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可再分散聚合物乳胶粉的性能及其应用

来源：99网

第36卷第10期2006年10月涂料工业

PAINT&COATINGSINDUSTRYVol.36　No.10

Oct.2006

可再分散聚合物乳胶粉的性能及其应用

张心亚,黄　洪,黎永津,蓝仁华,陈焕钦

(华南理工大学化工与能源学院化工研究所,广州,5101)

　　摘　要:介绍了可再分散聚合物乳胶粉的性能、市场现状及改性机理,重点讨论了可再分散聚合物乳胶粉在建筑腻子、自流平地坪材料、外墙外保温及饰面系统、外墙外保温系统、灰膏、瓷砖粘结剂和零VOC干粉涂料中的应用。

关键词:可再分散聚合物乳胶粉;改性机理;性能;应用

中图分类号:TQ63017　　文献标识码:A　　文章编号:0253-4312(2006)10-0043-04

AdvanceonApplicationsandPropertiesofRedisperablePolymerPowderZhangXinya,HuangHong,LiYongjin,LanRenhua,ChenHuanqin

(ResearchInstituteofChemicalTechnology,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou5100,China)

　　Abstract:Theproperties,performanceandmodificationmechanismofredieperablepolymerpowderare

introduced.Applicationofredispersiblepolymerpowdersuchasarchitectureputty,selfflowingfloormateri2al,externalthermalinsulationcompositesystems,cementandconcretecomposites,ceramictileadhesiveandVOC-freepowdercoatingsareemphasized.

　　KeyWords:redispersiblepolymericpowder;modificationmechanism;properties;application

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。随着市场需求的不断扩大,国民淀粉、瓦克化学品公司等多家世界大公司投入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-丙烯酸系多种不同的可再分散聚合物乳胶粉。目前,世界较大的可再分散乳胶粉生产商主要有德国的HoechstAG公司、Wacker-ChemieGmbh公司、法国的Rhodia公司、瑞士的Ebnother公司、美国的Natinon2

alStarch和AirProducts等。而目前,国内市场上的可再分散

0　引　言

可再分散聚合物乳胶粉(WaterRedispersiblePolymerPow2

der)是一种加水能重新分散在水中,生成稳定的分散液,并具

有原来聚合物乳液性能的聚合物乳胶粉[1-2]。它是由含有保护胶体的聚合物水分散体通过喷雾干燥、冷冻干燥或者旋转闪蒸等工艺脱水粉化制备而成[3-5]。用于制备可再分散乳胶粉的聚合物水分散体的聚合物粒子直径范围在10～200nm,所形成的聚合物粉末视工艺不同从几个微米到上百个微米不等,每一个粉末颗粒包含有数以百万计的聚合物分散体小粒子,小粒子之间存在着足量的微粒状或层状的保护胶体,使之形成一种固态单分散的状态。

水可再分散聚合物乳胶粉根据用途可以分为2类:一类是重新分散后在常温下不可成膜的可再分散聚合物乳胶粉,主要用于水泥或水泥砂浆的改性,改善最终制品的弹性,减少开裂的倾向;另一类是重新分散后在常温下可以成膜的可再分散聚合物乳胶粉,可以作为零VOC再分散干粉涂料、水泥基瓷砖粘结剂的成膜物质或辅助成膜物质。

聚合物乳胶粉绝大部分依赖于国外进口,国内只有少许厂家生产部分品种。

　　作为可再分散的聚合物乳胶粉,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;其次是可再分散的聚合物乳胶粉应具有较好的贮存稳定性,在常规贮存条件下,聚合物胶粉不粘连,保持良好的流动性。与传统乳液相

比,可再分散乳胶粉具有突出的优点:(1)贮存稳定性好、贮存期长、不会因冻结或水分挥发而变质;(2)包装简单、体积小、质量轻而运输成本低;(3)使用方便,可以与水泥、石膏等其他原料方便地随意调和。可再分散聚合物乳胶粉产品典型的性能已有报道[6-7]。

