水性防水涂料中助剂的应用
董峰亮
( 北京市城市建设工程研究院 , 北京 100081)
摘要 : 本文介绍了几种常用助剂在水性防水涂料中的应用 , 并分析了这些助剂对防水涂料性能的影响。
关键词 : 助剂 ; 应用 ; 性能 ; 防水涂料
1 概述
作为防水涂料的原材料之一 ,助剂的用量通常很少 (一般为配方总量的1 % 左右),但作用却很大。它的加入不仅可以避免产生许多涂料的缺陷及涂膜弊病 ,同时又可以使防水涂料的生产和施工过程易于控制 ,而且某些助剂的添加,可以赋予防水涂料一些特殊的功能。所以 ,助剂是水基防水涂料的重要组成部分
2 助剂的功能与应用
水性防水涂料中常用的助剂有成膜助剂、增稠剂、分散剂、润湿剂、消泡剂、增塑剂、防霉杀菌剂等。
2. 1 成膜助剂
成膜助剂又称凝聚剂、聚结剂 ,通常为高沸点溶剂 ,会在涂膜形成后慢慢挥发掉。在乳胶漆中,成膜助剂因为对乳胶粒子的溶解作用而使粒子表面软化 ,因而促使聚合物粒子易受压变形,融合成膜。成膜助剂的加入同时可降低防水涂料的最低成膜温度。常用的成膜助剂有:乙二醇、丙二醇、己二醇、丙二醇丁醚、乙二醇丁醚、丙二醇乙醚、甲基苄醇、一缩乙二醇、乙二醇丁醚醋酸酯等。通常应用于防水涂料的胶乳都具有较低的玻璃化转变温度 ( Tg ),如VAE 乳液的Tg 在-3 ℃ 左右因此 ,在大多数气温高于5 ℃ 条件下 ,这些乳液都可以正常成膜。而成膜助剂的加入 ,对加速涂膜干固起到了一定的作用。图 1 是乙二醇作为成膜助剂时 ,对丙烯酸防水涂料干固时间的影响。由图1 可见,随着乙二醇掺量的增加,涂膜的干固时间也随之降低。因此 ,对于某些特殊的防水工程 (例如:现场湿度很大,通风条件又不好,而且工期又紧的工程 ), 在不影响产品质量的前提下 , 可适当多添加一些成膜助剂 。
图 1 助剂对涂膜干固时间的影响
成膜助剂除有助于成膜性能外 ,还有降低防水涂料冻结温度的功能。例如乙二醇、丙二醇就可作为涂料的防冻剂使用。图 2 为乙二醇、丙二醇对某丙烯酸乳液冰点的影响。
图 2 防冻剂对乳液冰点的影响
由图 2 可见,随着乙二醇、丙二醇掺量的增加,聚合物乳液的冰点也随之下降。两种防冻剂对乳液冰点的影响各不相同 ,相比较而言,乙二醇对乳液冰点降低的效果要好于丙二醇。
防水涂料在贮存或运输过程中有可能处于低温环境下 ( 即气温低于 5 ℃ 以下 ), 在应用过程中有的要求在低温下进行 ( 如冬季施工 ), 因此 , 采用成膜助剂来降低防水涂料冻结温度还是有一定实际意义的。
除此之外 , 成膜助剂对涂料湿膜性能如流平性、抗流挂性及展色性都有一定的影响。
2. 2 增稠剂
水性防水涂料以水作为分散介质 , 粘度通常都较低 , 在立面墙壁上施工会发生流挂现象。为了使涂料具有适当的粘度以改善其施工性能、流平性能及贮存稳定性 , 常需要加入一定量的增稠剂。在制备色浆时 , 增稠剂的加入使研磨浆稠度增加 , 加强了剪切作用 , 有利于颜填料的分散。防水涂料要起到良好的防水效果 , 通常要求干膜厚度达到 1. 5 ～ 2. 0mm , 因此 , 只有涂料具有一定的粘度和稠度 , 才能保证每次涂刷的厚度达到 0. 5mm 左右。
常用的增稠剂有四类 : 纤维素醚、聚丙烯酸酯、缔合型增稠剂和无机增稠剂。
