硅丙乳液外墙涂料的类型、配制和施工

李延升1, 徐伟玲2

( 1. 许昌学院化学系, 河南许昌461000;2. 许昌市职业技术学院建筑系, 河南许昌461000)

硅丙乳液外墙涂料是用有机硅改性丙烯酸酯乳液生产的外墙涂料. 它综合了丙烯酸乳液与有机硅乳液的特性, 具有较好的耐污染性和耐候性, 使用寿命长( 8~ 10a 以上) , 以水作分散介质, 对人体无害, 达到了?? 绿色环保涂料 的要求, 是溶剂型外墙涂料及高能耗、不安全、难以维护的外墙贴面砖和马赛克以及光污染严重的玻璃及金属幕墙的良好替代品.目前我国有许多大学、研究院、建材等专业生产厂对硅丙乳液外墙涂料进行了研究, 取得了一定的成果, 有一些型号的硅丙乳液外墙涂料进入市场. 但总的来说尚未完全解决有关的技术问题 .
 

1 硅丙乳液的类型及合成原理

硅丙乳液外墙涂料的乳液, 按照有机硅改性丙烯酸酯乳液的合成和使用方法, 分为物理改性法与化学改性法两类 .

1. 1 物理改性法

采用物理共混的方法, 即把有机硅乳液和丙烯酸酯乳液混拼. 这种方法工艺简单, 但乳液的稳定性差, 易发生相分离.究其原因, 主要是聚硅氧烷与聚丙烯酸酯的结构和极性相差大, 聚合物之间又没有化学键作用, 二者相容性差, 且聚硅氧烷表面能低, 因此出现相分离和聚硅氧烷向表面的迁移现象. 有人提出采用加入某些助剂的方法来提高两种乳液的相容性,但效果欠佳.

1. 2 化学改性法

化学改性法制得的硅丙乳液, 又分为接枝共聚法和嵌段或交替共聚法两类.

1. 2. 1 接枝共聚法

其反应机理大致是: 一方面, 有机硅分子链接枝到丙烯酸酯分子链上, 使相容性差的聚合物分子间形成化学键; 另一方面, 有机硅分子链接枝到丙烯酸酯分子链上形成机械缠结( 至于能否形成交联结构尚有争论) , 从而提高了两相之间的相容性, , 并在一定程度上控制了有机硅分子的表面迁移性和微观形态, 使有机硅的表面富集程度小于共混改性膜. 根据有关文献 的报道, 有关的实验过程是:

( 1) 把有机硅单体、保护胶、过硫酸铵( 或过硫酸钾) 和去离子水混合均匀, 得到预乳化液; ( 2) 再把( 甲基) 丙烯酸及其酯类、有机硅单体、乳化剂和去离子水搅拌均匀, 得到乳浊液; ( 3) 把乳浊液加热后, 按一定速度连续滴加到预乳化液中, 3 h 滴完; ( 4) 在70~ 80 oc 的温度下保温并进行接枝反应1 h, 经氨水中和、过滤, 即得带蓝光的乳白色有机硅丙烯酸乳液.实验用的有机硅单体采用乙烯基三甲氧基硅烷和八甲基环四硅氧烷. 在其他条件不变的情况下, 两者的比例为1:10.为增加两种单体的相容性, 采用三元复合乳化剂.

1. 2. 2 嵌段或交替共聚法

其反应机理大致是: 利用丙烯酸酯单体分子链的活泼官能团与硅氧烷的末端或侧基活泼官能团缩合反应, 完成有机硅的引入. 例如, 上海建筑科学研究院用苯基甲基二甲氧基硅烷进行阳离子催化重排制得硅醇中间体, 再使硅醇中间体末端羟基与含羟基的丙烯酸酯单体进行溶液共聚制得硅丙乳液外墙涂料. 有关的实验过程是: 将溶剂、丙烯酸酯单体、硅氧烷单体( 必须含有不饱和双键, 以利于聚合) 、引发剂加入到三口瓶中, 控制温度60~ 70oc 左右, 反应约10h 后将反应物降至室温, 即得硅丙乳液. 然后加入助剂、有机硅交联剂, 再用溶剂调节至合适的粘度及固体含量即得成品.两种化学改性方法的主要不同之处在于: 接枝共聚法以聚丙烯酸酯为主链, 聚硅氧烷为支链形成聚合物; 嵌段或交替共聚法使两者共同形成主链, 没有支链.两种化学改性反应中均会发生因丙烯酸酯单体自由基聚合而产生自动加速的链反应, 在反应初期放出大量的热, 使反应的控制难度增大. 对此应采取相应的措施, 如分批加料、加速散热等. 两种实验的共聚反应均符合共聚反应的普遍规律.三种改性方法的比较情况见表1.

2 硅丙乳液外墙涂料的配制

配制硅丙乳液外墙涂料时, 除了硅丙乳液外, 还须根据需要加入颜料、各种助剂( 包括复合成膜剂、增稠剂、防冻剂、削泡剂、杀虫剂等) 、pH 值调节剂等. 其工艺同其他外墙涂料的配制工艺基本相似, 也大致分为三个步骤 :
首先是制色浆( 以白浆为主) . 将分散剂、防霉剂、消泡剂等助剂和水等投入预混合罐中, 搅拌均匀. 在搅拌过程中加入钛白粉等颜料, 高速搅拌约20 min, 使颜料分散. 把浆料抽入砂磨机中研磨, 直至达到所要求的细度( 通常应小于70 m) , 以备出料用.