可再分散聚合物乳胶粉目前主要是与水泥等无机粘结料一起使用,用于对混凝土、水泥砂浆等进行改性以及粉末涂料

1　可再分散聚合物乳胶粉的性能

德国瓦克化学品公司于1957年率先研制出第一代醋酸

作者简介:张心亚(1974—),男,讲师,博士,主要从事聚合物乳液合成及其相关产品的研究。

张心亚,等:可再分散聚合物乳胶粉的性能及其应用

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)应用于其他领域,如粉末涂料、粉末粘结剂等。在上述应用中,可再分散聚合物乳胶粉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)在施工过程中提高流动性和流平性,增加可施工性,改善防脱落性;在固化后提高内聚强度,改善耐久性,耐磨性,增加抗挠性、提高耐冲击形变能力。(4)具有更好的柔韧性,尤其在外墙使用时这一性能具有极为重要的作用。

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。可再分散的聚合物胶粉在配方中的作用是将水泥、重质碳酸钙、轻质碳酸钙和石英砂等填料组成的骨料有效地粘合起来,在干燥后形成具有一定强度和弹性的、具有微多孔结构的建筑腻子。用可再分散聚合物乳胶粉改性制备的单组分建筑腻子粉具有以下优点[8-9]:(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调配即可;(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,无需要考虑微生物的侵蚀因素;(4)具有独特的环保优势,无有机物的挥发,污染减少。

配方中可再分散的聚合物胶粉的用量直接关系到抹平胶的性能,其用量过低会影响抹平胶的强度和弹性,过高又会影响抹平胶的硬度并增加成本,可视墙体材质的不同而取适当的用量。2　可再分散聚合物乳胶粉的作用

可再分散的聚合物乳胶粉,其主要是与水泥等无机粘结料一起使用,水泥在凝结固化过程中,内部会产生许多空腔成为水泥基体的薄弱部位。加入可再分散聚合物乳胶粉后,水泥凝结固化的同时,乳胶粉遇水立即分散为乳液,并聚集于富水区域(即空腔中),随着干燥过程的进行,乳液再次脱水,聚合物在空腔四周形成了一层连续的薄膜,加强了这些薄弱部位。此时聚合物薄膜既能起到疏水作用,又不会堵塞毛细管,使材料具有良好的疏水性和透气性。

可再分散聚合物乳胶粉是一类玻璃化温度低于30℃的热塑性树脂,属于低抗压强度的材料。一般来说,在刚性水泥基质中加入(柔性)聚合物必然会降低抗压强度,但由于干粉砂浆混合料加水搅拌时,聚合物颗粒自行分散使砂浆组分单独流动,同时对空气产生诱导效应,赋予砂浆可压缩性,不仅改善了砂浆的易施工性,还降低了水泥基体的含气量,使空隙率下降。因砂浆的抗压强度主要取决于体系的空隙率,空隙率降低必然会提高抗压强度;柔性聚合物的加入提高了刚性水泥基体的变形能力;且聚合物用量越大,赋予材料的变形能力也越大,吸收应力的能力也就越大,可有效防止微裂缝在水泥基体内部出现,使抗弯强度和粘结强度大大提高;可再分散聚合物乳胶粉改性砂浆的防水性,主要归因于砂浆中的微观空隙被聚合物填充或被连续的聚合物膜封闭。

3.2　自流平地坪材料

如何能快速、经济、有效地得到平整、牢固的地坪一直是建筑业的一个课题。1957年由德国瓦克化学品公司首次成功开发出粉状聚合物————VINNAPAS可再分散胶粉,并且在

1969年首次生产出专用于自流平地坪材料的可再分散乳胶粉

后,使得生产靠自身流动性自主找平的新型干混砂浆“自流平地坪砂浆”在技术上成为可能。所谓自流平地坪材料,一般是基于水泥或无水石膏,经高度复配而成的水凝硬性复合材料,将其加入水调成浆倾倒于地面上,会像水一样地流平开来,从而能将整个地面自动找平并形成极其光滑的表面。经可再分散乳胶粉改性的自流平地坪材料,在多种性能方面已远远超过了传统地面找平砂浆。较好的自流平材料主要应具备以下性能[10-11]:(1)与水混合后,在不离析条件下的良好流动性;合理的可施工与自流平时间;快速干固的特性。(2)干固后具有符合设计要求的承载能力;与底层优良的粘结力;弹性模量的匹配性与适当柔性(抗弯折力);良好的内聚力与耐磨性;收缩匹配性与低收缩;室内应用的环保特性(低挥发有机物含量)。目前,欧洲已将自流平地坪材料归入最新制定的地坪砂浆标准(ENDIN13813:2002)。