最常用的纤维素醚类增稠剂为羟乙基纤维素 (HEC) 。根据粘度的不同 , 有不同的规格。 HEC 为粉末状水溶性产品 , 属非离子型增稠剂 , 它的增稠效果好 , 耐水、耐碱性较好 , 缺点在于较易长霉、腐败 , 流平性较差。
聚丙烯酸酯增稠剂为羧基含量较高的丙烯酸酯共聚物乳液 , 其最大的特点是抗霉菌侵袭性好。这类增稠剂在 pH 为 8 ～ 10 的时候 , 成溶胀状态 , 使水相粘度增高 ; 但 pH 大于 10 时 , 溶于水 , 失去增稠作用。因此 , 对 pH 值有较大的敏感性 , 如罗门哈斯公司生产的 ASE - 60 。目前国内乳胶漆最常采用的 pH 值调节剂为氨水 , 因此 , 采用该类增稠剂时 , 随着氨水的挥发 ,pH 值会降低 , 其增稠效果也会降低。
缔合型增稠剂具有其他类型增稠剂不同的增稠机制 , 大多数的增稠剂都是通过水合和形成在体系中的弱凝胶结构而带来粘度的。但缔合型增稠剂象表面活性剂一样 , 分子中既有亲水部分也有亲油部分 , 亲水部分可水合溶胀使水相增稠 , 亲油端基可与乳液粒子、颜料粒子相缔合形成网络结构。
无机增稠剂以膨润土为代表。通常水性膨润土吸水膨胀后形成触变性的凝胶矿物 , 吸水后体积为原体积的好几倍。它不但起到增稠作用 , 而且还能防沉、防流挂、防浮色发花 , 其增稠效果要好于同样用量的碱溶胀丙烯酸类和聚氨酯类增稠剂。除此之外 , 它还具有广泛的 pH 适应性 , 良好的冻融稳定性和生物稳定性。由于不含水溶性表面活性剂 , 干膜中的微细粒子有阻止水分迁移、扩散作用 , 能增强涂膜的耐水性等特点。
有机类的增稠剂均有水溶性或水溶胀性 , 在成膜后残留在涂层中 , 对涂料的耐水性带来了不良影响。因此 , 考虑到防水涂料功能的特殊性 , 在保证涂料增稠效果的前提下应尽可能少用有机增稠剂 , 而多采用耐水效果较好的膨润土系列无机增稠剂。
2. 3 润湿剂和分散剂
使用于防水涂料中的颜料 , 无论是着色颜料还是体质颜料 , 都是由数百个到数千个一次粒子凝聚起来的二次粒子组成的。润湿分散剂的作用就是使颜填料中的二次粒子离解成一次粒子。因此 , 防水涂料中颜填料的分散稳定包括润湿、分散和稳定三个过程。
润湿剂是结构中带有亲水基、亲油基两个基团的表面活性剂 , 它可降低液体和固体表面之间的界面张力 , 使固体表面易于为液体所湿润 , 使胶乳与颜料表面得以充分接触。分散剂是实现被润湿的颜料粒子的充分、稳定的分散 , 提高固体粒子在液体中的悬浮性能。
常用的分散剂分为无机分散剂和有机分散剂两大类。无机分散剂包括磷酸盐、硅酸盐等 , 使用最多的是六偏磷酸钠 ; 有机分散剂包括聚丙烯酸盐类、聚异丁烯顺丁烯二酸盐类等 , 如美国大祥公司生产的 SN - 5040 。通常有机、无机两类分散剂复合的效果较佳。例如 , 以颜 / 填料量为基础 , 使用 0. 1 % 的无机分散剂和 0. 3 % 的有机分散剂 (30 % 溶液 ), 综合效果一般较佳。
2. 4 消泡剂
防水涂料中包含了许多表面活性剂 , 如胶乳中的乳化剂、涂料中的增稠剂、润湿剂、分散剂等 , 它们都有起泡倾向。而在防水涂料的涂布过程中 , 起泡将干扰施工的正常进行以及涂膜的质量 , 涂膜渗水都是从最薄弱的地方开始的。显然涂膜中气泡的增加 , 将会降低涂料的防水性能。因此 , 防水涂料中必须添加消泡剂。消泡剂可以润湿渗透到有表面活性物质所形成的薄层中 , 通过其不相容性与该系统反应 , 降低其表面张力 , 破坏薄层的稳定性 , 从而达到消泡的目的。