其次是基料的配制. 在配料罐中投入有机硅, 丙烯酸酯乳液类, 充分搅拌, 再用氨水将pH 值调至8. 0 左右. 在另外一个容器中将所用的其他助剂缓慢加入到已将pH 值调至正常值的乳液中, 再继续搅拌约15 min, 即得基料.最后将白色浆加入到装有基料的配料罐内, 边加边低速搅拌约15~ 20min, 直至完全搅匀后过滤出料. 如果要生产有色的涂料, 可以将白色浆及色浆同时加入到基料内.

配料所需的设备有无级变速搅拌机、砂磨机( 立式、开启式) 、不锈钢配料罐若干个、低速搅拌机( 应与配料罐配合) 、齿轮泵、砂浆搅拌机或捏合机、过滤用筛网、三混磨等.

工艺流程图大致如图1.

1. 预混合罐; 2. 高速搅拌机; 3. 砂磨机; 4. 配料罐; 5. 低速搅拌机; 6. 颜料浆储罐; 7. 产品容器; 8. 输料泵; 9. 阀门; 10. 筛网

图1 乳液涂料配制工艺流程

3 涂料施工工艺

涂料的涂装工艺对很好发挥硅丙乳液外墙的性能有很大关系. 涂料生产厂一般对此不够重视. 外墙涂装时, 应按照墙面的特点设计涂装工艺. 施工典型组合见图2.

施工方法:

( 1) 清除净被涂墙表面的油脂、灰尘, 旧墙面应将粉化剥落的漆膜剥去, 并用清水洗干净, 待干燥后再涂刷.

( 2) 若墙面已发霉, 则应先除去霉斑, 并用漂白粉或开水洗刷墙面数次, 再用清水冲净, 等墙面干燥后再涂刷.

( 3) 用聚乙烯醇胶拌325 号白水泥, 或耐寒水用腻子刮涂1~ 2 道至基面平整.

( 4) 使用抗碱底漆抗碱封闭.

( 5) 在5oc 以上, 空气湿度在85%以下, 采用喷、刷、滚等涂刷方法施工. 应涂刷两层, 两层施工时间间隔应在2h 以上.

( 6) 施工涂刷前, 新墙面夏季应干燥7 天以上, 冬季应干燥15 天以上, 待水泥砂浆干透后再施工, 否则有可能出现返碱现象. 另外在施工前还要把整个墙面因打磨而产生的浮灰擦拭干净, 然后测试基层的pH 值. 若pH 值> 10, 则表明底层碱性过高, 不宜施工, 否则也会产生返碱现象, 甚至使涂膜整块脱落.
 

4 硅丙乳液外墙涂料合成和配制中存在的问题

主要的问题是有机硅氧烷即有机硅单体在乳液聚合时易水解生成活性硅醇, 活性硅醇会进一步缩聚、交联, 形成大量的凝聚物而使主反应无法进行. 如何抑制硅氧烷的水解是必须考虑的问题. 解决这一问题可以从以下几个方面入手:

( 1) 采用不易水解的有机硅单体, 如乙二烯基氧基硅烷等. 当然应综合考虑其他因素.

( 2) 严格控制硅丙乳液的pH 值. 可用氨水乳液的pH 值控制在8. 0 左右.

( 3) 控制硅氧烷的用量. 有实验表明, 当硅氧烷的用量超过20% 时, 凝聚沉淀物明显增多; 但若有机硅氧烷的用量过小,乳液涂料的改性效果不显著. 故一般认为有机硅氧烷的用量以10~ 15%( wt%) 为宜.

( 4) 加入抑制硅氧烷水解的多元醇, 如乙二醇等.

( 5) 采用核壳乳液聚合工艺. 这是受核壳型苯丙乳液制备的启发而得出的方法 . 若此法成功, 则可能是使硅丙乳液电解质稳定最有效的手段. 其思路是: 将带乙烯基团的有机聚硅氧烷大分子与丙烯酸酯单体共聚, 再通过" 相翻转 "等特殊的后处理工艺制得硅丙乳液. 实验过程是: 在80oc左右的温度下, 把已经乳化的有机硅氧烷大分子、丙烯酸酯的软单体等组成的混合单体滴加到反应器中, 混合搅拌, 聚合反应形成" 核" , 再将丙烯酸酯硬单体滴加到反应器中, 形成乳胶的"壳" , 最后用氨水调节其pH 值使其达到要求.另外亦有文献[ 32] 报道, 采用核壳乳液聚合技术, 用有机硅橡胶乳液和丙烯酸酯共聚, 可以得到一种较大伸张率的弹性乳液. 其实验方法是: 将纯水、乳化剂、催化剂等按比例加到带有搅拌、回流冷凝器、温度计的反应器中, 强烈搅拌约30min, 升温至80~ 90oc , 保温约5h, 然后冷却至室温. 在带有回流冷凝器、温度计、滴加漏斗的圆底烧瓶内, 加入纯水、单体、乳化剂、催化剂等再升温至80oc , 用氮气置换约10 min, 使其在水相中乳化并交联成含有乙烯基的硅氧烷橡胶种子乳液, 然后开始滴加混合物, 在含有游离基引发剂的氧化还原体系中, 使烯类单体在硅氧烷橡胶种子乳液中接枝聚合, 得到以聚硅氧烷为核、丙烯酸酯为壳的核壳乳胶, 滴完后再保温熟化2 h, 冷却至室温, 用氨水调节pH 值至7~ 8.另外, 有机硅单体与丙烯酸单体相容性差, 聚合体系易发生相分离. 采用复合乳化剂可以较好地解决这一问题.
 

5 结语

硅丙乳液外墙涂料性能优异, 价格低廉, 其前景非常广阔. 若能解决有机硅改性丙烯酸乳液的技术问题, 它成为外墙涂料乃至整个建筑涂料市场的主流产品.