聚合物水泥基复合防水涂料各组份对其性能的影响
日期：2022-03-31
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167 核心提示：1 前言聚合物水泥基复合防水涂料作为一种新型的环保型防水涂料, 自问世以来, 每年以35%以上的速度递增。2000 年实际产量约1. 2
1 前言
聚合物水泥基复合防水涂料作为一种新型的环保型防水涂料, 自问世以来, 每年以35%以上的速度递增。2000 年实际产量约1. 2 万t, 施工面积约400 万m2, 1998 年被建设部列入/ 住宅建筑推荐用防水材料产品目录0后, 建设部在1999年又以建科[ 1999] 126 号发文确定JS 复合防水涂料为建设部科技成果重点推广项目, 并且聚合物水泥基防水涂料的行业标准已于2002 年6 月1 日正式实施。这些都促进了聚合物水泥基防水涂料的良性发展。
2 聚合物水泥基防水涂料的成膜机理[ 1- 3]
JS 防水涂料是水泥、填料等与水乳型聚合物乳液复合而成的双组份防水涂料。复合体系中水泥遇到乳液中的水即发生水化反应, 形成一定量的水泥凝胶体; 而聚合物乳液本身属于胶体分散体, 其中的聚合物颗粒向料浆中分散, 吸附在水泥及其水化产物和其它填料的表面。随着水分的消耗和逸失, 聚合物颗粒之间慢慢地靠拢而相互凝聚在一起, 进一步固化即形成连续的涂膜结构。这种涂膜以聚合物网络结构为主体, 水泥及其水化产物和其它填料被聚合物膜包裹在其间, 水泥的硅酸盐网络结构已不连续, 因此涂膜具有良好的柔韧性。该涂料弥补了水泥基材料柔性不足以及聚合物乳液涂膜再溶胀、防水性差的缺陷, 其既有有机涂料高韧高弹的性能, 又有无机材料耐久性好等优点, 二者达到了性能上的优势互补, 起到/ 复合叠加0 效应。同时还具有粘结强度高、无毒、无味、无大气污染等优点。
3 实验部分
3. 1 原材料
苯丙乳液( 北京东光) 、水泥( 重庆腾辉) 、滑石粉、方解石粉、硅灰、粉煤灰、成膜助剂、增稠剂、分散剂、调凝剂、消泡剂等。
3. 2 试验方法
主要参考G：16777- 1997《建筑防水涂料试验方法》、JC/ T 864- 2000《聚合物乳液建筑防水涂料》和JC/ T 894-2001《聚合物水泥防水涂料》。
3. 3 配制工艺流程
依次将分散剂、调凝剂、增塑剂、成膜助剂和消泡剂分别加入乳液中, 边加边搅拌, 制成液料; 将水泥和无机填料均化制成粉料, 然后将液料和粉料混合搅拌制成防水材料。
4 结果与分析
4. 1 液粉比对涂料性能的影响
液粉比是涂料中聚合物乳液的量与所用粉料量的比值。它不仅影响着涂膜的各种性能, 而且涉及到涂料的经济性。本试验比较了几种不同的液粉比: 0. 8 ：1、1 ：1、1. 2 ：1、
1. 4 ：1, 对涂料各种性能的影响。试验结果如下:
( 1) 随着液粉比的增加, 涂料的粘度急剧减小, 流动性变得更加理想( 如图1) 。
图1 液粉比对涂料粘度的影响
( 2) 涂料的粘结强度无论是在干燥基面还是在潮湿基面都在1. 2 MPa 以上。
( 3) 对于拉伸性能来说, 随液粉比的增加, 拉伸强度逐渐减小, 断裂伸长率直线升高( 如图2 和图3) 。聚合物水泥基防水涂料中的水泥与乳液中的水发生了水化反应, 增强了拉伸强度。液粉比的增大提供的水也增多, 涂膜中水泥水化也比较完全, 使涂膜的抗拉性能得到了增强。但乳液量增加后,PVC( 颜填料体积浓度) 减少, 导致涂膜拉伸强度的急剧降低,所以从总的趋势来说, 涂膜的拉伸强度随液粉比的增大而缓慢地减小。PVC 越小, 涂膜的断裂伸长率越高, 也即断裂伸长率随液粉比的增大而增大。但水化产物、滑石粉和未水化的水泥的粒子作为填料填充于聚合物涂膜中, 限制了高分子材料分子链间的自由伸缩, 所以伸长率的增长并不是很剧烈。
