论文粉末
用于干混砂浆的VAE可再分散乳胶粉的研制
张绍华
北京东方石油化工有限公司 100023
[摘要] 采用盘式喷雾干燥工艺生产的BJ—8220可再分散乳胶粉可以很好地在水中分散成原有的乳液状态，分散后的胶粉与砂浆混合时，聚合物颗粒逐渐分散于砂浆内形成丝网状薄膜贯穿于砂浆中，提高了砂浆的各种力学性能，改善了砂浆的抗冻融能力和对基材的粘接性
[1]
能。
[关键词]干混砂浆 VAE乳液 可再分散乳胶粉 力学性能 粘接
Research and Development of VAE Re-dispersible Emulsion Powder Used for
Dry Mix Mortar
Zhang Shaohua
Beijing Dongfang Petrochemical Industry Co., Ltd. (Postal code: 100023)
Abstract: BJ-8220 re-dispersible emulsion powder produced by using disk-type spray drying process can be dispersed in water into its original emulsion state. When the dispersed polymer powder is mixed with a mortar, the polymer powder will be dispersed into the mortar gradually to form a film of silk-screen shape across the mortar. Formation of the film increases various mechanical properties, and improves the freeze-thaw resistance of the mortar and its bonding performance on the substrate. [1]
Keywords: Dry mix mortar, VAE emulsion Re-dispersible powder, Mechanical properties, Bonding
前言：可再分散乳胶粉的研究始于1934年德国的I.G.Farbenindus AC公司的聚醋酸乙烯类产品。上世纪50年代后期，德国的赫斯特公司和瓦克化学公司开始可再分散乳胶粉的工业化生产，不但很好地解决了在砂浆中添加聚合物的计量、运输、储存和废弃包装物处理的问题，也极大地提高了施工效率和操作性能。干混砂浆在二战后的欧洲尤其是德国的重建中得到快速发展，准确的计量配比也保证了砂浆使用的安全性和耐久性。
VAE可再分散乳胶粉是由VAE乳液经过特殊处理后通过喷雾干燥转化而成的可自由流动的乙烯—醋酸乙烯共聚物的白色粉末，很容易再乳化分散于水中还原成稳定的乳液，在保持VAE乳液原有特性的基础上，俄以与水泥、石英砂等充分混合制成干混砂浆。在过去的十年中，国内市场的VAE乳液季度出现供不应求的局面，德国瓦克公司适时把VAE可再分散乳胶粉引入中国。随着近几年我国对建筑施工品质和环保要求的提高以及建筑节能技术的广泛应用，作为干混砂浆中主要的功能性添加剂的可再分散乳胶粉用量快速增长。高速发展的预拌干混砂浆市场吸引了包括德国瓦克、美国国民淀粉、台湾大连化学公司和国内大大小小的40多家企业纷纷在国内上马VAE可再分散乳胶粉项目。[2]北京东方石化公司是国内最大的VAE乳液生产厂，年产VAE乳液12万吨，VAE可再分散乳胶粉的研制和生产，对于
促进VAE乳液的销售、服务于预拌砂浆企业的需求，具有重大的现实意义。
一、试验部分
1．1试验原料：
VAE乳液、PVA、NaOH、NaHCO3、蒸馏水、消泡剂、六偏、乳化剂、润湿剂 1．2设备与装置：
实验室用WP--1.5微型喷雾干燥机
该设备采用二流喷嘴雾化（盘式高速离心喷嘴雾化）和并流干燥方式。由五大系统组成：①空气加热系统，包括电（蒸汽）加热器、空气分布器、引（送）风机、空气过滤器；②气路系统，包括气锤气路和清扫气路；③物料雾化系统，包括油泵、送料泵、雾化器喷嘴（盘），④干燥除湿及物料收集系统，包括干燥室、旋风分离器、物料接收瓶、收集瓶，⑤电气控制系统。 1．3工艺流程
