用廢聚苯乙烯制備有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液建筑防水膠

吳 軍，肖海宏，黎 明，艾照全，孫紅光

（1.湖北大學圖書館，湖北 武漢 430062；2.有機功能分子合成與應(yīng)用教育部重點實驗室，湖北大學化學化工學院，湖北 武漢 430062）

建筑密封防水膠是建筑行業(yè)用量較多的產(chǎn)品，目前主要有機硅、聚氨酯、聚丙烯酸酯和苯丙乳膠等幾類，其中苯丙乳膠因其價格低廉、耐老化性優(yōu)良、不污染環(huán)境和施工性能好等優(yōu)點而成為建筑密封防水膠的主要原材料[1，2]；聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）廣泛用作緩沖包裝和隔熱保溫材料，全球每年消耗數(shù)百萬噸，同時產(chǎn)生數(shù)百萬噸“白色污染”物，將其高附加值利用成為各國的重大課題。王萬森和劉運學[3，4]以廢棄聚苯乙烯泡沫塑料為原料，加入甲苯、乙酸乙酯和丙酮等有機溶溶劑，分別制備溶劑型EPS膠粘劑和苯丙乳液。筆者在1997年率先申報了在不加有機溶劑條件下，用白色污染物聚苯乙烯泡沫塑料代替苯乙烯單體制造苯丙乳液的專利，并獲得國家專利證書[5]，隨后發(fā)表了用白色污染物聚苯乙烯泡沫塑料進行乳液接枝聚合制備苯丙乳液的系列研究論文[6～8]；近期黃健、殷海波等[9，10]研究了用廢棄EPS制備苯丙乳液及其對建筑水泥砂漿增粘增韌作用，研究表明雖然抗壓強度有所降低，但提高了砂漿的粘接強度與韌性。考慮到上述文獻研究的產(chǎn)物建筑防水膠的耐老化性還不足以與建筑物50年以上的使用期相適應(yīng)，本文擬在此前研究的基礎(chǔ)上，利用廢棄EPS，加入丙烯酸丁酯（BA）溶解后，再加入化學鍵能更高、耐老化更好、防水效果更優(yōu)異的有機硅單體、水和其他助劑，經(jīng)高速乳化、聚合制備有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液型建筑防水膠。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

廢棄EPS，將廢棄的緩沖包裝白色污染聚苯乙烯泡沫塑料洗凈晾干；丙烯酸丁酯、丙烯酸、丙烯酸羥乙酯，工業(yè)品，北京東方化工廠；八甲基環(huán)四硅氧烷（D4），工業(yè)品，湖北興發(fā)化工集團有機硅有限公司；乙烯基硅氧烷，工業(yè)品，武漢大學有機硅有限公司；過硫酸銨，分析純，上海譜振生物科技有限公司；亞硫酸氫鈉，分析純，天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠；425#普通硅酸鹽水泥，湖北華新水泥公司；石英沙，來源于漢水河湖北境內(nèi)的沙灘上，自然干燥，未經(jīng)處理。

1.2 有機硅苯丙乳液防水膠的制備

在裝有溫度計、攪拌器、回流冷凝器及加料裝置的500 mL四口圓底玻璃燒瓶中依次加入經(jīng)氧化鋁過柱除去阻聚劑的丙烯酸丁酯、丙烯酸、丙烯酸羥乙酯，再加入廢棄EPS、攪拌溶解后，加入復合乳化劑、水、碳酸氫鈉，高速攪拌乳化1 h，得預乳化液，然后取部分預乳化液放在滴液漏斗中用于滴加，余下的加入適量水和部分過硫酸銨水溶液及亞硫酸氫鈉水溶液組成的氧化還原引發(fā)劑溶液，攪拌、加熱升溫，在45～55 ℃引發(fā)聚合后，在3 h滴加其余預乳化液、過硫酸銨水溶液和亞硫酸氫鈉水溶液，加完后在0.5 h滴加D4和乙烯基硅氧烷有機硅單體，逐步升溫到到88～90 ℃保溫1 h，降溫到30 ℃以下，中和，過濾，出料，得到有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液建筑防水膠。同時，按上述制備方法，不加有機單體，制備相同固含量的聚苯乙烯丙烯酸酯乳液建筑防水膠，用作對照樣。