目前 , 效果比较理想的消泡剂主要由三大类 : 磷酸酯类消泡剂、矿物油类消泡剂和有机硅类消泡剂。磷酸酯类的磷酸三丁酯在中低档涂料中广泛使用 , 但它的抑泡效果较差 ; 矿物油类消泡剂如 681F 其消泡效果要低于有机硅类 ; 有机硅类消泡剂是由聚醚和烷基链改性的聚硅氧烷组成 , 改性后有机硅与涂料有一定的不相容性 , 消泡较为有效。这一类消泡剂如 BYK - Chemie 公司生产的 BYK 系列和 Henkel 公司生产的 Sn 系列在防水涂料中的掺量为 0. 5 % 左右时 , 都具有较佳的消泡效果。
2. 5 增塑剂
低温柔韧性是检测防水涂料性能的一项重要指标 , 而该指标由防水涂料所采用胶乳的玻璃化转变温度 ( T g ) 确定。当外界温度高于基料的 T g 时 , 涂料行为类似橡胶 , 受载时产生弹性形变 , 具有较好的柔韧性 ; 当外界温度低于基料的 T g 时 , 涂料行为类似玻璃易于产生脆性破坏 , 其柔韧性显著下降。目前所供使用的胶乳如 VAE 乳液的 T g ≈ -3 ℃ , 某些丙烯酸乳液的 T g 在 -5 ℃ 左右 , 都不能满足要求。因此 , 掺入一定量的增塑剂可以起到降低胶乳 T g 的作用。而随着胶乳 T g 的降低 , 防水涂料的低温柔韧性也随之提高。
增塑剂通常是高沸点难挥发的液体或低熔点的固体 , 一般不与乳胶的主体成分发生化学反应。它作为小分子助剂 , 主要作用是插进成膜的高分子物质中 , 削弱乳胶中聚合物的分子间力 , 促进了聚合物分子链段的活动性 , 降低聚合物分子链的结晶性 , 从而使聚合物分子链段变得柔顺。
采用增塑剂来改善防水涂料的低温柔韧性 , 一般来说 , 效果是明显的 , 但这并不等于说 , 增塑剂的掺量越多越好。通过实验发现 , 防水涂料低温柔性的改善总是伴随着其拉伸性能的损失。图 3 、图 4 、图 5 分别为丙烯酸防水涂料中掺入某种增塑剂后 , 它的玻璃化转变温度、抗拉强度与延伸率的变化曲线。随着增塑剂掺量的加大 , 防水涂料的 T g 降低了 , 与此同时 , 防水涂料的抗拉强度与延伸率也降低了。因此 , 一味的追求低温柔韧性并不可取。
图 3 增塑剂对防水涂料 T g 的影响
图 4 增塑剂对防水涂料抗拉强度的影响
图 5 增塑剂对防水涂料延伸率的影响
2. 6 防霉、杀菌剂
防水涂料是以高分子化合物为基料的水性材料 , 由于富含微生物生长的营养成分 , 因而只要环境温度等适合微生物生存的环境条件存在 , 微生物就会大量繁殖 , 使涂料原有的性质遭到破坏 , 使得涂料的质量下降 , 甚至腐败变质而报废。因此 , 防水涂料中必须加入防霉杀菌剂。防霉剂的作用方式如下 :
① 抑制能量的产生 ;
② 干扰病原菌的生物形成 ;
③ 破坏细胞结构。
常用的防霉、杀菌剂有取代芳烃类、杂环化合物、胺类化合物、有机金属化合物等几大类。其中的有机汞类广谱防霉剂由于对人体的毒性大 , 已禁止使用。
3 结语
水性防水涂料是一个复杂的体系 , 助剂作为该体系的组成部分 , 加量不多 , 却对其性能起到了至关重要的作用。因此 , 在开发研制水性防水涂料时 , 采用何种助剂及其掺量的多少应该通过大量反复的实验来确定。
