可再分散聚合物乳胶粉与建筑腻子粉

0 前言
在建筑工业领域, 单组份可再分散聚合物乳胶粉及由其改性的产品如腻子、干混砂浆等已为行业所接受,并正在大量推广使用。可再分散的聚合物乳胶粉,亦称可再乳化的聚合物胶粉, 是一种加水分散后能重新生成稳定的分散液, 并具有原来合成聚合物乳液性能的聚合物乳液胶粉, 它是由合成聚合物乳液通过喷雾干燥的方法而制备的1~2 。从上世纪五十年代起, 人们就开始采用聚合物分散液与水泥掺和以改进砂浆的各种性能,但均采用双组分体系,即粉料组分和液料组分, 在条件严酷的现场施工常常会带来许多不便。因此, 人们希望能有一种单组分体系来更方便地获得聚合物砂浆所拥有的优良性能, 可再分散聚合物乳胶粉的问世使这一希望变成现实。威凯化学品公司于1957 年率先研制出第一代醋酸乙烯型均聚物乳胶粉,随后又推出了醋酸乙烯- 乙烯共聚物乳胶粉。今天,随着市场需求,国民淀粉、威凯化学品公司等多家世界著名的化学品公司开始了对可再分散聚合物乳胶粉的研究,相继推出了丙烯酸系、苯乙烯- 丙烯酸系等多种不同性能的可再分散聚合物乳胶粉产品。

1 可再分散聚合物乳胶粉的性能及应用
目前市场上应用最多的聚合物乳胶粉大多由醋酸乙烯酯、乙烯、叔碳酸乙烯酯等单体在聚乙烯醇作保护胶下,通过乳液聚合得到母体乳液,再经喷雾干燥得到。作为可再分散聚合物乳胶粉, 首先它必须易于在水中和(或) 碱性水泥砂浆中重新分散, 其性能与母体聚合物乳液性能基本相同, 这是它能得以应用的前提条件。其次是可再分散聚合物乳胶粉应具有较好的贮藏稳定性, 在常规贮藏条件下, 聚合物胶粉不粘连, 保持良好的流动性。可再分散聚合物乳胶粉产品典型的性能如表1 所示。

可再分散聚合物乳胶粉目前主要是与水泥等无机胶结料一起使用,用于对混凝土、砂浆等进行改性以及作为粉末涂料和粉末粘结剂等。视具体的应用一般可以分为: (1) 应用于地坪,如地坪修补砂浆、自流平地坪砂浆、墙地砖粘结剂及密封砂浆等; (2) 应用于墙体,如建筑腻子粉、抹灰材料、隔热保温板粘结料、混凝土修补砂浆及勾缝剂等; (3) 应用于其它领域,如粉末涂料、粉末粘结剂等。其中,目前应用最为广泛的是将可再分散聚合物乳胶粉用于单组份建筑腻子粉和对干混水泥砂浆进行改性, 在应用于单组份建筑腻子粉和对干混水泥砂浆进行改性时,它有以下一些主要特性:
①在施工过程中可以增强对基材(水泥、木材、墙面等) 的粘结力, 增加粘结强度, 降低水泥固化收缩程度,有效地防止开裂。
②在施工过程中可以延长开放时间,提高保水性;在固化后可以提高疏水性,降低毛细孔的吸水量。
③在施工过程中可提高流动性和流平性, 增加和易性和可施工性,改善防脱落性;在固化后可提高内聚强度,改善耐久性,耐磨性,增加抗弯强度、提高抗冲击变形能力。
为制得理想的可再分散聚合物乳胶粉, 需要对聚合物乳液合成体系及喷雾干燥工艺进行严格的控制。