将配置好的喷雾液预先搅拌均匀，然后过滤到烧杯里待用。启动K1，此时上下表显示，设定进气温度，确认下表为自动状态后，设定出口温度。启动K2，引风机开始工作，检查蝶阀的位置是否正确。启动K3，加热开始，系统开始升温。启动K4（此时料泵仍然处于静止状态），当下表显示出口温度达到50℃时，打开并接通气源，调节减压阀使压力达到预定值。随着进出口温度的不断上升，料泵开始转动工作，在系统平稳前，少量泵入蒸馏水对系统进行清洗和调整。在系统进、出口温度达到设定值后，将蒸馏水切换成喷雾液，开始干燥制备可再分散乳胶粉，启动通针工作，防止物料堵塞喷嘴，出口温度由进料泵的转速自动控制调节。雾料喷完后，迅速切换向系统内喷入蒸馏水，清洗管路和喷嘴。清洗完毕后，关闭加热K3，使进、排气温度逐渐下降，待进气温度达到100℃左右，排气温度达到设定值时，顺序关闭K4、K2、K1，停加料泵、引风机、仪表电源。每次试验完成后，要对料泵喷嘴、干燥器、粉料收集系统分别用蒸馏水、自来水彻底清洗。
二、结果与讨论
我们在广泛查找国外专利和相关资料的基础上，剂和VAE乳液的自身特点，利用实验型喷雾干燥机，通过调整喷雾液的浓度、保护胶体的品种和用量、雾化器压力、干燥室进出口温度、风量，防结块剂的品种和比例，最终确定了最佳工艺条件，制得了性能良好的VAE可再分散乳胶粉，并成功放大成年产1000/5000吨生产装置，产品BJ—8220送德国检测，获得好评。
2．1喷雾浓度
经过对含固量10~54.5%的VAE乳液进行喷雾实验及查阅相关资料，我们知道，只有添加合适的保护胶体复配而成的喷雾液经过热风干燥才能形成粉体。因此，我们选择合适的保护胶体的品种和添加比例与VAE乳液配制成喷雾液，并稀释到适合喷雾的浓度。如果喷雾液浓度偏高，雾料将难以雾化，或者雾化效果不好，喷嘴很容易堵塞；雾料浓度偏低，胶粉的产能降低，热能损失很大，经济性差。表—1列出了不同喷雾液浓度对喷雾干燥的影响。
表—1 不同喷雾液浓度对喷雾干燥的影响
浓度 29 20 15 喷雾干燥效果 难以雾化，干燥室堵料多；干燥室底颗粒大，收集瓶无料 喷嘴易堵，干燥室堵料多；干燥室底颗粒大，收集瓶料少 喷嘴有时堵，干燥室堵料少；干燥室底颗粒大、多，收集瓶粉料细小 10 8
喷嘴正常，干燥室内壁料少；干燥室底颗粒大、多，收集瓶粉料细小 喷嘴正常，干燥室内壁料少；干燥室底颗粒大、多，收集瓶粉料细小 2．2保护胶体的品种和用量
试验得知，直接将VAE乳液稀释后进行喷雾干燥，几乎完全粘附在干燥室壁上，根本得不到粉末。我们参考一些专利，在VAE乳液中加入乳化剂，没有得到粉末；同时加入乳化剂和润湿剂，也没能得到粉末；乳液中加入一定量的NaOH或NaHCO3溶液，发现有固体析出；乳液中加入六偏，得到粗大颗粒，手搓成团，最终我们选用聚乙烯醇作为保护胶体。
聚乙烯醇不仅有助于粉末的形成和再分散，还能作为水泥改性剂改进产品性能。聚乙烯醇对乳液粘度的影响非常显著，聚乙烯醇水溶液加入到VAE乳液中会导致混合液浓度迅速上升，不能满足喷雾的要求，因此，选择合适的聚乙烯醇品种和添加量加入到VAE乳液中，调整适合喷雾的最佳喷雾液浓度，是保证粉末收率和质量的关键。
表—2 聚乙烯醇用量对粉末的影响 PVA量 （固体总量%） 38 30 20 18 15
本实验选用几种不同规格牌号的聚乙烯醇，醇解度85~99%,聚合度140~2100，保护胶体控制在粉料的15~38%。国际惯例是把聚乙烯醇一部分加倒入液中配制喷雾液，一部分一粉末形式添加倒胶粉中。从实验中我们发现，如果喷雾液中聚乙烯醇的用量减少，收集瓶中胶粉的粒径迅速增大，干燥室底部的接收瓶中粉料迅速减少；反之，如果喷雾液中聚乙烯醇的用量增大，收集瓶中胶粉的粒径逐渐变得很细，干燥室底部的接收瓶中粉料迅速增多，且呈大颗粒状。
2．3进出口温度
干燥器干燥室的进、出口温度是整个生产工艺能耗、产品质量控制的重点[4]。进口温度过高，喷嘴出的物料因急剧失水而聚集、焦化，从而导致进料不畅，甚至堵塞喷嘴；进口温度过低，雾化能力变低，产量减少。雾化器的出口温度既与乳液聚合物的玻璃化温度有关，又与胶粉的含水率有关。出口温度过高，聚合物粉末会粘连甚至生成块状物，影响胶粉的再分散性；出口温度过低，粉料的含水率将大幅升高。[3]