1.3 性能測試

1）防水膠固含量

將在103 ℃恒溫干燥箱中干至恒量為W1的稱量瓶中加入有機硅苯丙乳液防水膠樣品，稱量為W2，在103 ℃干燥至恒量為W3，按式（1）計算固含量S%：

2）防水膠貯存期

按照GB1955測試。

3）水泥混合膠漿防水膠膜性能

防水膠與水泥混合漿干燥膠膜的制備：在燒杯中按乳液防水膠∶水泥∶細沙=1∶0.3∶0.4（質(zhì)量比，下同）稱料，經(jīng)攪拌、過濾，制得水泥混合防水膠，將此混合物涂于已涂有防粘劑的水磨石板上，晾干后再涂一遍，如此反復共涂3～4遍，使干燥后的膠膜厚度達2 mm，自然放置28 d后剝下得到水泥混合膠漿防水膠膜。

水泥混合膠漿防水膠膜拉伸強度、斷裂伸長率、不透水性、低溫柔性及抗紫外線均按照JC/T894—2001測定。

4）水泥混合防水膠粘接強度的測定

按照上述1.3中3）制得水泥混合防水膠，將此混合防水膠涂于標準水泥混凝土樣板上，分別與水泥混凝土、地板磚、瓷磚、大理石、花崗巖板、防水油膏、PVC卷材、PE纖維復合卷材貼合，自然放置28 d后，用拉力機測定其粘接強度。

5）水膠膜吸水性

乳液防水膠與水泥混合膠漿防水膠膜稱量（G1）后，放在60 ℃水中浸泡72 h，用干凈毛巾擦掉表面水后再稱量為G2，按式（2）計算膠膜吸水性W%：

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液防水膠主要技術(shù)指標

所制備的有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠和不加有機硅單體的聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠主要技術(shù)指標列于表1中。由表1可見，2種防水膠均滿足JC/T894—2001性能要求。

表1 乳液防水膠與國家標準主要技術(shù)指標比較Tab.1 Comparison of emulsion waterproof adhesive with main technical specifications of the country

從表1可見，添加大量廢舊聚苯乙烯泡沫塑料制備的有機硅苯丙乳液防水膠中有機硅含量達10%。已有文獻報道[11]，當硅丙乳液涂料中有機硅的用量3%時，其膠膜的抗紫外線老化性能就成倍提高，其原因是，根據(jù)界面張力原理，含有機硅的苯丙乳液或溶液在干燥成膜時，有向表面遷移的趨勢，使干燥后的膠膜表面有機硅含量大大高于其內(nèi)部含量。另據(jù)德國WACKER公司用有機硅樹脂乳液涂裝的建筑物室外墻面已使用30多年，涂層表面仍然完好，這主要是有機硅聚合物分子中的碳硅鍵的鍵能高于普通有機聚合物中碳碳鍵的鍵能，從而使有機硅聚合物的耐候性和抗紫外線的能力大大強于非有機硅的普通碳氫氧聚合物，這也是本研究課題要加入有機硅單體的依據(jù)。

2.2 不加水泥的純膠膜與加水泥后的混合膠膜吸水性的比較

防水膠膜吸水性是與防水涂料或膠粘劑性能關(guān)系極為密切的重要技術(shù)指標之一，不加水泥的有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠膜與加有水泥的混合膠膜的吸水性測定結(jié)果分別為11.8%和5.1%，說明純膠膜中加入水泥后膠膜的吸水性大幅降低，而不加膠的水泥砂漿養(yǎng)護28 d后的吸水性高達7%，說明水泥與有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠復合后的吸水性遠遠低于其水泥混凝土與有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠各自單獨的吸水性。

