建筑業(yè)聚酯乳液制備分析
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1概述
由水泥制成的混凝土在建筑工業(yè)中已應(yīng)用了許多年了。混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度,然而它卻有較低的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。同時(shí)不能耐酸性腐蝕。由于混凝土中的微小孔隙,在將來的應(yīng)用中接受凍融的變化也會(huì)產(chǎn)生裂紋。大大降低了混凝土的各項(xiàng)性能。為了解決混凝土的這些缺陷,人們進(jìn)行了大量的實(shí)踐,研制出各種聚酯混凝土。例如:把一種熱塑性的漿液混合進(jìn)入混凝土中,當(dāng)混凝土凝固時(shí),會(huì)有一定量的氣孔存在,這時(shí)熱塑性樹脂成份就會(huì)被注入混凝土中,這些成份的存在,提高了混凝土在環(huán)境溫度下的性能。然而,當(dāng)溫度升高時(shí),這些物質(zhì)會(huì)熔化,必然降低了混凝土的強(qiáng)度。因此,這樣的材料不能廣泛地應(yīng)用于建筑工業(yè)中。由于熱固性樹脂在固化后會(huì)形成一種不溶不熔的物質(zhì),所以在混凝土中加入熱固性樹脂比加入熱塑性樹脂更能提高混凝土的性能。因而也就更有實(shí)際意義。在這方面人們已作了各種嘗試[1][2]。在加入的各種熱固性樹脂中,不飽和聚酯樹脂由于其優(yōu)異的性能和低廉的價(jià)格而備受人們的關(guān)注。本文主要討論了一種由水和不飽和聚酯樹脂乳化形成的乳液,以及用這種乳液與水泥等填料制成的聚酯混凝土的制備方法。乳液比樹脂本身成本更低,而乳液中的水可以和水泥發(fā)生水合作用而使水泥凝固。同時(shí)在配料中加入固化劑引發(fā)乳液中的聚酯與乙烯基單體發(fā)生加成聚合反應(yīng)使聚酯固化。此種方法制成的混凝土,除各方面性能優(yōu)異外,還能有效地降低成本,因此在建筑業(yè)中有一定的推廣意義。
2原理
普通的不飽和聚酯水泥由不飽和聚酯樹脂、普通硅酸鹽水泥和能產(chǎn)生游離基的催化劑以及砂子等填料組成。催化劑可用過硫酸銨。施工時(shí),把適量的水加入到聚酯水泥中,這時(shí)催化劑首先溶解。水和水泥反應(yīng)生成氫氧化鈣。這又造成催化劑的分解而產(chǎn)生游離基。游離基引發(fā)不飽和單體和聚酯發(fā)生加成聚合反應(yīng)。整個(gè)過程使液態(tài)水泥逐漸轉(zhuǎn)變固態(tài),同時(shí)緩慢放熱。所產(chǎn)生的大部分收縮應(yīng)力由塑性流動(dòng)而釋放。這種水泥和普通混凝土可以牢固粘結(jié)。含水聚酯乳液制成的混凝土固化前由兩部分組成:a•含水聚酯樹脂乳液,b•自由基引發(fā)劑、普通硅酸鹽水泥和填料。施工時(shí),含水聚酯乳液和含有活性引發(fā)劑的水泥以及填料等混合,水泥作為凝固劑浸入到乳液中,和水發(fā)生水和作用而凝固,水合作用產(chǎn)生的堿性物質(zhì)在10~15min后會(huì)活化引發(fā)劑,已活化的引發(fā)劑產(chǎn)生自由基,引發(fā)了不飽和聚酯與單體之間的聚合反應(yīng)。水合作用的熱又加速了聚合反應(yīng)的速度,結(jié)果導(dǎo)致了乳液和水泥之間的快速凝固,全部凝結(jié)過程大約在30min內(nèi)完成。聚酯乳液混凝土與普通硅酸鹽混凝土相比,固化系統(tǒng)的選用范圍更廣,除可用過硫酸銨這樣的與堿性物質(zhì)能產(chǎn)生自由基的固化體系外,還可以選用過氧化甲乙酮、過氧化環(huán)己酮等作為固化劑,以鈷鹽作為促進(jìn)劑這樣的常溫固化系統(tǒng);也可選用過氧化苯甲酰、過氧化叔丁酯這樣的中溫或高溫固化系統(tǒng)或光固系統(tǒng)進(jìn)行固化;也可以幾種固化形式配合使用。制備聚酯乳液混凝土的關(guān)鍵問題是聚酯乳液穩(wěn)定性,即聚酯乳液在貯存過程中以及在整個(gè)固化過程中都不能發(fā)生破乳現(xiàn)象。在乳液固化過程中,要求水泥和乳液中的水發(fā)生水合作用,乳液中的水逐漸消耗,直到最終乳液不再存在。隨著水泥的加入,乳液自使至終沒有形成兩個(gè)分離的液層。
3實(shí)驗(yàn)
3•1不飽和聚酯樹脂乳液的制備
含水不飽和聚酯樹脂是早在60年代末就出現(xiàn)的一種新型樹脂,也叫做水?dāng)U充聚酯樹脂(waterextendpolyesterresin,即WEP)[3]它通常以50%~60%的水作填料,水以微小液滴分散于不飽和聚酯樹脂中形成油包水(W/O)型反相乳液。制備的過程一般是先由融熔法合成不飽和聚酯樹脂,再加入乳化劑和通過快速攪拌使水分散到不飽和聚酯樹脂中而形成聚酯乳液[4]。a•269份乙二醇、382份四溴苯二甲酸酐、224份順丁烯二酸酐、149份苯二甲酸酐投入四口反應(yīng)瓶中,通氮,升溫至160~170℃,保溫反應(yīng)1h,繼續(xù)升溫至200℃,保溫反應(yīng)大約5h,當(dāng)出水量與理論出水量接近時(shí),取樣測酸值,當(dāng)酸值小于25mgKOH/g時(shí),為反應(yīng)終點(diǎn)。反應(yīng)混合物加入580份苯乙烯中,于80℃下混合1h。形成不飽和聚酯樹脂備用。b•500份上述不飽和聚酯樹脂,加入3份異辛酸鈷促進(jìn)劑,500份去離子水,15份三乙醇胺乳化劑,于高速攪拌反應(yīng)釜中混合攪拌30min,混合物成為膠凍狀白色乳液,即為不飽和聚酯樹脂乳液。
