引　　言

随着国民经济的发展 , 各行各业和人民生活对电力的需求量越来越大 , 已建在建和计划建造的电厂总计起来已相当可观 , 庞大的电厂冷却塔由于长时间使用而局部或大面积的坍塌情况时有发生 , 这不仅严重影响了电厂的正常生产 , 而且带来了可怕的灾难性事故。据行家对发生坍塌现场的情况分析 : 坍塌主要原因是冷却塔内壁由于成年累月长时间地经受大量的连续不断的热水、蒸汽侵蚀、渗透 , 使水侵入到塔体混凝土内 , 腐蚀钢筋并使其断裂所致。

比较经济可靠的方法之一是 : 在冷却塔内壁上涂一层具有优良的防水防潮防渗透的涂料 , 使塔体内壁混凝土表面形成一层水蒸气隔离层 , 以阻止热水蒸汽蒸发凝结渗透进去 , 同时还要求所用涂料能耐一定的水蒸气温度 , 也即要求涂料在有一定温度情况下同样能有效阻止水蒸汽的侵入 , 并且使用的涂料至少 10 年以上不失效、不脱落、不老化 [1 ] 。

本文研制的冷却塔防水涂料为水性乳胶涂料 , 符合环保要求 , 能够满足冷却塔防水防渗性能、老化性能和施工要求以及成本低等条件 , 具有广泛的应用前景。

1 　实　　验

1. 1 　乳液的选择与制备原理

冷却塔防水涂料的水溶性由所采用的基料而定 , 水溶性的基料有无机化合物 : 水玻璃、硅溶胶、硅酸盐等 ; 有机化合物的聚合物乳液 : 有醋酸乙烯系和丙烯酸系 7 种共聚物乳液等。通过合成对比实验 , 考虑到成本因素 , 作者最终选择具有优良性质的苯乙烯 - 丙烯酸乳液 [2 ～ 4 ] 。

苯丙乳液的合成属自由基聚合 , 它借助于阴离子型和非离子型表面活性剂 , 使单体在胶束和乳胶粒中进行自由基聚合反应 , 乳化成为稳定的乳液。乳液聚合中 , 每个聚合物颗粒是一个独立的反应单位 , 互不干扰 , 每个颗粒中至少有 2 个或 2 个以上正在链增长的反应 , 因此乳液聚合所得的聚合物粒径分布较广 , 随着聚合物粒径的减少以及均匀性的提高 , 可以提高涂料的耐水性、耐湿热性和耐久性 , 同时对提高乳液的粘度、稳定性及其对颜料的粘结能力也有帮助 [5, 6 ] 。

涂料的性能主要由乳液的性能所决定 , 为了提高涂料的耐水性以及提高涂料粘度便于刷涂 ( 高空作业不宜用喷涂 , 要求涂刷 ) 减少流失流淌 , 在乳液 聚合过程中引入了新的高效助剂 , 基本达到了预期目的 ; 为了缩短涂刷工时 , 缩短涂料的表干时间 , 同时要求涂料成有色涂膜 ( 以分辨涂区与非涂区 ), 所以配制时引入了新的成膜助剂 , 提高了涂料表干时间 , 得到的涂料基本满足了能在潮湿表面立即涂刷 , 涂料附着力好 , 抗水渗、耐热水蒸汽、耐老化、高粘度、不流淌、表干时间快、成本较低等的要求。

1. 2 　苯丙乳液原料及配方

经过配方的优化组合并进行相应的性能检测 , 得到的配方如表 1 所示。

表 1 　苯丙乳液原料及配方

1. 3 　苯丙乳液合成工艺

苯丙乳液的聚合采用单体预乳化的方法 , 工艺流程如图 1 所示。

图 1 　苯丙乳液聚合工艺流程

2 　防水涂料的制备

2. 1 　防水涂料的组成

冷却塔防水涂料的研制重点和难点在于乳液的选择与合成 , 在合成了符合性能要求的苯丙乳液后再根据涂料性能要求加入一定量的成膜剂、分散剂、消泡剂以及润湿剂、增稠剂、防腐剂和防霉剂等

助剂 [ 4, 7 ] 就可以配制出符合要求的冷却塔防水涂料。

2. 2 　防水涂料的配方

防水涂料的配方如表 2 所示。
表 2 　冷却塔防水涂料配方

3 　结果与讨论

3. 1 　乳液合成工艺对乳液性能的影响

乳液聚合过程有间歇操作和连续操作两种方式。后者在合成橡胶工业中得到成功的应用 , 在涂料工业中目前大都采用间歇操作法 , 但也有不同的操作工艺 [ 8, 9 ] , 主要可分为一次加料法、单体滴加法、乳化液滴加法三种。对于同一个乳液聚合配方 , 因操作方法不同得到的乳液在粒度分布、分子量大小等方面都会有差异 , 从而导致所制得的涂料在性能上出现较大的差异。不同合成工艺对苯丙乳液聚合反应的影响如图 2 所示。

要提高防水涂料的耐湿热性和耐久性 , 需要在降低乳液中聚合物粒径的同时提高其均匀性 , 通过以上分析可以看出采用一次加料法尽管获得的聚合物均匀性高 , 但粒径比采用单体滴加法获得的聚合物粒径要大 , 同时反应速度过快 , 不宜控制。采用乳化液滴加法获得的聚合物均匀性较差 , 因此综合考虑决定采用单体滴加法 , 并且根据实验中的实际情况作了一些适当调整。