表—3 进、出口温度对产品的影响 原料 进口温度℃ 出口温度℃ 干燥室底接收瓶 粉料收集瓶 物料状态 干燥室底 料特别多、颗粒大 料有所减少 料进一步减少 料很少 几乎无料 收集瓶 料少、颗粒细小 料少、颗粒细小 料稍增多、有粗颗粒 颗粒明显细度不够 料多、颗粒粗 一 号 喷 雾 液 140 130 130 130 130 135 140 95 90 85 88 87 87 87 粉料极少 粉料很少 粉料增加、粒大 粉料少 粉料增加 粉料少 粉料很少 粉料发黄、粒大、不粘壁 粒子粗 粒子细 粒子较粗 较上一组没明显变化 粒子细 较上一组粒子粗 二 号 喷 雾 液 100 90 170 170 170 130 135 140 60 50 120 110 100 90 95 95 料多、有湿气 料少、有湿气 无料 无料 有大颗粒、有湿气 料多 料少 料较多 粒子细小、粘壁严重，加重钙形成硬颗粒 粒子细小、加重钙形成硬颗粒 粒子粗、不溶于水 粒子较上组更粗 粒子同上组更粗 粒子细 粒子细 粒子细 喷雾干燥实际上是非等焓干燥过程。空气经过预热器的等湿加热达到进口温度，经过热和质的交换，离开干燥室达到出口温度时湿度明显增大[4]。一般情况下，出口温度应比进口温度下空气的绝热饱和温度（Tas）高20~50℃，以保证空气不致于分出水滴。根据实验经验，进口温度每升高7℃，绝热饱和温度升高1℃，相应地出口温度也升高1℃。如果其它条件不变，在允许的范围内进一步降低出口温度，可以提高干燥效率，节省空气消耗和热能损耗。 2．4风量
干燥室的风量由气泵入口的蝶阀来调节。在进出口温度和干燥室内压力等条件不发生改变的基础上，增大风量，可以增加进料量，进而提高产量。 2．5防结块剂
为了防止VAE可再分散乳胶粉在生产和长期储存过程中粘结成块，有必要在粉末中加入惰性流动性材料，如：瓷土、白鹅、滑石粉、石英粉等防粘剂。防粘剂的用量一般为粉末的6~40%，最好8~30%，以聚合物种类和玻璃化温度而定。[3] 2．6干燥室（塔）内压力
干燥室内的压力一般与喷雾液的进料量和粘度有关，为了保证料液不产生坠流且雾化彻底、胶粉便于收集而不粘于器壁上，经反复试验得知，干燥室内保持微正压或零压力为宜。
2．7可再分散乳胶粉BJ-8220产品指标
依据小试确定的工艺条件和操作参数，放大后生产车间的产成品BJ-8220的各项指标如下所示，经国内建材检测部门和国外公司检测确认质量优良，先期产品已应用到国内工程。[4]同样，计算机粒度分析表明，VAE可再分散乳胶粉具有很好的粉散性，并且还原后制得的乳液呈现出与VAE乳液相似的聚合物颗粒粒度分数。
VAE可再分散乳胶粉BJ-8220质量标准：
外观 白色粉末 固含量 99±1% 堆积密度（g/l） 500±50 灰份 10±2%
粒径（μm） 355μm筛余≤2% 最低成膜温度 0℃ 玻璃化转变温度 3±1℃
三、结论
VAE乳液必须加入聚乙烯醇保护胶体并稀释配制成一定浓度的喷雾液才可以雾化干燥生产可再分散乳胶粉，聚乙烯醇品种的选择和添加比例，影响工艺条件和粉末的质量；添加
合适的防结块剂，可以改善粉末的流动性，防止结块；选择最佳的工艺条件，包括喷雾液的浓度、干燥室（塔）内的压力、保护胶体的品种和用量、进出口温度和风量、防结块结的品种和用量可以很好地控制产品质量和生产成本，再分散乳液粒度分布和粉末与水泥、砂子按一定比例配制成的建筑外保温干混砂浆检测报告表明， BJ—8220可再分散乳胶粉可以很好地在水中分散成原有的乳液状态，分散后的胶粉与砂浆混合时，聚合物颗粒逐渐分散于砂浆内形成丝网状薄膜贯穿于砂浆中，提高了砂浆的抗压、抗折性能，改善了砂浆的抗冻融能力和对水泥板、聚苯板的粘接性能。
参考文献
[1]V.R.Riley I.Razl 《Composites》(英)Vol.5，No.1，P.27—33(1974)
[2]龚辈凡。我国聚合物乳液的现状和发展态势。第六届聚合物乳液专业大会论文集，2008，5
[3]解洪梅，丁希良等。可再分散聚合物乳胶粉的制备及应用进展。化工新材料，2004，32（4）：47--50 [4]王喜忠，于才渊，周才君编著.《 喷雾干燥》第二版.北京:化学工业出版社 ,2003
作者简介：张绍华（1969--），男，本科，工程师，专题组长，多年从事乳液聚合和应用研究。现从事可再分散胶粉生产项目建设和新品种胶粉的研制。 E—mail：avs_zhang@sina.com 联系电话：13601131115