彈性乳液的比較及其對彈性建筑涂料性能的影響

姜廣明，詹明佳，李 婭，劉東華，趙雅文，胡 水

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.富思特新材料科技發展股份有限公司，北京 102607；3.北京化工大學，北京 100029）

0 引言

彈性乳液是由玻璃化轉變溫度較低的丙烯酸丁酯、丙烯酸異辛酯等“軟單體”和玻璃化轉變溫度較高的甲基丙烯酸甲酯等“硬單體”構成。彈性乳液的性能同時還受到聚合物分子鏈的柔性、聚合物分子間的相互作用力、聚合物分子間的交聯程度、聚合物結晶度、聚合物玻璃化溫度、聚合物分子量等因素的影響［1］。彈性建筑涂料的性能主要由彈性乳液決定；彈性乳液的玻璃化溫度越低，彈性建筑涂料的拉伸強度越低，斷裂伸長率越高，耐沾污性也會越差［2］。

本論文探討了不同的彈性乳液的結構和性能的差異，以及產生這種差異的原因。在相同的彈性建筑涂料的配方基礎上，證實了彈性建筑涂料的拉伸性能和彈性乳液的性能正相關，并根據彈性乳液的特點指導了彈性建筑涂料的配方設計。通過動態熱機械分析的研究，找到了彈性建筑涂料的損耗因子與拉伸性能的關系，建立了彈性建筑涂料的快速鑒別方法。

1 原材料

本文收集了 4 種彈性乳液，編號為 RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6。按照 35 % 的彈性乳液含量和 42 % 的顏料體積濃度（PVC）的相同配方，將彈性乳液制備成彈性建筑涂料。每款彈性建筑涂料的配方中僅使用對應的一種彈性乳液，沒有加入其他乳液進行復配或混拼［3-5］。

4 款彈性建筑涂料的編號依次編為 RYTL-1、RYTL-2、RYTL-4 和 RYTL-6。

2 實驗設備

紅外光譜使用美國 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生產的 Nicolet 6700 傅立葉變換紅外光譜儀測試，掃描范圍為 4000-400 cm-1，分辨率為 4 cm-1。采用 ATR 方式測試彈性乳液涂層的紅外光譜。

熱失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生產的 TGA/DSC1 同步熱分析儀（型號 STARe system）測試，氮氣氣氛，測試的溫度范圍為室溫～+1 000 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

DSC 分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司產品 TGA/DSC1 同步熱分析儀（型號 STARe system）測試；掃描范圍 -60～+100 ℃，升/降溫速度為 20 ℃/min。檢測依據為 GB/T 27816-2011《色漆和清漆用漆基 玻璃化轉變溫度的測定》；預掃描一次，消除材料的熱歷史；玻璃化轉變溫度取中點溫度。

拉伸性能使用日本 Shimadz 公司生產的 AG-IC 100 kN 萬能材料試驗機。試樣的制備依據 JG/T 172-2014《彈性建筑涂料》，裁取符合 GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》的啞鈴Ⅰ型試件，拉伸速度為 200 mm/min。

動態力學性能使用德國 Netzsch 公司生產的 DMA 242 C 型動態力學分析儀測試；采用拉伸模式，頻率為 10 Hz，測試溫度范圍為 -60 ℃～+120 ℃，升溫速度為 3 ℃/min。

3 結果與討論

3.1 彈性乳液的微觀性能

3.1.1 紅外分析

將彈性乳液制成涂膜烘干，4 種彈性乳液涂膜的紅外光譜的結果，如圖 1 所示。紅外光譜的縱坐標進行了歸一化處理。

圖1 4 種彈性乳液的紅外光譜圖

從圖 1 可以看出，4 種彈性乳液的紅外光譜幾乎相同，4 種彈性乳液的成分均為聚丙烯酸酯類物質。紅外光譜中 1 730 cm-1為 C=O 的伸縮振動峰，1 460 cm-1為 CH3反對稱變角振動，1 250 cm-1和 1 160 cm-1分別為C-O-C 反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動。

1 020 cm-1處的峰不是聚丙烯酸酯類的峰。根據分析，1 020 cm-1為 Si-O-Si 的伸縮振動峰，是因為彈性乳液合成時加入了部分的硅烷偶聯劑，以提高彈性乳液的耐水性、耐沾污性和耐候性。

3.1.2 熱失重分析

將彈性乳液制成涂膜烘干，4 種彈性乳液涂膜的熱失重曲線，如圖 2 所示。

圖2 4 種彈性乳液的熱失重曲線

從圖 2 可以看出，4 種彈性乳液中 RY-1、RY-4 和RY-6 的熱失重曲線幾乎重合；RY-2 的熱分解溫度略低，殘重略高。

RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6 的最大分解速率溫度分別為 403 ℃、391 ℃、404 ℃ 和 405 ℃；1 000 ℃ 的殘重分別為 4.4 %、7.6 %、4.1 % 和 4.1 %。RY-2 的分解溫度低，證明該乳液中含有部分分子量比較低的分子。

3.1.3 DSC 分析

將彈性乳液制成涂膜烘干，4 種彈性乳液涂膜的差示掃描量熱曲線，如圖 3 所示。

圖3 4 種彈性乳液的 DSC 二次升溫曲線

從圖 3 可知，4 種彈性乳液的玻璃化轉變溫度幾乎一致。RY-1、RY-2、RY-4 和 RY-6 的玻璃化轉變溫度分別為-8.34 ℃、-7.24 ℃、-8.08 ℃ 和 -7.66 ℃。