3. 2 　苯乙烯和丙烯酸丁酯的配比对乳液性能影响

在乳液聚合反应中加入苯乙烯的目的是为了降低成本 , 但由于苯乙烯缺乏粘性 , 故韧性也不好。由表 3 试验表明当苯乙烯用量超过单体总量的 50% 时 , 乳液胶膜出现明显的龟裂现象 , 同时乳液

图 2 　不同合成工艺对苯丙乳液聚合反应的影响

的粘附性下降 , 防水性能也随之降低 , 因此苯乙烯与丙烯酸丁酯的配比不应超过 1: 1 。

表 3 　苯乙烯和丙烯酸丁酯的配比对乳液性能影响

3. 3 　乳化剂种类对乳液性能的影响

乳化剂种类不同 , 其特性参数临界胶束浓度 CM C 、聚集数及单体的增溶度等各不相同。当乳化剂用量和其他条件相同时 ,CM C 值越小、聚集数越大或增溶度越大的乳化剂成核几率大 , 所生成的乳胶粒多 , 即 N p 越大 , D p 越小 , R p 越大及 M n 越高。

A 是非离子型乳型乳化剂 ,B 是阴离子型乳化剂 , 由表 4 可以看出单纯地使用非离子型乳化或阴离子型乳化剂对于该反应乳化效果不理想 , 制得的乳液粘度低 , 粘附性也差。 C 是非离子型和阴离子乳化剂的混合物 , 对于该乳液聚合反应非常适用 , 乳化效果好 , 乳液性能得到大幅度提高。

表 4 　乳化剂种类对乳液性能的影响

3. 4 　乳化剂用量对乳液性能的影响

由表 5 可以看出 , 乳化剂用量直接影响乳液的稳定性。实验表明 , 当乳化剂用量低于 2. 5% 时 , 反应生成的凝聚物较多。此外乳化剂用量过多 , 对胶膜的耐水性 , 耐擦洗性等有不利影响。一般用量为单体总量的 2. 5% ～ 3. 75% 。

表 5 　乳化剂用量对乳液性能的影响

3. 5 　引发剂用量对乳液性能的影响

引发剂主要用来控制产生自由基的速度和数量 , 使得反应能转够正常进行。由表 6 可以看出如果引发剂用量过大 , 则反应剧烈 , 导致反应过程不易控制 , 乳液性能不均一 , 颗粒化现象增加 , 甚至出现暴聚 ; 反之如果用量过少 , 又不能使单体正常反应 , 达不到引发的效果 , 引发剂用量一般占单体总量的 0. 3% ～ 0. 8% 。

表 6 　引发剂用量对乳液性能的影响

3. 6 1 号助剂对乳液性能的影响

1 号助剂是一种特殊的助剂 , 它既起防护的作用 , 又起到乳化的作用。由表 7 可以看出 1 号助剂对提高乳液粘度 , 减少絮凝物量和防止乳液颗粒化起着非常重要的作用。当其用量少于 2. 5% 时 , 有絮凝物产生 , 当其用量超过 2. 5% 时 , 絮凝物基本 消失 ; 如果用量过大 , 则会影响胶膜的耐水性。用量一般为单位总量的 2. 5% ～ 5% 。

表 7 1 号助剂对乳液性能的影响乳液

3. 7 　有机酸用量对乳液性能的影响

乳液粘度由表 8 可以看出随有机酸加入量的增加而增加。实验表明 , 当单体和有机酸混合液 pH 值在 5 ～ 6 之间时所得乳液粘度适中 , 耐水性好 ; 而当酸用量过多时 , 乳液粘附性下降 , 胶膜耐水性也 降低 ; 反之 , 酸用量过少 , 乳液颗粒化现象严重 , 粘附性大幅度下降 , 因此有机酸用量应控制在单体总量的 1. 25% ～ 2. 5% 之间。

表 8 　有机酸用量对乳液性能的影响

3. 8 　性能对比

目前市场所用冷却塔防水涂料多为纯丙涂料 , 性能基本能够满足冷却塔的要求 , 但其原材料价格为本文所研制的苯丙冷却塔防水涂料的一倍以上 , 在耐水性、耐湿热性方面性能相当 , 但附着力、冲击强度不如本文所研制的苯丙涂料 , 具体性能对比见表 9 。

4 　结　　论

(1) 该涂料具有优良的防水性和耐湿热性 , 有效地解决了热水蒸汽渗入混凝土内腐蚀钢筋的问题。

(2) 该涂料具有优良的工艺性 , 适于立面涂刷 , 表干快 , 可在混凝土潮湿表面直接涂刷 , 涂膜与基材附着力强 , 结构牢固。

(3) 该涂料具有优良的综合性能 , 成本低于现有的防水涂料 , 以水为分散剂 , 无污染 , 安全可靠 , 涂刷施工周期短 , 储存稳定性好。

(4) 该涂料除用于电厂冷却塔内壁外 , 还可广泛应于其他防水设备和设施。

表 9 　性能对比