董峰亮
( 北京市城市建设工程研究院 , 北京 100081)
摘要 : 本文介绍了几种常用助剂在水性防水涂料中的应用 , 并分析了这些助剂对防水涂料性能的影响。
关键词 : 助剂 ; 应用 ; 性能 ; 防水涂料
1 概述
作为防水涂料的原材料之一 ,助剂的用量通常很少 (一般为配方总量的1 % 左右),但作用却很大。它的加入不仅可以避免产生许多涂料的缺陷及涂膜弊病 ,同时又可以使防水涂料的生产和施工过程易于控制 ,而且某些助剂的添加,可以赋予防水涂料一些特殊的功能。所以 ,助剂是水基防水涂料的重要组成部分
2 助剂的功能与应用
水性防水涂料中常用的助剂有成膜助剂、增稠剂、分散剂、润湿剂、消泡剂、增塑剂、防霉杀菌剂等。
2. 1 成膜助剂
成膜助剂又称凝聚剂、聚结剂 ,通常为高沸点溶剂 ,会在涂膜形成后慢慢挥发掉。在乳胶漆中,成膜助剂因为对乳胶粒子的溶解作用而使粒子表面软化 ,因而促使聚合物粒子易受压变形,融合成膜。成膜助剂的加入同时可降低防水涂料的最低成膜温度。常用的成膜助剂有:乙二醇、丙二醇、己二醇、丙二醇丁醚、乙二醇丁醚、丙二醇乙醚、甲基苄醇、一缩乙二醇、乙二醇丁醚醋酸酯等。通常应用于防水涂料的胶乳都具有较低的玻璃化转变温度 ( Tg ),如VAE 乳液的Tg 在-3 ℃ 左右因此 ,在大多数气温高于5 ℃ 条件下 ,这些乳液都可以正常成膜。而成膜助剂的加入 ,对加速涂膜干固起到了一定的作用。图 1 是乙二醇作为成膜助剂时 ,对丙烯酸防水涂料干固时间的影响。由图1 可见,随着乙二醇掺量的增加,涂膜的干固时间也随之降低。因此 ,对于某些特殊的防水工程 (例如:现场湿度很大,通风条件又不好,而且工期又紧的工程 ), 在不影响产品质量的前提下 , 可适当多添加一些成膜助剂 。
图 1 助剂对涂膜干固时间的影响
成膜助剂除有助于成膜性能外 ,还有降低防水涂料冻结温度的功能。例如乙二醇、丙二醇就可作为涂料的防冻剂使用。图 2 为乙二醇、丙二醇对某丙烯酸乳液冰点的影响。
图 2 防冻剂对乳液冰点的影响
由图 2 可见,随着乙二醇、丙二醇掺量的增加,聚合物乳液的冰点也随之下降。两种防冻剂对乳液冰点的影响各不相同 ,相比较而言,乙二醇对乳液冰点降低的效果要好于丙二醇。
防水涂料在贮存或运输过程中有可能处于低温环境下 ( 即气温低于 5 ℃ 以下 ), 在应用过程中有的要求在低温下进行 ( 如冬季施工 ), 因此 , 采用成膜助剂来降低防水涂料冻结温度还是有一定实际意义的。
除此之外 , 成膜助剂对涂料湿膜性能如流平性、抗流挂性及展色性都有一定的影响。
2. 2 增稠剂
水性防水涂料以水作为分散介质 , 粘度通常都较低 , 在立面墙壁上施工会发生流挂现象。为了使涂料具有适当的粘度以改善其施工性能、流平性能及贮存稳定性 , 常需要加入一定量的增稠剂。在制备色浆时 , 增稠剂的加入使研磨浆稠度增加 , 加强了剪切作用 , 有利于颜填料的分散。防水涂料要起到良好的防水效果 , 通常要求干膜厚度达到 1. 5 ～ 2. 0mm , 因此 , 只有涂料具有一定的粘度和稠度 , 才能保证每次涂刷的厚度达到 0. 5mm 左右。
常用的增稠剂有四类 : 纤维素醚、聚丙烯酸酯、缔合型增稠剂和无机增稠剂。