图2 液粉比对涂膜拉伸强度的影响
图3 液粉比对涂膜断裂伸长率的影响
( 4) 随着液粉比增大, 涂膜的吸水性有上升的趋势( 如图4) 。
图4 液粉比对涂膜吸水率的影响
4. 2 灰聚比对涂料性能的影响
灰聚比( 在此我们定义为涂料配制中所用水泥的量跟聚合物乳液干固量之比) 表征无机) 有机复合材料的组成比例,反映水泥/ 刚性0和聚合物/ 柔性0的搭配。我们通过试验去寻求合理的灰聚比, 使涂膜的性能既能保持聚合物高弹高韧的性能, 又能显示水泥水化物的一系列优点。试验中固定聚合物乳液和粉料的量, 改变粉料中填料和水泥的比例, 试验的灰聚比分别为0、1 ：3、2 ：3、3 ：3、4 ：3、5 ：3。试验结果如下:( 1) 随着灰聚比的增大, 涂料体系的粘度随之减小( 如图5) 。
图5 灰聚比对涂料粘度的影响
( 2) 随着灰聚比的增大, 拉伸强度不断增加。但灰聚比超过3 ：3 后, 增长就比较缓慢, 这主要是由于聚合物水泥基涂料中只有部分水泥参与了水化。当灰聚比为0 时( 即无水泥加入聚合物乳液中) , 涂膜的拉伸强度相对较低, 为1. 44MPa; 灰聚比为1 的涂膜与之相比, 拉伸强度提高了51% , 达2. 18 MPa( 如图6) 。灰聚比的提高, 水泥的份额加大, 水化产物相应增多, 在聚合物涂膜结构中形成了局部有序的水化产物结构, 妨碍了聚合物高分子链的自由伸缩, 导致涂膜断裂伸长率的下降( 如图7) 。
图6 灰聚比对涂膜拉伸强度的影响
图7 灰聚比对涂膜断裂伸长率的影响
( 3) 随着灰聚比的增大, 涂膜吸水率呈减小的趋势( 如图8) 。
图8 灰聚比对涂膜吸水率的影响
4. 3 成膜助剂对涂料性能的影响
成膜助剂是一种暂时性的增塑剂。它的作用在于: ¹ 促使乳胶粒子的塑性流动和弹性变形, 改善其聚结性; º降低涂料的低成膜温度。试验结果( 成膜助剂的加量按乳液的量为基准) 如下:
( 1) 随着成膜助剂掺量的增加, 涂料的粘度随之增大( 如图9) 。这是因为成膜助剂是一种高效的溶剂, 会软化乳液粒子, 使乳液粒子溶胀变大, 并且更容易凝结, 从而涂料粘度上升。
图9 成膜助剂掺量对涂料粘度的影响
( 2) 随成膜助剂掺量的增加, 涂料的拉伸强度缓慢地减小( 如图10) , 断裂伸长率逐渐增大( 如图11) 。未加成膜助剂的涂膜的拉伸强度高达5. 78 MPa, 断裂伸长率仅为83. 3%,表现出/ 刚性0特征。当乳液中加入少量的成膜助剂( 仅为乳液量的1. 5%) 时, 涂膜的拉伸性能发生了显著的变化: 断裂伸长率为204. 6%, 与未加成膜助剂的涂膜相比, 提高了将近1. 5 倍; 这时拉伸强度为3. 16 MPa, 具有明显的柔韧性特征。这因为: ¹ 成膜助剂有利于聚合物颗粒的软化, 使之更加容易产生塑性流动和弹性变形, 颗粒之间凝聚在一起, 形成完整连续的高分子网络结构。º成膜助剂也提高了乳液对水泥和滑石粉等填料的润湿性, 使两者的界面结合更加紧密。当苯丙乳液中成膜助剂的加量为4. 5%时, 涂膜的拉伸强度为2. 18 MPa, 断裂伸长率为276%, 完全能够满足防水的要求。总体上来说, 随着成膜助剂用量的增加, 拉伸强度开始时大幅度地减小, 后来降低的幅度比较缓慢; 断裂伸长率开始呈跳跃式地增加, 后来增长较为缓慢。