2 可再分散聚合物乳胶粉的制备
可再分散聚合物乳胶粉的制备通常可以分为两个步骤:母体聚合物乳液合成阶段和喷雾干燥阶段。
211 母体聚合物乳液的合成
可再分散聚合物乳胶粉的母体乳液可通过常规乳液聚合反应的方法制备。首先按照合成不同体系聚合物乳液的要求选择单体、乳化剂、引发剂及其它助剂, 如制备丙烯酸系可再分散聚合物乳胶粉可选用丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等单体, 制备苯乙烯- 丙烯酸可再分散聚合物乳胶粉就可选用苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等。其次按照常规乳液聚合方法选择适宜的乳化体系来合成可再分散聚合物乳胶粉的母体乳液。在这个过程中, 有两个问题需要特别注意: 一是聚合物乳液玻璃化温度( Tg) 的选择; 二是水溶性单体用量的选择。通常用于表面涂层及水泥砂浆改性的聚合物乳液的Tg 大都小于50 ℃, 而用喷雾干燥生产含水率为5 %以下的普通干燥度的粉体时需要把粉体出口温度设定为45 ℃以上, 但从所使用的聚合物乳液的物理性质上看, 如果空气出口温度高于聚合物乳液的Tg30 ℃时, 树脂粉体相互间就会发生粘连, 高于40 ℃时,聚合物乳液就会生成块状物。为此,需要把聚合物乳液的Tg 设定为5 ℃以上, 这样的聚合物乳液才可以被粉化;而从喷雾干燥工艺的要求来看,聚合物乳液的Tg 太低对喷雾不利。因此, 必须通过调整软硬单体的比例来设计可再分散聚合物乳胶粉母体乳液的适宜的玻璃化温度[2 ] 。制备一种理想的可再分散聚合物乳胶粉的最大困难是需在聚合物中掺入一定量的水敏性单体, 使其具有亲水性和(或) 对碱的敏感性, 从而也就改善了聚合物乳液的可再分散性。然而, 大量的水溶性单体的存在, 会降低其成膜后的耐水性, 而且在与水泥拌和使用时,会抑制水泥的水化,影响水泥的正常凝结。因此, 水溶性单体的用量对可再分散聚合物乳胶粉的性能起着关键作用。

212 聚合物乳胶粉的制备
聚合物乳液失水干燥时会成膜, 此成膜过程一般是不可逆的, 这一特性是它能改进普通砂浆应用性能的基础。因此, 在将聚合物乳液干燥制得可再分散聚合物乳胶粉时, 能够保持其成膜过程中可逆就成为技术的关键。为了解决这一技术难题, 分散体聚合物乳胶粒子一般用水溶性的保护胶体进行包覆, 该包覆层可以防止聚合物粒子之间不可逆聚结[1 ]。聚合物母体乳液在掺加规定量的保护胶体和抗结块剂后,通过控制雾化干燥塔的入口温度和出口温度,将混合物喷雾干燥成细微的可自由流动的粉末, 即制得可再分散聚合物乳胶粉。其加料速度由雾化干燥塔的出口温度决定,具体的干燥工艺过程如图1 所示。

