何美娟 成煬霈 张彩媚
（佛山市顺德区巴德富实业有限公司 ）
摘要：对水玻璃在内墙苯丙乳液中的稳定性进行了研究。通过对聚合物中酸的筛选,确定甲基丙烯酸甲酯与衣康酸体系对水玻璃的稳定性存在一定的帮助,当釜底阴离子乳化剂用量控制在0.25%,非离子乳化剂用量控制在0.5%,体系中水玻璃的添加量为45.0%时,漆膜的耐擦洗性能够达到新国标的要求。
0 引言
在我国，建筑涂料产量占整个涂料总产量的40%，内墙涂料产量则占建筑装饰涂料的70% 左右。随着人们生活水平的提高，消费者对产品性能的要求也随之提高。通过对比最新内墙涂料标准GB/T 9756—2018《合成树脂乳液内墙涂料》与原标准GB/T 9756—2009《合成树脂乳液内墙涂料》可以发现，新标准中内墙涂料合格品的耐擦洗次数由原先的≥ 300 次，提高至≥ 350 次。而对于企业来说，最大的挑战就是在确保漆膜性能能够达到新国标要求的基础上，还需保证涂料的成本不能太高。
为了提高产品的耐擦洗性，首先从成膜物质着手，成膜物质包括有机成膜物、无机成膜物、复合材料成膜物等。经典涂料体系中的乳液或其他树脂、聚合物均称为有机成膜物；无机成膜物分为气硬性胶凝物质、水硬性胶凝物质等一些无机物质。原材料成本相对比较低的水玻璃在正常的乳液体系中无法与聚合物直接共混，一旦共混则乳液体系要么立刻发生絮凝现象，要么在室温环境下发生固化现象。本研究通过对水玻璃在乳液中的稳定性的一系列探究，进而提升最终漆膜的耐擦洗性能。
1 试验部分
1.1 原材料
试验原材料见表1。
1.2 仪器设备
试验仪器及设备见表2。
1.3 乳液制备
1.3.1 参考配方
乳液制备的参考配方见表3。
注：乳液的最终固含量为（48±0.5）%。
1.3.2 预乳化液的制备
在预乳化缸中称取配方量的阴离子乳化剂、去离子水，将预乳化缸置于搅拌机中，待阴离子乳化剂完全溶解后，依次将配方量的苯乙烯、丙烯酸正丁酯、衣康酸倒入预乳化缸中进行搅拌分散，30 min后，停止搅拌，从预乳化缸中取出5% 的预乳化液置于小烧杯中，将剩余的预乳化液置于搅拌机中继续搅拌，并加入配方量的乙烯基三乙氧基硅烷，继续搅拌30 min。
1.3.3 种子乳液的制备
用烧杯称取配方量的阴离子乳化剂，加入一定量的去离子水，用玻璃棒搅拌，待阴离子乳化剂完全溶解后，将其水溶液倒入500 mL 四口烧瓶中，然后用釜底水进行多次冲洗，并留取少量的水作为洗水，再将碳酸氢钠投入釜底。
调节自动控温仪，使烧瓶内部的温度达到87~89 ℃，然后将之前预乳化缸中取出的5% 的预乳化液一次性倒入釜底，用预留的洗水进行冲洗，再将初引发剂一次性倒入釜底，并用预留的洗水进行冲洗，保温30 min，直至反应釜中的乳液外观变蓝，得到种子乳液。
1.3.4 乳液制备
种子乳液制备完成后，将预乳化液与引发剂同时滴加入反应釜中，滴加时间180 min，滴加过程中，釜内温度维持在87~89 ℃ ；滴加结束后，保温40 min ；然后降温至70~75 ℃，进行后处理，同时滴加氧化剂与还原剂，在30 min 内滴完，滴加过程中温度维持在70~75 ℃ ；再保温30 min 后降温至50 ℃以下，滴加中和剂，滴加时间30 min，然后保温10 min ；将非离子乳化剂投入反应釜中，搅拌10 min ；将水玻璃投入反应釜中，搅拌10 min ；最后过滤、出料。
1.4 性能检测
根据GB/T 9756—2018《合成树脂乳液内墙涂料》对涂料的耐擦洗性进行评估，最终确定自制乳液能否应用于内墙涂料中。涂料配方见表4。
注：体系的PVC（颜料体积浓度）为47.7%。
2 结果与讨论
2.1 聚合物中酸的种类对水玻璃稳定性的影响
