朱兴亮，唐佳慧，张琳，薛斯亭，张爱黎

高硅高固含量硅丙外墙乳液制造研究

朱兴亮，唐佳慧，张琳，薛斯亭，张爱黎

（沈阳理工大学 环境与化学工程学院， 辽宁 沈阳 110159）

高固含量涂料制造是涂料行业发展趋势，有机硅改性丙烯酸树脂做基料提高了外墙涂料的耐候性。采用甲基丙烯酸甲酯等丙烯酸类单体与有机硅单体共聚，采用单体预乳化，种子乳液聚合与单体滴加工艺，制备了高硅含量高固含量硅丙树脂。以单体转化率和凝胶率为评价标准，通过单因素实验和正交实验优化了实验配方。结果表明，优化配方下制备的树脂具有较高的有机硅质量分数，达到单体总量的16%，乳液固质量分数为61.05%，且乳液稳定性好，其性能符合 GB/T 9755—2014标准。

硅丙乳液；高硅含量；高固含量；外墙乳液

硅丙乳液是通过单体共聚将带烷氧基的硅氧烷或聚硅氧烷引入到丙烯酸聚合物主链上。硅丙乳液具有光稳定性好，耐气候性好，而且拥有相对优秀的耐化学腐蚀性、耐碱性、耐水性的特点被研究和应用[1-5]。张城平[6]等研究了无机硅复合丙烯酸酯乳液的耐沾污性能，江娟[7]等研究了以硅溶胶/纯丙乳液为基料的涂料抗菌抗老化性能，冯艳文[8]等研究了钛/硅树脂-苯丙复合乳液为外墙涂料的自清洁功能。孙乾坤[9]等研究了以生物化工原料对硅丙乳液共聚改性树脂为基料的外墙涂料。有机硅在硅丙树脂中的含量直接影响硅丙树脂性能[10]。而在乳液聚合的条件下有机硅单体极易发生水解缩聚，形成空间网状结构，而导致有大量凝胶生成，因此，目前国内外市场上的硅丙乳液中的有机硅含量都不是很高。高固含量乳液一般是指固质量分数大于60%的乳液，与通常固质量分数在50%以下的乳液比，生产效率高、水资源消耗低、运输成本低、干燥快。由于高固含量高硅含量硅丙乳液制造中容易产生凝胶，因此具有高硅和高固含量的硅丙乳液报道较少。本文通过单体预乳化，种子乳液聚合与单体滴加工艺，单因素对比与正交实验方法优化配方，得到了较好的实验结果。

1 实验部分

1.1 实验原料

软单体丙烯酸正丁酯（BA）、硬单体甲基丙烯酸甲酯（MMA）、功能性单体甲基丙烯酸（MAA）、有机硅单体为八甲基环四硅氧烷（D4）、乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）。乳化剂为十二烷基磺酸钠（SLS）、烷基酚聚氧乙烯（OP-10）。引发剂过硫酸铵（APS）。其中A-151、D4试剂为工业品，其他试剂均为化学纯。

1.2 硅丙树脂的制备

称取单体于烧杯中，搅拌制成混合单体备用。称取OP-10和SLS于烧杯中，加入去离子水后加热溶解，制备复合乳化剂备用。取一半的复合乳化剂加入四口烧瓶，混合单体加入恒压滴液漏斗。室温搅拌，滴加混合单体，并保温，保温结束后取出预乳化液备用。称取定量APS于烧杯中，加入蒸馏水，搅拌溶解，制备引发剂溶液备用。剩余的1/2复合乳化剂加入四口烧瓶，并加入1/2的引发剂溶液和1/10的预乳化液。四口烧瓶置于水浴锅中，将剩余的预乳化液加入恒压滴液漏斗。加热并搅拌，待体系缓慢升温至80 ℃并出现蓝相时得到种子乳液。保温后滴加引发剂溶液和预乳化液，滴完后继续保温。保温结束后，取出乳液于烧杯中，降温至40 ℃以下，氨水调节pH值到中性，100目（150 μm）筛子过滤乳液，测定凝胶率，得到产品。

1.3 性能测试

按照GB/T 20623—2006，《建筑涂料用乳液》的规定，乳液置于比色管中，目测乳液的颜色、均匀性以及透明度等，并测定乳液的凝胶率与固含量。按照合成树脂乳液外墙涂料现行标准GB/T 9755—2014测定制备的清漆附着力与耐酸、耐碱性、涂膜耐水性等性能。