可再分散乳胶粉用于自流平地坪材料,不仅用来提高这类地坪材料的机械性能,同时与其他添加剂如甲基纤维素醚和高效减水剂共同作为流变改良剂以提高砂浆的流动性,降低泌水性和沉析。实验证实,在任何水泥地坪材料中加入可再分散乳胶粉所能获得的优点,对于自流平水泥地坪材料,由于其施工厚度薄以及流动性的更高要求,就更加依赖于加入合适的聚合物。可再分散乳胶粉能提高抗挠强度、抗拉强度、耐磨性和粘附力。另外与其他添加剂协同作用,也起到流变改良剂的作用。单组分的干混砂浆自流平地坪材料则具有更多的优势[12]:易于现场使用,减少了现场失误率,降低了劳动成本、包装成本、分销成本,贮存时没有霜冻危险以及与其他工业地坪材料相比无环境污染问题等。这些优势使得自流平水泥地坪材料能得以迅速推广应用。可再分散乳胶粉能保证自流平水泥地坪材料具有可控及稳定的质量,同时保证了施

3　可再分散聚合物乳胶粉的应用

3.1　建筑腻子

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。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的好坏是关键因素,腻子质量的好坏对涂膜的质量起决定性的作用。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组合物,包装、运输费用大,而用可再分散聚合物乳胶粉改性制备的单组分、高性能建筑腻子粉是解决这一问题的最有效途径之一。

张心亚,等:可再分散聚合物乳胶粉的性能及其应用

工的高质量和安全性。

发现:采用含乙烯的共聚物或多聚物可以实现对诸如EPS板等难粘面的粘结,同时乙烯聚合物具有很好的柔韧性与完全不皂化性(在强碱环境下聚合物降解)。

3.3　外墙外保温及饰面系统

从20世纪70年代初开始,外墙外保温及饰面系统(以下简称EIFS)在德国得到应用。进入20世纪90年代,该系统受到越来越广泛的欢迎,这主要是由于EIFS具有节约能源、可构筑更健康的居住环境、其安装较少破坏建筑物的结构、可降低整体建筑成本等特点。就EIFS的使用面积来看,德国居世界第一,其次是美国。

一般来说,EIFS可以采用各种不同种类的粘结剂。20世纪70年代使用最多的是以聚合物乳液为基料的即用型粘结剂,但这种粘结剂在施工现场由于操作不当会导致许多质量上的问题,特别是在将其与水泥和水混合的时候,常常由于聚合物和水泥的混合比例不当,引起EIFS施工中经常出现质量问题。采用双组分体系时,即将聚合物乳液与水的混合物在施工现场与水泥和砂混合,也有同样的问题存在。而使用聚合物改性的干混砂浆(即单组分体系)则要比使用双组分体系优越得多,其优越性主要体现在贮存和运输的方便及施工的可靠性等几个方面。由于单组分体系的各种配料都已经预先在工厂中混合好,完全避免了现场混料错误的发生。可再分散乳胶粉能明显地改善EIFS各方面的性能和品质。实验结果表明

[13]

3.5　灰膏

用无机粘结剂制成的内外墙饰面材料———灰膏是最古老的装饰材料之一。灰膏是以水泥为基本成分的装饰用砂浆,在欧洲广泛替代涂料、瓷砖,用作建筑物外装饰材料,具有外观好、成本低及易操作等特点。灰膏一直受欢迎是因为它的涂层相对较厚(2～3mm),可加工成各种风格的纹理表面;同时,使用水泥作为主要粘结剂,使灰膏的价格在大众用途的材料中极具竞争力。

