一种快干型水性彩瓦涂料的制备

一种快干型水性彩瓦涂料的制备
解忠雷 邓跃全 李华玲 许春凤 付鹏 何江洪   西南科技大学材料科学与工程学院 四川绵阳621010 四川省德阳市产品质量监督检验所 四川德阳618000



近年来,我国的彩瓦涂料发展迅速,特别在我国“十一五”规划纲要提出“节能减排”以来,彩瓦这种低能耗、无污染的环保建材产品得到了推广和应用,彩瓦涂料行业也得到了前所未有的发展。随着人们环保意识不断增强,水性彩瓦涂料这种环保无毒的产品受到了人们的亲睐,已成为当前发展的趋势。但在常温( 25 ℃) 下,水性彩瓦涂料的表干时间较长,一般为 2 h 左右,不利于喷涂的施工进度。聚乙烯醇缩丁醛是一种热塑性树脂,简称PVB,一般的工业产品为白色粉末,主要应用于制造夹层玻璃、涂料及粘合剂等。在涂料工业主要用于制造防腐蚀涂料、金属底层涂料和防寒漆。粉状的 PVB 在常温下不溶于水,不适合于常温成膜的水性彩瓦涂料的制备。为获得可用于水性彩瓦涂料的液体状快干型聚乙烯醇缩丁醛树脂,本文通过对聚乙烯醇缩丁醛合成时反应的温度、催化剂盐酸加入量以及丁醛与聚乙烯醇配比的控制,结合苯丙乳液、颜填料以及进口助剂等,制备出一种快干型彩瓦涂料。对该快干型彩瓦涂料的表干时间及其基本性能进行了测试,并运用于灾后重建工程中。

1 实验部分
1. 1 原材料及设备
1. 1. 1 原材料
聚乙烯醇( PVA) 1788; 正丁醛( BA) ; 盐酸( 1:1) ; 氢氧化钠( ω ,4%) ; 尿素; 苯丙乳液; 金红石型钛白粉; 其它颜填料、助剂等。

1. 1. 2 设备
万用电炉( 型号DL - 1; 电压220 V; 功率1kW) ; JJ - 1 增力电动搅拌器; WMZK - 01 温度指示控制仪; NDJ - 5 流量杯粘度计; 250 mL 三口烧瓶;SDF400 实验室分散砂磨两用机; 耐洗刷仪; 秒表; 涂料刷等。

1. 2 聚乙烯醇缩丁醛的合成
1. 2. 1 反应原理
聚乙烯醇与正丁醛在酸作催化剂的条件下,发生缩醛反应,生成聚乙烯醇缩丁醛,反应式如下:

1. 2. 2 工艺流程[2]

1. 2. 3 合成步骤
( 1) 溶解: 在三口烧瓶中加入适量聚乙烯醇和蒸馏水,打开搅拌器,并打开电炉和温度控制仪,将溶液加热至95 ℃左右,使聚乙烯醇完全溶解,配成质量分数为8 % 的溶液。( 2) 缩合: 聚乙烯醇水溶液温度降到一定时,缓慢加入适量的正丁醛溶液,并滴加一定量的1:1 的盐酸,将pH 调至4 ~ 5 左右,使溶液呈弱酸性,再次打开电炉加热溶液使温度缓慢上升60 ℃,匀速搅拌并观察溶液的颜色,反应大约30 min 左右,当溶液微微有些泛白的时候立即滴加氢氧化钠溶液,将pH 调至9 ~ 10 左右,使溶液呈弱碱性,终止反应。( 3) 后期处理: 向溶液中加入适量的尿素与多余的正丁醛反应,并将聚合产物装瓶以待后面使用。测试干燥时间和粘度。

1. 3 彩瓦涂料的制备
1. 3. 1 彩瓦涂料的基本配方

1. 3. 2 生产工艺[4]
彩瓦涂料的生产工艺与传统的乳胶漆生产工艺相似,具体流程如下: ( 1) 分散: 先将水、防腐剂、防霉剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂等搅拌混合均匀,用pH 调节剂调节pH 值至8 ~ 9。( 2) 湿法砂磨: 加入颜料、金红石型钛白粉于卧式砂磨机中研磨。( 3)调漆: 分别加入乳液、聚乙烯醇缩丁醛及消泡剂等中速分散,最后根据黏度加入适量的增稠剂。( 4) 过滤包装。

1. 3. 3 性能测试
表干时间和其他基本性能参照GB /T 9755 -2001《合成树脂乳液外墙涂料》[5]进行测试。

2 结果与讨论
2. 1 条件实验
2. 1. 1 反应温度的选择
温度是影响反应速率和聚合程度的关键因素之一,最终会影响产品的粘度以及干燥时间。本文以出现白色固体絮状物为反应开始的标志,根据其出现时间的顺序来确定反应速率的快慢。实验结果如表2。