在喷雾干燥过程中,也有两个问题必须注意:一是由于聚合物乳液的Tg 低于50 ℃,所以需要加入一种粉状的矿物分散剂(简称为抗结块剂) , 使其附着在经喷雾干燥形成的可再分散聚合物乳胶粉颗粒上, 阻止颗粒相互粘连, 从而保证颗料的可再乳化性及储存稳定性。二是关于雾化干燥塔的进出口温度的确定,当进口温度过高时, 会导致喷嘴处的物料因为迅速失水而在喷嘴处聚集, 使物料进料不畅; 当温度过低时, 由于风量的关系,会导致雾化干燥塔的出口温度过低,造成得到的可再分散聚合物乳胶粉的含水率过高, 对于出口温度, 它的大小与聚合物的Tg 直接有关, 同时又和粉料的含水率要求有关。因此,应综合考虑来确定雾化干燥塔的进口温度和出口温度。
3 可再分散聚合物乳胶粉在建筑腻子中的应用
使用建筑涂料来装饰建筑物的内外墙体已经越来越广泛, 但不少建筑物的涂料饰面经过一段时间的使用后,就出现了起皮、开裂、脱落等现象,破坏建筑物的整体美感。这种现象在全国各地随处可见,墙体饰面涂层的脱落已成为影响建筑装修工程质量的通病之一。造成上述现象的原因有很多, 其中墙体基层处理所用建筑腻子质量是关键因素, 腻子质量的优劣对涂膜的质量起决定性的作用[3~4 ] 。而目前在腻子市场,用量最大的建筑腻子绝大部分是液体状或者是胶液和粉料二组份,包装、运输费用大,单组分、高性能建筑腻子粉是解决这一问题的有效途径。单组分建筑腻子粉由可再分散性的水溶性树脂粉末、无机粉料及一些相关助剂和功能性助剂等经过充分混合搅拌,配制而成。单组分建筑腻子具有以下一些优点:
①可避免产品的既定应用性能差异, 施工应用时按比例加水即可;
②可减少包装和运输成本(省去水的运输) , 并可减少包装处理费用;
③具有很好的冻融稳定性, 无需考虑微生物的侵蚀作用;
④无有机物的挥发, 污染减少, 具有独特的环保优势。
可再分散聚合物乳胶粉与水泥等无机胶结料一起使用, 可用来提高建筑腻子(特别是外墙防水腻子) 、聚合物水泥砂浆等的综合性能, 其中特别是抗压强度、与其它基材的粘结强度、耐水性和可施工性能。

311 建筑腻子原材料选择
选用水泥作为建筑腻子的主要原材料,一方面作为水硬性粘结材料, 提高了腻子的粘结强度, 同时水泥和可再分散高分子聚合物混合使用, 在水溶液中, 其活性阳离子与可再分散高分子聚合物中的亲水性阴离子共同作用, 进一步提高了腻子的耐水性能。另一方面能起到增加腻子层厚度,减少施工难度的效果[5 ] 。考虑到腻子粘结强度及打磨性的平衡,一般选择强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥。仅采用水泥作为填料配制的腻子, 技术性能上难以满足工程装饰需要, 可在配方中加入复合填料来减小施工难度, 降低施工成本, 丰富涂膜的装饰效果。选择资源丰富、价格低廉的天然石英砂和碳
酸钙及其它的矿物质配制成一种复合粉, 当这种复合粉作为复合填料与水泥按一定比例配合使用时, 可以显著提高建筑腻子的表面强度、易施工性及其它综合性能[6 ] 。腻子是一种粘稠的膏状材料, 仅靠胶结料和填料来达到批刮所需的稠度, 既不经济, 批刮性也不能满足要求。在研制过程中, 可以使用有机增稠剂和无机增稠剂来降低成本和改善产品的批刮性。有机增稠剂选用甲基纤维素醚, 无机增稠剂则选用膨润土, 前者批刮性好, 但成本较高; 后者增稠效果显著, 成本低,触变性大,并能起到填料作用[7 ]。另外,为了提高腻子的保水性, 使批刮工序顺利进行, 同时保留充足的水分, 使水泥能充分水化, 从而增加腻子的粘结强度, 防止粉化现象的产生, 选择高性能的保水剂对腻子的保水性进行调节是很有必要的。

312 腻子配方及工艺
高性能外墙建筑腻子的基本配方见表2。建筑腻子的生产工艺很简单, 只要将基本原料混合均匀即可。最终得到的腻子产品运输、携带、使用方便,对环境友好, 质感细腻、耐碱、耐水, 批刮性能好, 其相关的技术性能如表3 所示, 均能满足相关国家和行业标准的要求。


4 结论
(1) 可再分散聚合物乳胶粉均匀性好, 性能稳定,是极具实用价值的一种乳胶粉,广泛应用于建筑腻子、水泥砂浆的改性。用以提高建筑腻子、水泥砂浆等的抗压强度、与其它基材的粘结强度、耐水性和可施工性。
(2) 可再分散聚合物乳胶粉研制的高性能、单组分固体建筑腻子既不开裂, 又具有良好的柔韧性和耐水性,与基材有良好的附着性能,能够确保涂料的长期装饰效果, 而且生产工艺简单、运输方便, 具有广阔的市场前景。

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