最常用的纤维素醚类增稠剂为羟乙基纤维素 (HEC) 。根据粘度的不同 , 有不同的规格。 HEC 为粉末状水溶性产品 , 属非离子型增稠剂 , 它的增稠效果好 , 耐水、耐碱性较好 , 缺点在于较易长霉、腐败 , 流平性较差。
聚丙烯酸酯增稠剂为羧基含量较高的丙烯酸酯共聚物乳液 , 其最大的特点是抗霉菌侵袭性好。这类增稠剂在 pH 为 8 ～ 10 的时候 , 成溶胀状态 , 使水相粘度增高 ; 但 pH 大于 10 时 , 溶于水 , 失去增稠作用。因此 , 对 pH 值有较大的敏感性 , 如罗门哈斯公司生产的 ASE - 60 。目前国内乳胶漆最常采用的 pH 值调节剂为氨水 , 因此 , 采用该类增稠剂时 , 随着氨水的挥发 ,pH 值会降低 , 其增稠效果也会降低。
缔合型增稠剂具有其他类型增稠剂不同的增稠机制 , 大多数的增稠剂都是通过水合和形成在体系中的弱凝胶结构而带来粘度的。但缔合型增稠剂象表面活性剂一样 , 分子中既有亲水部分也有亲油部分 , 亲水部分可水合溶胀使水相增稠 , 亲油端基可与乳液粒子、颜料粒子相缔合形成网络结构。
无机增稠剂以膨润土为代表。通常水性膨润土吸水膨胀后形成触变性的凝胶矿物 , 吸水后体积为原体积的好几倍。它不但起到增稠作用 , 而且还能防沉、防流挂、防浮色发花 , 其增稠效果要好于同样用量的碱溶胀丙烯酸类和聚氨酯类增稠剂。除此之外 , 它还具有广泛的 pH 适应性 , 良好的冻融稳定性和生物稳定性。由于不含水溶性表面活性剂 , 干膜中的微细粒子有阻止水分迁移、扩散作用 , 能增强涂膜的耐水性等特点。
有机类的增稠剂均有水溶性或水溶胀性 , 在成膜后残留在涂层中 , 对涂料的耐水性带来了不良影响。因此 , 考虑到防水涂料功能的特殊性 , 在保证涂料增稠效果的前提下应尽可能少用有机增稠剂 , 而多采用耐水效果较好的膨润土系列无机增稠剂。
2. 3 润湿剂和分散剂
使用于防水涂料中的颜料 , 无论是着色颜料还是体质颜料 , 都是由数百个到数千个一次粒子凝聚起来的二次粒子组成的。润湿分散剂的作用就是使颜填料中的二次粒子离解成一次粒子。因此 , 防水涂料中颜填料的分散稳定包括润湿、分散和稳定三个过程。
润湿剂是结构中带有亲水基、亲油基两个基团的表面活性剂 , 它可降低液体和固体表面之间的界面张力 , 使固体表面易于为液体所湿润 , 使胶乳与颜料表面得以充分接触。分散剂是实现被润湿的颜料粒子的充分、稳定的分散 , 提高固体粒子在液体中的悬浮性能。
常用的分散剂分为无机分散剂和有机分散剂两大类。无机分散剂包括磷酸盐、硅酸盐等 , 使用最多的是六偏磷酸钠 ; 有机分散剂包括聚丙烯酸盐类、聚异丁烯顺丁烯二酸盐类等 , 如美国大祥公司生产的 SN - 5040 。通常有机、无机两类分散剂复合的效果较佳。例如 , 以颜 / 填料量为基础 , 使用 0. 1 % 的无机分散剂和 0. 3 % 的有机分散剂 (30 % 溶液 ), 综合效果一般较佳。
2. 4 消泡剂
防水涂料中包含了许多表面活性剂 , 如胶乳中的乳化剂、涂料中的增稠剂、润湿剂、分散剂等 , 它们都有起泡倾向。而在防水涂料的涂布过程中 , 起泡将干扰施工的正常进行以及涂膜的质量 , 涂膜渗水都是从最薄弱的地方开始的。显然涂膜中气泡的增加 , 将会降低涂料的防水性能。因此 , 防水涂料中必须添加消泡剂。消泡剂可以润湿渗透到有表面活性物质所形成的薄层中 , 通过其不相容性与该系统反应 , 降低其表面张力 , 破坏薄层的稳定性 , 从而达到消泡的目的。
