建筑业聚酯乳液制备分析

1概述

由水泥制成的混凝土在建筑工业中已应用了许多年了。混凝土具有较高的抗压强度,然而它却有较低的拉伸强度和弯曲强度。同时不能耐酸性腐蚀。由于混凝土中的微小孔隙,在将来的应用中接受冻融的变化也会产生裂纹。大大降低了混凝土的各项性能。为了解决混凝土的这些缺陷,人们进行了大量的实践,研制出各种聚酯混凝土。例如:把一种热塑性的浆液混合进入混凝土中,当混凝土凝固时,会有一定量的气孔存在,这时热塑性树脂成份就会被注入混凝土中,这些成份的存在,提高了混凝土在环境温度下的性能。然而,当温度升高时,这些物质会熔化,必然降低了混凝土的强度。因此,这样的材料不能广泛地应用于建筑工业中。由于热固性树脂在固化后会形成一种不溶不熔的物质,所以在混凝土中加入热固性树脂比加入热塑性树脂更能提高混凝土的性能。因而也就更有实际意义。在这方面人们已作了各种尝试[1][2]。在加入的各种热固性树脂中,不饱和聚酯树脂由于其优异的性能和低廉的价格而备受人们的关注。本文主要讨论了一种由水和不饱和聚酯树脂乳化形成的乳液,以及用这种乳液与水泥等填料制成的聚酯混凝土的制备方法。乳液比树脂本身成本更低,而乳液中的水可以和水泥发生水合作用而使水泥凝固。同时在配料中加入固化剂引发乳液中的聚酯与乙烯基单体发生加成聚合反应使聚酯固化。此种方法制成的混凝土,除各方面性能优异外,还能有效地降低成本,因此在建筑业中有一定的推广意义。

2原理

普通的不饱和聚酯水泥由不饱和聚酯树脂、普通硅酸盐水泥和能产生游离基的催化剂以及砂子等填料组成。催化剂可用过硫酸铵。施工时,把适量的水加入到聚酯水泥中,这时催化剂首先溶解。水和水泥反应生成氢氧化钙。这又造成催化剂的分解而产生游离基。游离基引发不饱和单体和聚酯发生加成聚合反应。整个过程使液态水泥逐渐转变固态,同时缓慢放热。所产生的大部分收缩应力由塑性流动而释放。这种水泥和普通混凝土可以牢固粘结。含水聚酯乳液制成的混凝土固化前由两部分组成:a•含水聚酯树脂乳液,b•自由基引发剂、普通硅酸盐水泥和填料。施工时,含水聚酯乳液和含有活性引发剂的水泥以及填料等混合,水泥作为凝固剂浸入到乳液中,和水发生水和作用而凝固,水合作用产生的碱性物质在10~15min后会活化引发剂,已活化的引发剂产生自由基,引发了不饱和聚酯与单体之间的聚合反应。水合作用的热又加速了聚合反应的速度,结果导致了乳液和水泥之间的快速凝固,全部凝结过程大约在30min内完成。聚酯乳液混凝土与普通硅酸盐混凝土相比,固化系统的选用范围更广,除可用过硫酸铵这样的与碱性物质能产生自由基的固化体系外,还可以选用过氧化甲乙酮、过氧化环己酮等作为固化剂,以钴盐作为促进剂这样的常温固化系统;也可选用过氧化苯甲酰、过氧化叔丁酯这样的中温或高温固化系统或光固系统进行固化;也可以几种固化形式配合使用。制备聚酯乳液混凝土的关键问题是聚酯乳液稳定性,即聚酯乳液在贮存过程中以及在整个固化过程中都不能发生破乳现象。在乳液固化过程中,要求水泥和乳液中的水发生水合作用,乳液中的水逐渐消耗,直到最终乳液不再存在。随着水泥的加入,乳液自使至终没有形成两个分离的液层。

3实验

3•1不饱和聚酯树脂乳液的制备

含水不饱和聚酯树脂是早在60年代末就出现的一种新型树脂,也叫做水扩充聚酯树脂(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饱和聚酯树脂中形成油包水(W/O)型反相乳液。制备的过程一般是先由融熔法合成不饱和聚酯树脂,再加入乳化剂和通过快速搅拌使水分散到不饱和聚酯树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份顺丁烯二酸酐、149份苯二甲酸酐投入四口反应瓶中,通氮,升温至160~170℃,保温反应1h,继续升温至200℃,保温反应大约5h,当出水量与理论出水量接近时,取样测酸值,当酸值小于25mgKOH/g时,为反应终点。反应混合物加入580份苯乙烯中,于80℃下混合1h。形成不饱和聚酯树脂备用。b•500份上述不饱和聚酯树脂,加入3份异辛酸钴促进剂,500份去离子水,15份三乙醇胺乳化剂,于高速搅拌反应釜中混合搅拌30min,混合物成为胶冻状白色乳液,即为不饱和聚酯树脂乳液。

