聚合物水泥基防水涂料性能的影响因素

0 引言
聚合物水泥基防水涂料, 又称JS 复合防水涂料, 是建筑防水涂料中近年发展起来的新型防水涂料, 该防水涂料由有机材料和无机材料复合而成, 兼有这两类材料的优点, 既有一定的刚性, 又具有一定的韧性, 并且具有很高的粘结性, 涂层可以做得很薄, 再加上这种防水涂料是一种环境友好型涂料, 对环境不造成影响, 所以越来越受到人们的青睐, 成为近几年来防水涂料发展的热点。

1 聚合物水泥基防水涂料的组成
聚合物水泥基防水涂料是由液体和固体组分组成的双组分水乳型防水涂料, 其中液体组分主要是聚合物乳液, 并添加有各种助剂; 固体组分是无机粉料, 水泥是其主要成分。可用于聚合物水泥基防水涂料的乳液有多种, 主要类型有[1]: 聚醋酸乙烯- 乙烯共聚乳液(VAE) 、丁苯乳液( SBR) 、丙烯酸酯乳液( PAA) 、苯乙烯- 丙烯酸酯和氯丁胶乳。根据聚合物乳液和水泥的不同比例, 可分为Ⅰ型( 高伸长率, 高聚灰比) 和Ⅱ型( 低伸长率, 低聚灰比) 2 类产品。

2 聚合物水泥基防水涂料的应用范围
JS 复合防水涂料适用范围较广, 可在潮湿或干燥的砖石、砂浆、混凝土、金属、木材、硬塑料、玻璃、石膏板、沥青、橡胶、SBS、APP、聚氨酯等基层上施工, 可用于厕浴、厨房间防水、外墙防水补漏、坡瓦屋面防水、屋面天沟、女儿墙、压顶的防水、地下工程和储液池工程防水等各种新旧建筑物、构筑物的各个方面。其中Ⅰ型产品适用于较干燥, 基层位移量较大的部位; Ⅱ型产品适合长期接触潮湿, 基层位移量小的部位。故开发新型、高性能聚合物水泥基防水涂料很有必要。