40多年以前,Wacker化学公司将可再分散乳胶粉(以下

简称VRP)加入灰膏作为第二粘结剂,制得了新型改性灰膏,具有如下优点[16]:(1)使用水泥作主要粘结剂,其成本低于涂料和瓷砖。(2)施工方法多样化,可用手工操作或机械喷涂等方法,因此,可获得不同的纹理和风格。尤其对于较大面积的涂层,与均匀的涂料涂层相比,总体上产生一种更舒服的效果。(3)灰膏可着以各种适合外墙使用的浅色。(4)不但可防水,而且还可透气。与其它材料不同,灰膏具有开孔结构,这使材质中的湿气得以挥发出来,而不会凝结在墙内,保证了良好的居住环境。通过加入疏水性可再分散乳胶粉,灰膏在保留了开孔结构优点的同时,其疏水性及抗震性都明显提高,可以透气而又可防止水的渗入。(5)使用水为介质,无污染。

(6)唯一需丢弃的是包装桶,因此产生垃圾少。(7)添加特殊

:使用合适的憎水性可再分散乳胶粉可以提高防护

层与EPS板之间的粘结性,并且极大地改善系统的机械稳定性(柔韧,不开裂);具有憎水性的低Tg可再分散乳胶粉的综合性能良好。另外,可再分散乳胶粉能使改性水泥砂浆的憎水性均匀分布,从而使底层的吸水率下降。

填料可制成隔热灰膏。

3.4　外墙外保温系统

20世纪60年代以来,外墙外保温系统(externalthermalinsulationcompositesystems,ETICS)得到了越来越广泛的应用。

3.6　瓷砖粘结剂

瓷砖具有美学功能的耐久性。然而近百年来,瓷砖在外

部的应用在多数国家已退居次要地位,仅在潮湿房间(如:浴室、盥洗室、厨房等)的应用仍占主导地位。导致这一发展趋势的原因首先在于瓷砖胶粘剂的质量欠佳,以及采用所谓“厚层技术”的传统粘贴方法,导致高劳动强度和需要熟练泥瓦工。当今,欧美的瓷砖粘贴方法几乎全部以采用“薄层技术”为基础,目前这种新粘贴方法在全球也越来越普及,这种薄层铺贴技术需要先进的专用瓷砖胶粘剂系统。

几乎所有的瓷砖胶粘剂均以水泥作为主要的粘合剂。传统粘贴工艺通常是在建筑工地上将水泥和砂子按不同的比例混合,这种混合比例(在一定限度内)的确定主要是按照当地施工技术而非根据技术合理性。但这种砂浆混合方式用于薄层技术时将存在问题。涂覆层较薄致使水渗入基材而导致水较快损耗以及因蒸发造成损耗,因此砂浆内必须掺入添加剂。通常添加剂是以液态直接加入到砂浆中(即所谓的双组分体系),现在这种方法已几乎不被采用了。其主要原因是:计量精度不够;掺加价格相对较高的添加剂存在浪费的可能;某些添加剂仅可购得液态产品,因而有霜冻的危险。原先只可购得砂浆液态添加剂,直到1958年瓦克化学品有限公司开发成功的适用建筑工地的可再分散乳胶粉才第一次可以购得其粉末状添加剂。

目前在欧洲,为了满足较高的质量要求,90%以上的水泥

在德国,从1973—1993年,约有3亿m2的建筑使用了外墙外保温系统,节省了约180亿L的加热油,仅1年就减少了相当于100万辆汽车行驶10000km所排放的CO2量。在美国,外墙外保温体系在1997年的面积为6亿m2,占整个外墙施工面积的22%,并且以每年12%～18%的速度增长。促使ETICS发展的主要因素有:节约能源,在所有外墙保温系统中效率最高;内墙温度高且干燥,室内冬暖夏凉;保护建筑物免受损害(墙体温差变化小,无结露潮湿问题);可降低外墙厚度,降低建筑成本,增加楼层空间;减少温室气体排放;隔音效果好;保护墙内钢筋不发生锈蚀。

在欧洲,20世纪60年代施工的外墙外保温体系至今仍然保持良好的性能。这种长期的稳定性只有在整个系统的每一组成部分都能完美地适合其他部分的情况下才得以保证。从整个体系的长期使用情况来看,粘结层与防护层的性能好坏是影响整个体系稳定性的关键因素。粘结层要确保粘结剂对墙面和EPS板的粘结力都非常好。对墙面的粘结,用一定量的水泥就很容易达到要求。但粘结EPS板必须加入适当的聚合物[14-15]。在20世纪70年代,多用液态聚合物乳液在现场混合水泥、砂用于粘结。由于乳液与水泥、砂的配比常易出错误,造成表面开裂甚至粘结失效。瓦克公司通过多年的实验