2 结果与讨论

2.1 种子乳液的量对乳液及漆膜性能的影响

种子乳液用量对乳液及漆膜性能影响见表1。

表1中看到，随着种子乳液用量增加，固含量、转换率和凝胶率降低。有较高单体转化率的种子乳液量为10%，但是同时其凝胶率也高。选择的种子的量为10%，后续实验需降低共聚产物的凝胶率。

2.2 相比的影响

相比是指使用的共聚单体总量与去离子水的比例。相比增大，意味着乳液固含量增大。研究相比对乳液及漆膜性能的影响见表2。

表2 相比的影响

表2可见，相比增大，固含量增大，凝胶率增大，单体转化率降低。清漆的附着力变差。

2.3 乳化剂用量对乳液及漆膜性能的影响

乳化剂用量对乳液及漆膜性能的影响见表3。表3中看到，转化率、固含量和凝胶率均在乳化剂含量为6% 时出现了极值。

表3 乳化剂用量的影响

2.4 引发剂用量对乳液及漆膜性能的影响

引发剂用量对乳液及漆膜性能影响见表4。

表4 引发剂用量对乳液及漆膜性能

由于过硫酸铵为引发剂所制得乳液的耐水性较好，本实验选用的引发剂为过硫酸铵。表4中看到，当引发剂为0.3%和0.5%，乳液的固含量和转换率大致相等。但是显然，当引发剂为0.3%和0.7%时，漆膜的附着力差。

2.5 有机硅用量对乳液及漆膜性能的影响

有机硅用量影响见表5。

表5 有机硅用量的影响

表5中看到有机硅质量分数为16%时，固含量和单体转换率有最大值，同时漆膜附着力最好。当有机硅质量分数大于16%时固含量和转化率都相应降低，凝胶率上升。

综合上述单因素实验，为了提高单体转化率，降低凝胶率，制备高固含量稳定的乳液，选取相比，引发剂用量和乳化剂用量作为主要因素，以转化率为评价标准制造了硅丙乳液。正交实验表见表6。

表6 正交实验表

正交实验结果见表7。表7中看到，正交实验的优方案是正交表中的7号实验，但并不是正交表中最好的实验结果8。重现第8组实验。

以实验最好结果第8组为优方案，测得涂料固质量分数为61.05%，测得制造的涂料其他性能见表8。

表8 优化配方下涂料性能

3 结 论

单因素比较，正交实验确定的最终的优化配方为相比1.7∶1；种子的量为预乳化总量10%；乳化剂用量、引发剂用量、与电解质用量分别占单体总量的7%，0.4%和0.75%；乳化剂比例为（OP-10）∶（SLS）=2∶1；反应温度为80 ℃，得到了较高固质量分数61.05%，较高有机硅质量分数16%的稳定的硅丙树脂乳液，性能符合各项国家标准。

［1］丰少伟, 刘姣, 朱本峰,等.微米SiO2粒子对硅丙树脂防污涂料性能的影响[J].涂料工业, 2017,50(09):71-74.

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［3］陈刚张,良均,阮红梅.高性能硅丙乳液的合成及其性能研究[J].现代涂料与涂装，2019, 22(06)：1-4．

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Preparation of High-silicon and High-solid Silicon-Acrylic Exterior Wall Emulsion

,,,

（Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 11000, China）

High solid content coatings preparation is the development trend of coatings industry, silicone modified acrylic resin as a base material can improve the anti-aging performance of exterior wall coatings. High silicon content and high solid content silicone acrylic resin was prepared by copolymerization of acrylic monomers such as methyl methacrylate and organosilicon monomers, pre-emulsification of monomers, seed emulsion polymerization and monomer drop processing. Taking monomer conversion and gel ratio as evaluation standard, the experimental formula was optimized by single factor experiment and orthogonal experiment. The results showed that the resin prepared under the optimized formulation had high content of organic silicon, 16% of monomer and 61.05% of solid content of emulsion, and good stability of emulsion. The properties of the resin met the GB/T9755—2014 standard.

Silicone-acrylic emulsion; High silicon content ; High solid content; Exterior wall emulsion

辽宁省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202010144019）。

2021-03-19

朱兴亮（1999-），男，四川省达州市人，研究方向：应用化学。

张爱黎（1964-），女，副教授，博士，研究方向：涂料制造与涂装技术。

TQ630.1

A

1004-0935（2021）06-0760-03