由表2 可知: 在60 ℃下加入正丁醛,当温度降至25 ℃左右时加入盐酸,8min 后溶液就微微泛白,之后便出现了大量的白色固体絮状物,证明反应过快; 在55 ℃下加入正丁醛,待温度降到20 ℃时加入盐酸,15 min 后溶液开始泛白,但是没有立刻出现白色固体絮状物,但反应还是有点快; 在55 ℃下加入正丁醛,待温度降到10 ℃左右才开始滴加盐酸,在这种条件下,反应了30 min 左右溶液开始泛白,使反应缓慢进行。

2. 1. 2 BA 与PVA 的配比
BA 与PVA 的理论质量比值应为0. 818[3],但为了降低产物气味,本文选取正丁醛与聚乙烯醇的配比分别0. 8,0. 7,0. 6,0. 5 和0. 4,然后分别加入0. 5%左右盐酸,温度控制在50 ~ 60 ℃之间。5 组产品的干燥时间、黏度以及刺激性气味如表3。
表3 不同配比正丁醛与聚乙烯醇下PVB 的基本性能

由表3 可知,当正丁醛与聚乙烯醇的配比为0. 4时,干燥时间较短,粘度也符合要求。而且研究发现加入的正丁醛与聚乙烯醇的配比为0. 8,0. 7 以及0. 6 时,得到的产品的气味较大,说明部分丁醛没有反应完全。

2. 1. 3 催化剂( 盐酸) 用量对产品的影响
实验过程中,在BA 与PVA 的配比为0. 4 情况下,分别加入了0. 8%,0. 7%,0. 6%,0. 5% 以及0. 4%的1:1 的盐酸,并对应测出缩合产物的干燥时间和粘度进行比较。结果如表4。
表4 不同量的盐酸( 1:1) 下PVB 的基本性能

由表4 可知,当加入1:1 的盐酸的量为反应体系的0. 8%,0 . 7%时,反应速度都太快,反应终点很难控制,容易出现聚合过度的情况,干燥时间也相对较长。当加入的盐酸的量达到反应体系的0. 6%,反应时间延长到15 min,但是发现终止反应( 即用氢氧化钠溶液滴定将pH 调到9 ~ 10) 很难控制,也容易出现聚合过度,而加入0. 4% 的盐酸时,反应时间太长。最后确定采用盐酸量为反应体系的0. 5%为宜,反应时间为30 min 左右。

2. 1. 4 快干型聚乙烯醇缩丁醛制备的优化条件
经过研究发现当正丁醛与聚乙烯醇的配比是0. 4,加入的盐酸量是反应体系的0. 5%,且在55 ℃时加入正丁醛,待温度降到10 ℃时再加入盐酸,然后缓慢加热升温至60 ℃,并维持温度,反应缓慢进行,这种条件下反应得到的聚乙烯醇缩丁醛树脂的干燥时间较短,黏度也合适。

2. 2 聚乙烯醇缩丁醛的加入量与彩瓦涂料表干时间的关系
笔者对水性彩瓦涂料加入聚乙烯醇缩丁醛树脂的量进行了研究,分别加入了质量分数为4%,6 %,8%, 10%, 12%的聚乙烯醇缩丁醛,该水性彩瓦涂料的表干时间如表5 所示。
表5 25 ℃下聚乙烯醇缩丁醛的加入量与彩瓦涂料的表干时间

由表5 可知,当聚乙烯醇缩丁醛树脂的加入量为8%时,水性彩瓦涂料的表干时间可达到20 min,且黏度适中。但随着加入量提高,其表干时间受影响不大,但其黏度已经超过了彩瓦涂料的要求,无法施工。

2. 2. 2 最佳工艺条件下制备的彩瓦涂料的性能
通过GB /T 9755 - 2001《合成树脂乳液外墙涂料》对加入8% 聚乙烯醇缩丁醛树脂制备的彩瓦涂料的基本性能进行了测试,其性能满足国标要求。表6 是彩瓦涂料的主要技术指标。

注: 检测结果由德阳产品质量监督检验所提供。

2. 2. 3 产品应用
该快干型彩瓦涂料已实现了产业化,并在汉旺中学等多项灾后重建工程中运用,施工面积达20 万余m2。

3 结论
( 1) 通过控制反应条件,合成了一种快干型聚乙烯醇缩丁醛树脂。其优化反应条件为正丁醛与聚乙烯醇的配比为0. 4; 盐酸( 1:1) 的加入量为反应体系的0. 5% ( 质量分数) ; 在55 ℃ 时加入正丁醛,待温度降到10 ℃时再加入盐酸,然后缓慢加热升温至60 ℃,并维持反应。( 2) 在25 ℃时,当聚乙烯醇缩丁醛的加入量( 质量分数) 为8% 时,制备的彩瓦涂料的表干时间可达20 min 左右。( 3) 该快干型水性彩瓦涂料已实现了产业化,在多项灾后重建工程中运用。

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