紅外光譜、熱失重分析和 DSC 分析的結果，證明了4 種彈性乳液的成分、組成和結構是類似的，均為聚丙烯酸酯類彈性乳液。

3.2 彈性乳液的拉伸性能

盡管 4 種彈性乳液的微觀結構是接近的，但是它們的力學性能能明顯感覺到有差異。為此首先測試了 4 種彈性乳液的涂膜在標準狀態下的拉伸性能，檢測結果如表 1 所示。

表1 4 種彈性乳液的拉伸性能（標準狀態下）

從表 1 可以看出，RY-1 和 RY-4 最軟，斷裂伸長率＞900 %。RY-2 居中，而 RY-6 最硬，斷裂伸長率不足400 %。

拉伸性能能夠非常直接反映出 4 種彈性乳液的性能差異。拉伸強度高、斷裂伸長率低的乳液分子，一般分子量比較大，交聯程度比較高［6，7］。因此可以推測出，RY-6 的交聯程度過高，不太適合作為彈性建筑涂料的彈性乳液使用。

3.3 彈性建筑涂料的拉伸性能

將彈性乳液按照相同的配方制備成彈性建筑涂料。4 款彈性建筑涂料的涂膜在標準狀態下的拉伸性能，檢測結果如表 2 所示。

表2 4 款彈性建筑涂料的拉伸性能（標準狀態下）

彈性建筑涂料的拉伸強度大于對應的彈性乳液，彈性建筑涂料的斷裂伸長率小于對應的彈性乳液。這是因為彈性建筑涂料的拉伸強度隨填料的增加而增加，斷裂伸長率隨填料的增加而降低［8］。

與彈性乳液的規律類似，RYTL-1 和 RYTL-4 最軟，RYTL-2 居中，RYTL-6 最硬。通過比較表 1 和表 2 的數據，可以發現彈性建筑涂料的拉伸性能與彈性乳液的拉伸性能成正相關的關系。

根據經驗和統計規律，彈性建筑涂料的拉伸強度一般不會高于 4～5 MPa，因此 RYTL-2 和 RYTL-6 的彈性不足，僅為具有彈性的普通建筑涂料。為滿足斷裂伸長率、特別是低溫斷裂伸長率的要求，如使用該兩種彈性乳液，則應適當提高彈性建筑涂料中彈性乳液的含量，或者降低顏料體積濃度。

3.4 彈性建筑涂料的微觀性能

在以往的研究中，我們發現動態熱機械性能對彈性建筑涂料的拉伸性能有非常重要的指導意義。玻璃化溫度較低的彈性建筑涂料的拉伸性能非常優越；玻璃化溫度過高的彈性建筑涂料拉伸性能一般都不合格。但是玻璃化溫度居中的彈性建筑涂料的拉伸性能能否合格，尚未有足夠的數據支持某種結論［9，10］。

本文中使用的 4 種彈性乳液的玻璃化溫度不低也不高，屬于玻璃化溫度居中的情況。為研究該類彈性乳液制備的彈性涂料的微觀性能，測試了這 4 款彈性建筑涂料的動態熱機械分析性能，曲線如圖 4 所示，玻璃化溫度和損耗因子的具體值如表 3 所示。

圖4 彈性建筑涂料的動態熱機械分析曲線

表3 彈性建筑涂料的動態熱機械分析的結果

從圖 4 和表 3 可以看出，動態熱機械分析獲得的玻璃化轉變溫度比 DSC 分析更加靈敏。使用軟乳液的RYTL-1 的玻璃化轉變溫度比 RYTL-4 的玻璃化轉變溫度低了 4 ℃。

RYTL-1 和 RYTL-4 的損耗因子最大值比較高，均＞1。而另外兩種彈性建筑涂料的損耗因子最大只有0.7～0.8 左右。結合動態熱機械分析和拉伸性能的結果，我們知道損耗因子高的彈性乳液或者彈性涂料的拉伸強度更低，斷裂伸長率更高。

雖然 RY T L-2 的玻璃化轉變溫度最高，但是 RYTL-2 展示了更寬的損耗因子峰。這可能是因為 RY-2 的分子量分布與其他的 3 款彈性乳液相比更寬，小分子量的分子的含量更高。RYTL-2 在較低溫度的損耗因子值接近于使用軟乳液的 RYTL-1，而不是接近使用硬乳液的 RYTL-6。因此 RYTL-2 的拉伸性能是介于比較軟的 RYTL-1、RYTL-4 和比較硬的 RYTL-6 之間的。

綜合以上分析，在利用動態熱機械分析的結果對彈性涂料的拉伸性能進行判斷的時候，首先應關注玻璃化轉變溫度，然后還應該關注損耗因子的峰的形狀；在玻璃化溫度和損耗因子峰的形狀接近的條件下，損耗因子的值也能反映彈性建筑涂料的拉伸性能。

4 結論

拉伸性能是彈性乳液的關鍵技術參數，也是彈性建筑涂料產品的質量控制的關鍵指標。不同彈性乳液雖然成分和結構類似，但是由于聚合過程造成的分子量、分子量分布、分子間相互作用力等方面的不同而展現出了巨大的拉伸性能差異，這種差異直接影響了使用該種彈性乳液的彈性建筑涂料的拉伸性能。使用動態熱機械分析手段能夠分析彈性乳液的更深層次結構，并幫助推斷彈性建筑涂料的拉伸性能是否合格。Q