水性防锈涂料的交联苯丙乳液的合成及应用

   摘　要：合成了含有缩水甘油基、羧基和氨基的三层核壳结构的交联苯丙乳液，研究了中间层厚度、官能团单体用量对乳液性能及其涂膜性能的影响，当中间层投料量为核壳层的 50%，官能团单体甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）、甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMEMA）分别为各层投料量的3%、1.5%和3%时，乳液有最佳的综合性能。用该乳液制备的水性防锈涂料与普通苯丙乳液相比具有更好的防锈性能，涂膜耐3%盐水浸泡时间达624h。

    关键词：水性防锈涂料；苯丙乳液；交联；甲基丙烯酸缩水甘油酯；甲基丙烯酸二甲氨基乙酯

    0 引言

    由于环境保护越来越受到人们的关注，对无毒、低毒的水性防锈涂料的研究已成为当前防锈涂料发展的重要方向。

    丙烯酸聚合物保光保色性能及耐老化性能好，价格相对较低，合成时加入苯乙烯得到的苯丙乳液价格更低，常被用作水性防锈涂料成膜体系，但苯丙乳液涂膜致密性差、对水蒸汽和氧气的屏蔽性不好。乳液合成时采用交联方法可以很好地解决丙烯酸酯涂膜致密性差的问题，Ivanchev 等利用GMA、MAA、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）作为交联单体合成了一种高耐水性的两层核壳结构的苯丙乳液。

    笔者以GMA、MAA、DMAEMA为交联单体，采用在乳液聚合过程中分阶段加入交联单体，将交联官能团固定在不同层的方法，合成了一种三层核壳结构的交联苯丙乳液，研究了中间层厚度、官能团单体比例及用量对乳液聚合稳定性、贮存稳定性、涂膜交联密度和耐水性的影响，并用该乳液制备了一种防锈性能优异的水性防锈涂料。

    1　实验部分

    1.1　交联乳液的制备

    采用种子乳液半连续分段滴加不同功能单体预乳液的方法，先将部分乳化剂、去离子水和单体分别制成预乳液Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，其中Ⅰ含单体丙烯酸丁酯（BA）、苯乙烯（St）和GMA，Ⅱ含单体BA、St和MAA，Ⅲ含单体BA、St和DMAEMA。在装有温度计、冷凝管、滴加装置及搅拌的四口烧瓶中加入一定配比量的乳化剂、去离子水、 pH调节剂、预乳液Ⅰ以及引发剂，升温至 78~81℃，保温0.5~1h；然后滴加剩余预乳液Ⅰ和补加引发剂，滴完保温反应0.5h，升温至 90℃，再保温反应0.5h。同样的步骤先后加入预乳液Ⅱ和Ⅲ，待保温反应完成，降温至低于 50℃，用氨水调体系 pH值为8~9，过滤，出料待用。

    1.2　水性防锈涂料的制备

    将分散剂（六偏磷酸钠和T-731）、润湿剂、部分消泡剂、颜填料（复合磷酸锌、二氧化钛、硫酸钡、滑石粉）、去离子水等在高剪切乳化机下混合均匀，制得色浆。然后将色浆、聚合物乳液、成膜助剂、剩余消泡剂、 pH调节剂（氨水或 AMP-95）和复合增稠剂在搅拌机中分散均匀，经过滤出料。

    1.3 　性能测试

    1.3.1 乳液性能测试

    1.3.1.1 乳液粒径：用BI-90+型粒径分析仪（美国Brookhaven Instruments Corporation）测定。

    1.3.1.2 凝聚率：将聚合时产生的凝胶烘干至恒质量，凝聚率 =（m1/m2）×100%，m1为凝聚物烘干后质量，m2为单体总质量。用凝聚率来表示乳液的聚合稳定性，凝聚率越小，聚合稳定性越好。

2.3 GMA单体用量对乳液性能的影响

    在确定了中间层厚度后，为了提高交联密度，进行了官能团单体用量对乳液性能的影响实验。在各层官能团单体比例（GMA∶MAA∶DMAEMA=2∶1∶2）相同的情况下，增大各层官能团单体占该层总单体的百分率（以GMA为例），研究其对乳液聚合稳定性、贮存稳定性，涂膜的耐水性和交联密度的影响。实验结果如图3 和表5。

    由实验结果可见，随着官能团单体（表现为GMA）用量的增加，乳液凝聚率增加，贮存稳定时间减小，说明聚合稳定性和贮存稳定性均下降。这是因为官能团单体增多，聚合过程、贮存过程中易发生反应的官能团之间接触的机会就增大，交联凝聚倾向增大。成膜时也是如此，官能团越多，交联密度就越大，机械性能提高，耐水性也提高。当GMA用量占预乳液投料量的3%时，乳液有较好的综合性能。

    2.4 DMAEMA单体用量对乳液性能的影响

    在确定了核层和中间层官能团单体（GMA占核层单体总量的3%和MAA占中间层单体总量的1.5%）用量的情况下，为了进一步确定乳液的最佳配方，对DMAEMA单体的用量对乳液聚合稳定性、贮存稳定性，乳胶膜的耐水性和交联密度影响进行了研究。

    壳层单体DMAEMA作为环氧基团的交联剂，其用量增加，必然促使交联反应几率的增大，如上所示，随着DMAEMA用量的增加，乳液聚合稳定性和贮存稳定性下降，涂膜的交联密度提高。由图4还可以看出，随着DMAEMA用量的增加，涂膜吸水率增加，即耐水性降低，这是由于DMAEMA含有氨基，是亲水性单体。当DMAEMA用量占投料量的3%时，乳液的综合性能较好。

    综上所述，三种官能团单体的用量分别为占各层单体总量的：3%、1.5%、3%。

    2.5防锈涂膜耐盐水性

    防锈涂膜耐盐水浸泡实验结果如图 5，其中样品1采用商品苯丙乳液；样品2为自制交联苯丙乳液。采用自制的交联苯丙乳液制备的水性防锈涂料与采用商品苯丙乳液制得的涂料相比具有优异的防锈性能，浸泡 720h后，前者只有轻微腐蚀，而后者腐蚀十分严重。实际上，采用普通苯丙乳液的防锈涂料经盐水浸泡120h起泡，168h（实际出锈点时间）出现小锈点；采用交联苯丙乳液，624h（实际出锈点时间）才出现了小锈点。说明采用在合成时分阶段加入官能团单体，合成的交联苯丙乳液大大提高了涂料的防锈性能，主要是因为乳液交联后，形成的涂膜致密，减少了水分的渗透，涂膜的机械性能和耐水性明显增加，从而提高涂膜的防锈性。

    3 结语

    3.1 采用种子乳液半连续分段滴加不同功能单体预乳液的方法，合成了一种交联的苯丙乳液；研究了中间层厚度以及各功能单体的用量对乳液聚合稳定性、贮存稳定性，涂膜交联密度和耐水性的影响，当中间层单体投量为核壳层的一半，GMA用量占核层单体总量的3%，MAA占中间层单体总量的1.5%，DMAEMA占壳层单体总量的3%时，乳液及涂膜的综合性能最佳。

    3.2 解决了普通苯丙乳液涂膜交联不够致密、耐水性差的问题，用该苯丙乳液制备的水性防锈漆膜耐3%盐水浸泡时间达到624h，说明该乳液是一种适用于水性防锈涂料的乳液。

来自: 中国金包网