张心亚,等:可再分散聚合物乳胶粉的性能及其应用

瓷砖胶粘剂已由生产厂家混合好(称为单组分体系,亦称干混砂浆)。除砂子和水泥外,最主要的添加剂是水保留剂和致韧性聚合物。它们一方面促使更多地保留水,另一方面使砂浆层达到足够的韧性。干混砂浆在建筑工地仅需掺入达到期望稠度所需的水加以混合即可。由于使用单组分体系,仅唯一的包装纸袋属垃圾,从环境保护角度又增加了一个积极的附带效应。聚合物改性薄层瓷砖胶粘剂的优越性有以下几方面:(1)长工作时间:长工作时间指涂覆砂浆后的可施工时间,在该时间内可将瓷砖放到砂浆层上并达到足够的粘附力。工作时间足够长时,可将砂浆快速和大面积地涂覆到墙上,在涂覆砂浆后可经过较长时间再放上瓷砖。这可以使施工过程趋于合理和更加快速,由于工作时间长,还可以进行长时间的误差矫正和瓷砖对齐。(2)高抗下垂能力:与传统的厚层技术和改良不好的薄层砂浆不同,好的薄层砂浆即使粘贴大块瓷砖也不会因其自重而向下坍落,从而可以从上而下施工以及不需要间隔木栓。(3)所粘贴瓷砖具有充分的抗冻性:薄层砂浆含有致使刚性水泥基体具有韧性的聚合物组分,这一点可避免因瓷砖后面蒸发出的水受到霜冻而致使瓷砖破裂尤为重要。具备足够韧性的砂浆能够吸纳因霜冻而产生的应力,而单纯的刚性水泥砂浆则会因霜冻使瓷砖破裂。(4)具有更好的柔韧性:尤其在外墙使用时这一性能具有极为重要的作用。采用3种组分系统(基材/砂浆/瓷砖)时,须考虑3种材料不同的膨胀系数。当外部环境温度较高时,最面层瓷砖的膨胀不同于砂浆或基材,引起砂浆层中产生应力,该应力在与瓷砖的界面上得到释放,即在瓷砖与砂浆界面上发生粘附力损坏,瓷砖失去其粘合力;另一种情况是,如果瓷砖与砂浆的粘合情况太好,应力则传递到瓷砖上,从而导致瓷砖破裂。具有足够韧性的瓷砖胶粘剂对产生的应力进行充分地分配,由此阻止应力传递。

[17-18]

能的两难选择。因此,今后在可再分散乳胶粉的分子设计、耐水性改进、干燥工艺、作用机理和与其他廉价材料搭配使用等方面进行进一步的研究,以降低其能耗和成本,改善其耐水性能和减少其使用量。

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3.7　零VOC干粉涂料

随着溶剂价格的上扬和环保要求的提高,涂料界以降低

VOC为目标不断地开发新的技术和应用。将干粉态的分散

剂、消泡剂及其他必要的添加剂与粉状的颜料、填料,以及干粉状的含有常温成膜物质的可再分散乳胶粉预先混合均匀,便得到普通水可分散干粉涂料。在施工前与水混合,得到自反应常温成膜的涂料,能够在干燥过程中形成稳定坚固的涂膜,性能大大优于目前广泛使用的乳胶漆所形成的涂膜[19]。这主要是因为普通的乳胶漆是通过乳胶粒子相互之间的有限的联结成膜的,而前者则是通过化学反应,形成了致密的化学键合,得到的涂膜性能十分优异。聚合物干粉材料的涂料可以取代目前的乳胶漆,成为低运输成本、低VOC、高性能的新一代建筑涂料产品。

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4　结　语

经过近半个多世纪的发展,可再分散聚合物乳胶粉的性能及制备工艺越来越完善,但是其根本的矛盾———可再分散性与耐水性和粘合性之间的矛盾还是没有很好地解决。而且,人们在应用可再分散乳胶粉时,自始至终面临着价格和性

收稿日期　2006-10-05(修改稿)

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