目前 , 效果比较理想的消泡剂主要由三大类 : 磷酸酯类消泡剂、矿物油类消泡剂和有机硅类消泡剂。磷酸酯类的磷酸三丁酯在中低档涂料中广泛使用 , 但它的抑泡效果较差 ; 矿物油类消泡剂如 681F 其消泡效果要低于有机硅类 ; 有机硅类消泡剂是由聚醚和烷基链改性的聚硅氧烷组成 , 改性后有机硅与涂料有一定的不相容性 , 消泡较为有效。这一类消泡剂如 BYK - Chemie 公司生产的 BYK 系列和 Henkel 公司生产的 Sn 系列在防水涂料中的掺量为 0. 5 % 左右时 , 都具有较佳的消泡效果。
2. 5 增塑剂
低温柔韧性是检测防水涂料性能的一项重要指标 , 而该指标由防水涂料所采用胶乳的玻璃化转变温度 ( T g ) 确定。当外界温度高于基料的 T g 时 , 涂料行为类似橡胶 , 受载时产生弹性形变 , 具有较好的柔韧性 ; 当外界温度低于基料的 T g 时 , 涂料行为类似玻璃易于产生脆性破坏 , 其柔韧性显著下降。目前所供使用的胶乳如 VAE 乳液的 T g ≈ -3 ℃ , 某些丙烯酸乳液的 T g 在 -5 ℃ 左右 , 都不能满足要求。因此 , 掺入一定量的增塑剂可以起到降低胶乳 T g 的作用。而随着胶乳 T g 的降低 , 防水涂料的低温柔韧性也随之提高。
增塑剂通常是高沸点难挥发的液体或低熔点的固体 , 一般不与乳胶的主体成分发生化学反应。它作为小分子助剂 , 主要作用是插进成膜的高分子物质中 , 削弱乳胶中聚合物的分子间力 , 促进了聚合物分子链段的活动性 , 降低聚合物分子链的结晶性 , 从而使聚合物分子链段变得柔顺。
采用增塑剂来改善防水涂料的低温柔韧性 , 一般来说 , 效果是明显的 , 但这并不等于说 , 增塑剂的掺量越多越好。通过实验发现 , 防水涂料低温柔性的改善总是伴随着其拉伸性能的损失。图 3 、图 4 、图 5 分别为丙烯酸防水涂料中掺入某种增塑剂后 , 它的玻璃化转变温度、抗拉强度与延伸率的变化曲线。随着增塑剂掺量的加大 , 防水涂料的 T g 降低了 , 与此同时 , 防水涂料的抗拉强度与延伸率也降低了。因此 , 一味的追求低温柔韧性并不可取。
图 3 增塑剂对防水涂料 T g 的影响
图 4 增塑剂对防水涂料抗拉强度的影响
图 5 增塑剂对防水涂料延伸率的影响
2. 6 防霉、杀菌剂
防水涂料是以高分子化合物为基料的水性材料 , 由于富含微生物生长的营养成分 , 因而只要环境温度等适合微生物生存的环境条件存在 , 微生物就会大量繁殖 , 使涂料原有的性质遭到破坏 , 使得涂料的质量下降 , 甚至腐败变质而报废。因此 , 防水涂料中必须加入防霉杀菌剂。防霉剂的作用方式如下 :
① 抑制能量的产生 ;
② 干扰病原菌的生物形成 ;
③ 破坏细胞结构。
常用的防霉、杀菌剂有取代芳烃类、杂环化合物、胺类化合物、有机金属化合物等几大类。其中的有机汞类广谱防霉剂由于对人体的毒性大 , 已禁止使用。
3 结语
水性防水涂料是一个复杂的体系 , 助剂作为该体系的组成部分 , 加量不多 , 却对其性能起到了至关重要的作用。因此 , 在开发研制水性防水涂料时 , 采用何种助剂及其掺量的多少应该通过大量反复的实验来确定。