本研究选用较为便宜、且在乳液聚合体系中经常用到的酸［丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、衣康酸（ITA）］进行试验。考察聚合物中酸的种类对水玻璃在涂料体系中的稳定性的影响（60 ℃热贮存7 d），结果见表5。
由表5 可知，体系中添加了丙烯酸的涂料，在60 ℃烘箱中热贮存7 d 后，发生结块现象，而甲基丙烯酸体系和衣康酸体系在热贮存后依然非常稳定，从原材料价格方面考虑，甲基丙烯酸的价格要高一些，因此后续的乳液合成试验中，以衣康酸作为聚合物体系的主要用酸。
水玻璃为碱性硅酸盐金属氧化物，具有极强的碱性与反应性，根据理论，需要通过提高聚合物体系的空间位阻来使水玻璃与聚合物混合后的体系稳定，相对于丙烯酸而言，甲基丙烯酸与衣康酸的位阻均比丙烯酸要大，在其他条件不变的情况下，通过增加位阻大的酸单体，可以使水玻璃在聚合物中的稳定性得到明显提升。
2.2 釜底乳化剂用量对水玻璃稳定性的影响
在不改变预乳化液中乳化剂用量的情况下，仅通过改变釜底乳化剂的用量，达到改变乳胶粒最终粒径的目的，设计试验4#~8#，进一步探究釜底乳化剂用量对水玻璃稳定性的影响，结果见表6。
由表6 可知，随着釜底乳化剂用量的增加，乳胶粒的粒径逐渐减小，乳液配制的涂料的热贮存稳定性则逐渐变差，即乳胶粒粒径越小，涂料的黏度越高。通常情况下，涂料贮存后的黏度相对于贮存前的黏度增加不能超过5 KU，如果黏度变化超过了5 KU，则体系的稳定性存在一定的问题。由表6 还可知，随着乳液粒径的降低，涂膜的耐擦洗次数提高。原因在于，随着釜底乳化剂用量的增加，乳胶粒的粒径逐渐减小，乳胶粒的数目则逐渐增加，单位体积中乳胶粒表面的乳化剂的分布降低，因此乳液的稳定性下降，导致涂料的热贮存稳定性下降。同时由于乳胶粒粒径降低，乳胶粒数目增加，乳胶粒能够更好地包裹在粉料的周围，导致涂膜在挤压成膜过程中更加致密，因此小粒径乳液所得涂膜的耐擦洗性更加优异。
综合考虑，釜底乳化剂用量以0.25% 为宜。
2.3 非离子乳化剂的用量对水玻璃稳定性的影响
固定上述试验结果，探究非离子乳化剂用量对水玻璃稳定性的影响，结果见表7。
由表7 可知，随着非离子乳化剂用量的增加，漆膜的耐擦洗次数先增加，随后又出现下降的趋势。原因在于，随着非离子乳化剂用量的增加，乳胶粒之间的空间位阻增加，乳液体系的稳定性逐渐增加，当非离子乳化剂的用量达到一定程度后，由于其亲水性较强，过量的非离子乳化剂对漆膜的耐水性造成了较大的影响，从而导致漆膜的耐擦洗性下降。
2.4 水玻璃用量对漆膜耐擦洗性的影响
虽然水玻璃属于气硬性胶凝材料，但是水玻璃的亲水性很强，如果漆膜在国标养护环境下水玻璃不能及时干燥的话，漆膜的耐擦洗性会非常差，设计试验14#~18#，对水玻璃的用量进行进一步探究，结果见表8。
由表8 可知，随着水玻璃用量的增加，漆膜的耐擦洗性呈现出先上升后下降的趋势。原因在于，在该体系中，30% 的水玻璃溶液的用量在45.0% 时，水玻璃恰好能够在国标养护环境下与漆膜同时干燥，因此水玻璃的用量低于45.0% 时，漆膜的耐擦洗次数呈现出随着水玻璃用量的增加而增加的趋势。当水玻璃的用量超过45.0% 时，由于体系中水玻璃的用量过多，在国标规定的时间范围内，已经不能完全干燥，如果想提升漆膜的耐擦洗性，则需要更长的时间去进行养护，因此当水玻璃用量超过45.0% 时，随着水玻璃用量的增加，漆膜的耐擦洗性呈现出递减的趋势。
3 结语
通过以上研究与试验可知，聚合物在衣康酸或甲基丙烯酸的体系下，当釜底阴离子乳化剂的用量为0.25%，并后添加0.5% 的非离子乳化剂，增加体系的空间位阻，可使水玻璃在乳液体系与涂料体系中稳定，在本研究的乳液配方中，当水玻璃的添加量为45.0% 时，漆膜的耐擦洗性能够满足新国标的要求。
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