2.3 有機硅苯丙乳液防水膠與苯丙乳液防水膠膜耐候性比較

有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠及不加有機硅的聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠與水泥細砂混合物膠膜爆露于大氣中6年，每年取樣測定其拉伸強度和斷裂伸長率，數(shù)據(jù)列于表2中。

表2 戶外老化對水泥基復合防水膠膜性能的影響Tab.2 Effect of outdoor aging on the performance of cement-based composite waterproof film

從表2可以看出，不含有機硅的混合膠膜耐老化性也比較好，但卻明顯差于含有機硅混合膠膜的耐老化性，經(jīng)過爆露于大氣中6年的自然老化后，拉伸強度和斷裂伸長率都仍然能滿足國家建設(shè)部JC/T894—2001標準要求。

2.4 有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠的粘接性能

有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠與水泥及細砂集料按1∶0.3∶0.4混合，混合漿對各種常見建筑材料的粘接強度列于表3。

表3 有機硅苯丙乳液防水膠水泥砂漿對各種常見建材的粘接強度Tab.3 Bonding strength of silicone styrene emulsion waterproof adhesive cement mortar to various common building materials

由表3可見，有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠水泥砂漿對各種常見建材都有較好的粘接強度，都達到部頒標準，可用于各種材料的新舊建筑屋面上做防水涂層、防水密封，也可以在做各種防水涂層處理后，再用本復合防水膠漿粘貼各種不同材質(zhì)的建筑防水材料和建筑裝飾材料。

3 結(jié)論

由廢舊聚苯乙烯泡沫塑料與有機硅和丙烯酸酯聚合制備的有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠與不含硅的聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠2者均能達到國家相關(guān)技術(shù)指標要求，都可用于在各種材料的新舊建筑屋面上做防水涂層或在做防水涂層后再用此混合膠漿粘貼各種不同材質(zhì)的建筑防水材料和建筑裝飾材料，但加入了有機硅的有機硅聚苯乙烯丙烯酸酯乳液防水膠耐老化性大幅提高，復合膠膜吸水性也更低。

[1]張禹,朱超,馮波,等.苯丙乳液游離單體含量影響因素的研究[J].膠體與聚合物,2016,(4):161-163.

[2]左艷梅.半連續(xù)種子乳液預聚法合成核-殼型苯丙乳液的研究進展[J].中國膠粘劑,2017,26(11):39-44.

[3]張巧恩,王萬森.廢泡沫塑料制取苯乙烯及在苯丙乳液中的應(yīng)用[J].天津輕工業(yè)學院學報,2001,38(3):48-49.

[4]劉運學,李蘭,趙志濱,等.利用廢棄聚苯乙烯泡沫塑料制溶劑型膠粘劑[J].中國膠粘劑,2014,23(2):27-31.

[5]艾照全,何培新,管蓉,等.由廢舊聚苯乙烯泡沫塑料制造苯丙乳液[P].CN ZL97109272.9,2004-01-28.

[6]ZQ Ai,QL Zhou,R Guan,et al.Preparation and Properties of polystyrene-g-Poly(butylacrylate)copolymer emulsion with ultrasonic radiationⅠ.Preparation technology and coagulum ratio[J].Journal of Applied Polymer Science,2010,96(4):1405-1409.

[7]ZQ Ai,HR Zhang,Q Liu,et al.Preparation and Properties of poly(WPSF-co-butyl acrylate)copolymer emulsion with ultrasonic radiation

Ⅱ.Monomer conversion rate and characterization[J].Journal of Applied Polymer Science,2010,113(5):3196-3201.

[8]胡英,艾照全,張黎黎.超聲輻照廢舊聚苯乙烯泡沫/丙烯酸丁酯共聚乳液研究[J].粘接,2009,30(12):55-58.

[9]黃健,洪正東,馬保國,等.廢聚苯乙烯泡沫再生乳液對砂漿增粘增韌研究[J].武漢理工大學學報,2013,35(9):45-49.

[10]殷海波,黃健,生寅龍,等.廢棄EPS泡沫塑料制備苯丙乳液及性能研究[J].新型建筑材料,2015,42(12):70-73.