3•2聚酯混凝土的制備
聚酯混凝土的配制可以在施工現(xiàn)場混配固化成型,也可以在混凝土加工廠制成各種板材,進(jìn)行應(yīng)用?；炫浞椒ㄈ缦?1000份聚酯樹脂乳液,500份水泥,5份硅粉,3300份砂子,2700份石子,5份過氧化甲乙酮固化劑于容器中攪拌混合?；旌衔镒⑷胗蓛蓧K玻璃鋼板形成的模具中,經(jīng)常溫固化或加溫固化,得到的聚酯混凝土板,具有較高的機(jī)械性能和較好的耐腐蝕性能。
4應(yīng)用部分
標(biāo)準(zhǔn)混凝土和普通聚酯混凝土以及聚酯乳液混凝土各方面性能的對(duì)比。從表1可以看出,聚酯乳液混凝土和聚酯混土的各相機(jī)械性能相近,而與普通硅酸鹽混凝土相比,各相機(jī)械性能有大幅度提高。聚酯乳液混凝土中水的加入量為樹脂量的90%~120%,而普通聚酯混凝土中水的加入量僅為樹脂量的9%,如果加入水的量過大,就會(huì)導(dǎo)致固化困難。因而從成本上看,聚酯乳液混凝土具有較低的成本。聚酯乳液混凝土的在凝固時(shí)僅有較小的收縮,其收縮率小于0•1%,在-60℃~135℃范圍內(nèi)性能不受影響,而且能反復(fù)經(jīng)受冷熱溫度的沖擊。聚酯乳液混凝土在實(shí)際應(yīng)用中是完全耐水的,同時(shí)耐化學(xué)品性也比普通混凝土和聚合物水泥好。因此可用于腐蝕性的化工車間地面,也可用于馬路路面,特別是橋上路面,以及其它要求表面快速固化以利修理的地方,也可成為建筑板材中重要原料。聚酯乳液混凝土是由聚酯乳液和水泥等填料現(xiàn)場混配而成,含水聚酯乳液要在聚酯生產(chǎn)廠加工生產(chǎn),因而存在一個(gè)貯存和運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性問題。一般聚酯樹脂貯存期是25℃以下6個(gè)月,而聚酯乳液在貯存過程中,除了有凝膠的可能外,還有乳液分層的潛在危險(xiǎn),同時(shí)由于長途運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)更加劇了分層的可能。因此,如果施工場距聚酯生產(chǎn)廠家較遠(yuǎn)的情況下,聚酯乳液最好在施工現(xiàn)場或在距施工現(xiàn)場不遠(yuǎn)的另一工廠配制。
5結(jié)果與討論
5•1討論
制備聚酯混凝土的關(guān)鍵步驟是不飽和聚酯樹脂乳液的制備。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),該乳液的穩(wěn)定性取決于以下幾個(gè)方面:
a•不飽和聚酯的原料配比
合成不飽和聚酯的不飽和酸與飽和酸之比最好在1•35與1•4之間。所選醇和酸原料要至少有一種是含有支鏈的大分了化合物,如新戊二醇、三甲基戊二醇、松香、四溴苯二甲酸酐、二甲苯甲醛樹脂等。
b•不飽和單體的選擇
不飽和單體可以是乙烯基單體如:苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、苯二甲酸二烯丙酯等,單體加入量低于30%時(shí),乳液很難穩(wěn)定。因此單體的加入量不能低于樹脂總量的32%。
c•乳化劑的加入
合適的乳化劑為三乙胺、三乙醇胺等陰離子堿性物質(zhì)。乳液的穩(wěn)定性隨著乳化劑加入量的增加而增大,但當(dāng)乳化劑的加入量達(dá)到某一值后,乳液的穩(wěn)定期就不再發(fā)生明顯的變化。乳化劑的加入量最好的樹脂總量的3%~4%。
d•水的加入量
乳液中水的加入量最好是乳液總量的50%~60%,含水量增大,乳液粘度隨之增大,當(dāng)含水量超過80%時(shí),乳液發(fā)生轉(zhuǎn)相,由W/O型轉(zhuǎn)變?yōu)镺/W型,粘度急劇減小,發(fā)生破乳現(xiàn)象。
e•攪拌速度
乳化反應(yīng)的攪拌速度最好不低于500轉(zhuǎn)/分,以使得不相溶的兩相分散成小于或等于25μm的微粒形式而混合。
f•穩(wěn)定劑的加入
為了保證乳液在運(yùn)輸和貯存過程中的穩(wěn)定性,最好在乳液中加入一定量的穩(wěn)定劑,如二氧化鈦或乙烯基樹脂和丙烯酸樹脂的乳液,加入量為樹脂量的1%。
5•2結(jié)論
通過選擇適當(dāng)?shù)脑吓浔群驼_的工藝路線以及一定的添加劑即可制備出穩(wěn)定的不飽和聚酯樹脂乳液,用它制成的聚酯混凝土,具有較高的機(jī)械性能和耐化學(xué)品性,在建筑行業(yè)有一定的推廣價(jià)值。