图10 成膜助剂的掺量对涂膜拉伸强度的影响
图11 成膜助剂的掺量对涂膜断裂伸长率的影响
( 3) 随着成膜助剂掺量的提高, 涂膜的吸水率呈上升的趋势( 如图12) 。这因为成膜助剂是一种暂时性增塑剂, 加量越大, 同一时间挥发的量也越多。挥发之后残留于涂膜中的孔隙也越多。这些孔隙为水分的寄存提供了理想的场所。
图12 成膜助剂的掺量对涂膜吸水率的影响
( 4) 随着成膜助剂掺量的增加, 低温柔性得到了提高。这因为加量比较大时, 涂膜本身比较柔软, 聚合物分子链更加舒展, 乳液的玻璃化温度得到了降低, 在较低的温度时, 高分子网络链也能保持一定的柔韧性。当加量为乳液的4. 5%时,涂膜在- 10 e 的低温箱中冷冻2 h 后弯折未发现裂纹。
4. 4 分散剂对涂料性能的影响
水泥、滑石粉等填料微粉由于表面积比较大, 表面能较高, 有凝聚的倾向。加之在存放过程中, 由于吸收湿气、受压,容易结成团状, 形成二次粒子。这种团状聚集体中间包裹着空气, 粒子之间由表面引力相互吸引。当它与水拌和时, 凝聚体外围的水泥水化, 阻碍水往内渗透, 使内部水泥粒子水化不充分, 形成了粘结力薄弱部位, 影响了材料的匀质性和终性能。因此, 在涂料配制过程中需要将二次粒子解聚成一次粒子, 而用普通搅拌方式难以达到这一目的。使用分散剂就是为了在一定的剪切力作用下, 水泥等填料的二次粒子能够充分解聚, 形成聚合物) 水泥等无机填料粒子的均匀分散体, 使得涂料具有良好的流动性、稳定性和匀质性。分散剂的加量按水泥的用量为基准。试验结果如下:
( 1) 随着分散剂掺量的增加, 涂料的粘度呈直线下降, 流动性得以提高。当分散剂加量超过0. 3%后, 粘度的变化很平缓( 如图13) 。
图13 分散剂的掺量对涂料粘度的影响
( 2) 随着分散剂掺量的增加, 涂膜的拉伸强度逐渐提高。分散性的提高, 无机填料均匀地分散于聚合物涂膜中, 更多的水泥粒子参与了水化, 在涂膜中形成局部的硅酸盐骨架结构, 增强了涂膜抗张拉的能力( 如图14) 。分散剂掺量在0. 2%以内时, 涂膜的断裂伸长率随着掺量的提高而逐渐增加; 掺量超过0. 2%后, 断裂伸长率反而有一定程度的降低( 如图15) 。这因为分散剂的加入能够达到均匀分散粉料的目的, 使微细颗粒都能被聚合物乳液有效包覆, 避免团聚颗粒在涂膜中形成缺陷的可能; 流动性的提高, 涂料的消泡效率得以提高, 涂膜中的微气泡也相应地减少, 使材质更加均匀,从而涂膜断裂伸长率上升。但分散剂加量达到一定数量后,涂膜的拉伸强度显著增加, 涂膜的“ 刚性”增强, 导致断裂伸长率有一定程度的下降。
图14 分散剂掺量对涂膜拉伸强度的影响
图15 分散剂掺量对涂膜断裂伸长率的影响
( 3) 涂膜吸水率随分散剂掺量的增加而减小( 如图16) 。
图16 分散剂掺量对涂膜吸水率的影响
4. 5 填料对涂料性能的影响
无机填料跟水泥水化产物的结合程度和乳液的亲润程度的不同, 导致涂料的性能也各不相同。试验中恒定其它因素不变, 改变填料的种类, 比较了方解石粉、滑石粉、粉煤灰和硅灰4 种填料对涂料性能的影响。由于硅灰很细, 价格较高, 先将其跟滑石粉混合后再加入乳液中。填料品种对涂料粘度、拉伸强度、断裂伸长率及吸水率的影响试验结果见表1。
表1 涂料的粘度、拉伸强度、断裂伸长率及吸水率随填料品种的变化
由表1 可以看出:
( 1) 掺加硅灰的涂料粘度较大, 并且随硅灰的增加, 粘度呈上升趋势。掺加方解石粉和滑石粉的粘度较小, 掺加粉煤灰的粘度小。
