1.5 JS 乳液性能的检测
1.5.1 耐水性的测定
将乳液涂在玻璃板上，在室温干燥48 h 后，成为透明胶膜。将玻璃板和胶膜一起浸入水中，观察胶膜的变化。浸泡48 h 后，基本不泛白且薄膜无皱皮、翘边、脱落现象，视为合格。
1.5.2 拉伸性的测定
参照JC/T 894《聚合物水泥防水涂料》测定。
1.5.3 冻融稳定性的测定
取50 g 乳液放置于100 mL 的玻璃杯中，在（-20±1）℃的冰箱中冷冻18 h，再于23 ℃下融化6 h，连续5 个循环，乳液不破乳，其冻融稳定性视为合格。
1.5.4 JS 乳液与水泥粉相溶性的测定
将水泥粉和乳液按照1 ∶ 1 质量比混合、搅拌均匀，所得浆料黏稠而细腻，流动性好，视为合格。
2 结果与讨论
2.1 JS 乳液的物化指标及性能。
JS 乳液的物化指标及性能见表1。
2.2 JS 型1.0 ∶ 1.2 防水涂料参考配方
液料：JS 乳液∶ 消泡剂质量比为100 ∶ 1；粉料：白水泥（425#）∶ 重钙（400）质量比为41 ∶ 82。
2.2.1 生产工序
1）液料：按配合比将液料混合均匀。要求目测均匀一致，不分层，无絮状物。
2）粉料：按配合比将粉料混合均匀。要求粉料各原材料无块状物，先通过60 目筛再使用。
2.2.2 施工工序
1）将液料和粉料按比例混合均匀。要求粉料在搅拌下缓慢加入液料中，混合时间约5 min。
2）将液、粉料混合好，分2 ~ 3 次涂覆，直至规定厚度，后道涂覆必须在前道涂覆实干后进行。注意液、粉料每次混合好后必须一次性用完，下道涂覆再重新混合。
2.2.3 实验室检验膜物理性能时注意事项
1）液、粉料混合和涂膜时勿混入气泡。
2）液、粉料必须混合分散均匀。为防止混合不均，应将混好的材料通过60 目筛网挤出。
3）必须将液、粉料混合好，分2 ~ 3 次涂覆至膜厚为1.5 mm，并且后道涂覆在前道涂膜实干后进行。涂膜物理性能见表2。
2.3 乳化剂对乳液合成的影响
乳化剂的种类和用量对乳液的稳定性可产生直接影响。阴离子型和非离子型乳化剂的配合使用，一方面可以提高乳液的聚合稳定性和贮存稳定性，另一方面有利于乳液与粉体的混合稳定性。试验表明：乳化剂的佳用量为乳液质量的0.85%。具体如下：H-870 乳化剂0.60%，全部加入釜底料中；CO-1220 乳化剂0.25%，预乳液中添加。
2.4 交联单体对乳液性能的影响
通过引入交联单体参与共聚反应，可以形成含有羧基、羟基、酰胺基和N-羟甲基等多种功能基团的聚合物链，这些含有功能基的聚合物链之间可发生多种交联反应，从而赋予乳液更高的内聚强度，显著提高黏结力和耐水性。
2.4.1 有机硅氧烷对防水乳液耐水性的影响
有机硅氧烷是由硅原子和氧原子交替构成稳定骨架（共基本结构单元是—Si—O—），与硅原子相连的为各种有机基团。由于有机硅氧烷特殊的分子结构，故使其具有优异的耐水、耐磨、耐高低温和耐化学腐蚀性能。又由于有机硅氧烷A-171 分子中含有双键，均可参与共聚反应。有机硅氧烷A-171 用量对聚合稳定性及耐水性的影响见表3。
试验表明，在防水乳液的聚合物主链上引入A-171 有机硅氧烷，可以提高耐水性能；但是随着用量的增加，凝胶也逐渐增多。当A-171 有机硅氧烷的用量超过单体总质量的0.7%时，防水乳液的涂膜浸水48 h后，基本不泛白，且涂膜无皱皮、翘边脱落现象。
2.4.2 NMAM 对乳液性能的影响
2.4.2 NMAM 对乳液性能的影响
防水乳液在聚合过程中，NMAM 作为共聚单体引入反应体系中，使共聚物链中形成N-羟甲基基团。在成膜过程中，N-羟甲基之间可发生缩合反应。试验证明，当NMAM 的用量是单体总量的2%时，复合交联可以显著地提高防水乳液的附着力、耐水性、耐碱性、抗拉伸强度和断裂伸长率等。
2.5 分散剂DA-02 对乳液与水泥粉混溶性的影响
在聚合物水泥防水涂料的生产过程中，水泥粉的分散是一个很重要的生产环节，其直接关系到防水涂料的贮运、施工、外观及涂膜的性能。水泥粉颗粒与水之间不能完全润湿而团聚，从而引起黏度增高。为了使水泥粉很好地分散在乳液中，在贮运过程中不产生沉降，必须加入适量的分散剂。分散剂DA-02 对乳液与水泥粉混溶性的影响见表4。
试验表明，加入分散剂DA-02 后，混合浆料的黏度明显降低，流动性好，易于施工。这是由于DA-02 分散剂加入到混合浆料中后，通过充分搅拌研磨，吸附在粉碎成细小微粒的颜料表面，使固体粒子表面形成双分子层结构, 外层分散剂极性端与水有较强亲合力,增加了固体粒子被水润湿的程度，固体颗粒之间因静电斥力和空间位阻效应而远离，防止分散了的固体粒子再度形成有害的絮凝，可保持分散体系处于稳定的悬浮状态。
3 结语
研究开发的JS 乳液项目已在国内成功投产，JS 乳液用于聚合物水泥防水涂料，所得产品绿色环保，性能优良，取得了良好的经济效益和社会效益。