3•2聚酯混凝土的制备

聚酯混凝土的配制可以在施工现场混配固化成型,也可以在混凝土加工厂制成各种板材,进行应用。混配方法如下:1000份聚酯树脂乳液,500份水泥,5份硅粉,3300份砂子,2700份石子,5份过氧化甲乙酮固化剂于容器中搅拌混合。混合物注入由两块玻璃钢板形成的模具中,经常温固化或加温固化,得到的聚酯混凝土板,具有较高的机械性能和较好的耐腐蚀性能。

4应用部分

标准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对比。从表1可以看出,聚酯乳液混凝土和聚酯混土的各相机械性能相近,而与普通硅酸盐混凝土相比,各相机械性能有大幅度提高。聚酯乳液混凝土中水的加入量为树脂量的90%~120%,而普通聚酯混凝土中水的加入量仅为树脂量的9%,如果加入水的量过大,就会导致固化困难。因而从成本上看,聚酯乳液混凝土具有较低的成本。聚酯乳液混凝土的在凝固时仅有较小的收缩,其收缩率小于0•1%,在-60℃~135℃范围内性能不受影响,而且能反复经受冷热温度的冲击。聚酯乳液混凝土在实际应用中是完全耐水的,同时耐化学品性也比普通混凝土和聚合物水泥好。因此可用于腐蚀性的化工车间地面,也可用于马路路面,特别是桥上路面,以及其它要求表面快速固化以利修理的地方,也可成为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现场混配而成,含水聚酯乳液要在聚酯生产厂加工生产,因而存在一个贮存和运输的稳定性问题。一般聚酯树脂贮存期是25℃以下6个月,而聚酯乳液在贮存过程中,除了有凝胶的可能外,还有乳液分层的潜在危险,同时由于长途运输的振动更加剧了分层的可能。因此,如果施工场距聚酯生产厂家较远的情况下,聚酯乳液最好在施工现场或在距施工现场不远的另一工厂配制。

5结果与讨论

5•1讨论

制备聚酯混凝土的关键步骤是不饱和聚酯树脂乳液的制备。经研究发现,该乳液的稳定性取决于以下几个方面:

a•不饱和聚酯的原料配比

合成不饱和聚酯的不饱和酸与饱和酸之比最好在1•35与1•4之间。所选醇和酸原料要至少有一种是含有支链的大分了化合物,如新戊二醇、三甲基戊二醇、松香、四溴苯二甲酸酐、二甲苯甲醛树脂等。

b•不饱和单体的选择

不饱和单体可以是乙烯基单体如:苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、苯二甲酸二烯丙酯等,单体加入量低于30%时,乳液很难稳定。因此单体的加入量不能低于树脂总量的32%。

c•乳化剂的加入

合适的乳化剂为三乙胺、三乙醇胺等阴离子碱性物质。乳液的稳定性随着乳化剂加入量的增加而增大,但当乳化剂的加入量达到某一值后,乳液的稳定期就不再发生明显的变化。乳化剂的加入量最好的树脂总量的3%~4%。

d•水的加入量

乳液中水的加入量最好是乳液总量的50%~60%,含水量增大,乳液粘度随之增大,当含水量超过80%时,乳液发生转相,由W/O型转变为O/W型,粘度急剧减小,发生破乳现象。

e•搅拌速度

乳化反应的搅拌速度最好不低于500转/分,以使得不相溶的两相分散成小于或等于25μm的微粒形式而混合。

f•稳定剂的加入

为了保证乳液在运输和贮存过程中的稳定性,最好在乳液中加入一定量的稳定剂,如二氧化钛或乙烯基树脂和丙烯酸树脂的乳液,加入量为树脂量的1%。

5•2结论

通过选择适当的原料配比和正确的工艺路线以及一定的添加剂即可制备出稳定的不饱和聚酯树脂乳液,用它制成的聚酯混凝土,具有较高的机械性能和耐化学品性,在建筑行业有一定的推广价值。