( 2) 不同的填料对涂膜的拉伸性能也有较大的影响。硅灰在硅灰和滑石粉的混合填料中所占的比例较小( 不大于10%) 时, 拉伸强度随掺量的增加而增加; 但超过10%后, 拉伸强度反而减小。这因为微细的硅灰具有填充作用, 能够使涂膜的结构更加密实。但加量过大之后, 因硅灰特细, 表面积很大, 包覆它所需的聚合物随之急剧增加, 而体系聚合物乳液是有限的, 因此有一部分的硅灰可能未被聚合物所包裹。加之硅灰不易分散, 团聚于涂膜中, 在一定程度上破坏了涂膜的完整性, 因而拉伸强度反而降低。涂料的断裂伸长率始终随硅灰掺量的提高而降低。粉煤灰和方解石粉跟水泥水化产物有较好的界面结构, 用它们作为填料的涂膜与以滑石粉为填料的涂膜相比: 大体上拉伸强度是粉煤灰大, 其次是方解石粉, 再次是滑石粉; 而断裂伸长率刚好相反, 滑石粉大, 粉煤灰小, 方解石粉居中。
( 3) 硅灰对吸水率的影响随其掺量的增加吸水率先减小后增大。滑石粉、粉煤灰及方解石粉对涂膜吸水率的影响相似。
4. 6 水泥品种对涂料性能的影响
试验中比较了白水泥( WC) ( 32. 5 级) 、普通硅酸盐水泥( OC) ( 32. 5 级、42. 5 级) 和粉煤灰水泥( FC) ( 32. 5 级) 对涂料性能的影响( 见表2) 。
由表2 对比可见:
( 1) 由于粉煤灰水泥本身粘聚性好, 用其配制的涂料粘度大; 白水泥的细度较大, 早期水化稍快些, 因此粘度较大; 用普通硅酸盐水泥配制的涂料粘度较低, 具有良好的流动性。
( 2) 选用42. 5 级普硅水泥的涂膜拉伸性能高, 断裂伸长率低。同一强度等级( 32. 5 级) 的3 种水泥相比较: 粉煤灰水泥和普通硅酸盐水泥所配制的涂膜性能较为理想, 7d 拉伸强度为2. 2 MPa, 断裂伸长率为280%; 白水泥稍差一些。
( 3) 水泥在涂膜中的水化程度越高, 涂膜的结构越致密,涂膜的孔隙也越少, 吸水率就越低。总体趋势是: 白水泥> 粉煤灰水泥> 普硅( 32. 5 级) > 普硅( 42. 5 级) 。
4. 7 养护龄期对涂膜拉伸性能的影响
试验中比较了未加水泥的苯丙乳液涂膜( SA) 和加了水泥的苯丙乳液涂膜( SA+ C) 以及国外某公司针对聚合物水泥基防水涂料开发的专用乳液所形成涂膜( DS) 的拉伸性能随龄期的变化( 如图17 和图18) 。
由图17、1 8 的对比可见: 由于聚合物水泥基复合防水涂料中水泥的水化是一个渐进的过程, 成膜后涂膜中残存的成膜助剂、增塑剂等助剂随时间的延长也在缓慢地挥发, 因此涂膜的拉伸强度随龄期的延长而增大, 但到一定时间后, 拉伸强度就不再大幅度增长, 只是平稳发展; 断裂伸长率随龄期的延长, 开始时下降, 后来就平稳发展。
图17 涂膜拉伸强度随龄期的变化
1- SA+ C; 2- DS; 3- SA
图18 涂膜断裂伸长率随龄期的变化
1- SA+ C; 2- DS; 3- SA
5 结论
( 1) 聚合物水泥基防水涂料是由聚合物乳液和水泥等无机填料复合而成的双组份涂料。它的性能受聚合物乳液的用量、水泥的品种及用量和填料的品种及用量等因素的影响。
( 2) 当液粉比为1. 2 ：1, 灰聚比为1 ：1 时, 涂膜的拉伸强度为2. 15 MPa, 断裂伸长率为276%, 完全能够满足防水涂料的要求。
( 3) 各种助剂的加入能够调节涂料的性能。分散剂有利于涂膜的均质化; 成膜助剂能改善涂料的成膜性能和低温柔性。
( 4) 养护龄期的延长, 涂膜的拉伸强度得以增强, 断裂伸长率有一定程度的降低; 超过60 d 之后, 就比较稳定。