3 影响聚合物水泥基防水涂料性能的因素
3.1 聚合物
蔡永泰等人[2]研究了不同乳液( 丙烯酸酯乳液和VAE 乳液) 对防水涂料性能的影响, 从他们的研究结果可以看出, 由VAE 乳液制得的涂膜的耐水性、断裂伸长率明显不如由丙烯酸酯乳液制得的涂膜, 但前者制得的涂膜的拉伸强度稍高,而对一种柔性防水材料来说, 良好的耐水性和柔韧性更为重要。这是因为, 丙烯酸酯乳液中存在—COOH 基团, 通过带有—OH 基团的助剂对其进行改性, 使原有线性结构在成膜过程中形成立体网状结构, 增强了分子键能, 减少了大分子降解的可能性, 同时降低了水分子进入高分子链间, 造成涂膜溶胀的可能性, 增强了涂膜的耐水性; 而VAE 乳液为线性高分子材料, 分子中不含活性官能团, 交联比较困难, 因此分子键能较低, 在受热或紫外线照射等外界能量作用下, 部分分子键断裂, 造成分子降解, 使涂膜变脆、发硬, 以致破裂, 故其耐老化性能较差, 并且由于该乳液以聚乙烯醇作为保护胶体, 所以耐水性远不如丙烯酸酯乳液类防水涂料。蔡永泰等人[2]研究出了一种新型的改性乳液, 在他们研究的实验条件下, 得出了这样的结论, 当丙烯酸酯乳液与改性乳液之比为( 80~90) ∶( 20~10) 时, 防水涂料低温成膜性好, 且拉伸强度高,断裂伸长率大。张文华等人[3]也对不同聚合物制成的JS 防水涂料在相同条件进行了耐久性对比测试, 就低温柔性、抗拉强度延伸率和粘结强度等几个方面对VAE 类复合防水涂料和丙烯酸类复合防水涂料进行了比较研究, 得出了和前面一样的结论, 丙烯酸酯类防水涂料借助丙烯酸的网状交联结构和丙烯酸的—COOH 活性基团, 提高了复合防水涂料的性能。从以上的叙述中可以看出, 选择不同的聚合物对防水涂料的性能有很大的影响, 所以在研究过程中, 要尽量选择带有活性基团的聚合物或对现有的聚合物进行改性。蒋燕兮等人[4]做了这方面的研究: 他们选择了丙烯酸乳液A 和丙烯酸乳液B 组成的复合乳液, 丙烯酸乳液A 能均匀分布在水泥材料中, 并且在成膜后具有优良的耐水性和耐老化性; 而丙烯酸乳液B 的玻化温度较高。他们认为, 丙烯酸乳液B 的含量不能超过20%, 否则, 成膜温度会升高, 低温柔性会降低。在制备JS 防水涂料时, 可以加入一些助剂, 以提高涂膜的性能。张敏[5]认为, 加入丙烯酸酯增稠剂可增加防水涂料黏度, 使其在高剪切力下具有低黏度的流变性能; 加入适量的邻苯二甲酸二丁酯(DBP) 或氯化石蜡, 可增加膜的弹性, 以氯化石蜡效果更佳。
3.2 液粉比
液粉比是涂料中聚合物乳液的量与所用粉料量的比值。它不仅影响涂膜的性能, 而且影响涂料的经济性。林春升[6]认为, 大部分粉料仅仅是作为填料充满于液体之中, 限制了高分子链间的自由延伸, 所以复合防水涂料的延伸率随液粉比的增大而增大。随着液粉比的增大, 涂料的黏度急剧减小, 流动性变得更加理想; 对于拉伸性能来说, 随液粉比的增大, 拉伸强度逐渐减小, 断裂伸长率直线升高, 这是由于液粉比的增大, 提供的水分增多, 使得能与水泥发生水化反应的水的含量增大, 水泥水化比较完全, 使得涂膜的抗拉性能提高, 但是乳液量增加后, PVC( 颜填料体积浓度) 减少, 又会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, 但涂膜的吸水性有上升的趋势[7]。
3.3 灰聚比
灰聚比为涂料配制中所用水泥的量与聚合物乳液干固量之比。降低聚合物用量、提高水泥用量, 即增大灰聚比可以在一定程度上改善聚合物水泥基防水涂膜的耐水性和耐候性[8]。随着灰聚比的增大, 涂料体系的黏度随之减小, 拉伸强度不断提高。但灰聚比超过1∶1 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1.44 MPa; 灰聚比为1 的涂膜与之相比, 拉伸强度提高了51%, 达2.18 MPa。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; 随着灰聚比的增大, 涂膜的吸水率呈减小的趋势[7]。
3.4 成膜助剂和增塑剂
成膜助剂是一种高效溶剂, 能促使乳胶粒子的塑性流动和弹性变形, 还能降低涂料的最低成膜温度(MET) 。MET 是表征聚合物乳液特性的最常用指标, 是防水涂料施工的一个使用极限温度。聚合物乳液的玻璃化温度(Tg) 是影响MET 最主要的因素, Tg 高, 相应的MET 也高。蔡永泰等人[2]在Point- JS991的研究中, 得出了以下的结论: 选用合适的增塑剂和成膜助剂,能使MET 下降到- 5 ℃, 从而解决了传统水性防水涂料低温下难成膜这一技术难题, 同时使涂膜低温柔性增大。随着成膜助剂掺量的增加, 涂料的黏度随之增大, 涂料的拉伸强度缓慢地减小, 断裂伸长率逐渐增大, 这是由于成膜助剂能促使乳胶粒子的塑性流动与弹性变形、提高乳液对水泥和滑石粉等填料的润滑作用而出现的现象; 随着成膜助剂掺量提高, 涂膜的吸水率呈上升的趋势, 这是因为成膜助剂是一种暂时性增塑剂, 掺量越大, 同一时间挥发的就越大, 挥发之后残余于涂膜中的孔隙就越多, 这些孔隙为水分的寄存提供了理想的场所; 随着成膜助剂掺量的增加, 低温柔性得到了提高。张智强, 董松[7]研究了乳液量为4.5%的涂膜在- 10 ℃低温箱中冷冻2 h 后弯折未发现裂纹。就很好地说明了此种防水涂料具有良好的低温柔性。除了对聚合物进行改性处理外, 在配方设计中还加入特殊成分的增塑剂, 能增加体系的可塑性、柔韧性或膨胀性。增塑剂的主要作用机理是它削弱分子间的次价键力, 即范德华力, 从而增加聚合物分子链的移动性, 降低聚合物分子链的结晶性, 即增加聚合物的塑性, 从而大幅度提高材料的断裂伸长率, 降低其硬度[8]。
3.5 分散剂
为了改善复合粉料在乳液中的分散性, 有必要添加适量分散剂。有实验结果显示, 添加0.5%~1%的分散剂, 可以起到很好的分散效果, 能提高施工效率及涂膜质量[2]。张智强, 董松[7]研究发现, 随着分散剂掺量的增加, 涂膜的拉伸强度逐渐提高, 这是由于分散性的提高, 使得更多的水泥参与了水化,在涂膜的局部形成硅酸盐骨架结构, 增强了涂膜的抗拉强度。他们也研究了分散剂对水泥基复合涂料的断裂伸长率的影响, 得出的结论为: 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。这是因为分散剂能使涂料的
流动性增强, 使得材质更加均匀, 从而使得涂料的断裂伸长率增大。但是分散剂的掺量增加到一定程度时, 使得涂料的拉伸强度显著提高, 涂料的“刚性”增大, 导致断裂伸长率降低。涂膜吸水率随分散剂掺量的增加而减小。
3.6 消泡剂
由于泡沫的存在大大影响涂料的物理性能, 如刚性、抗拉强度等, 进一步影响其抗渗、耐久性能等。添加适量消泡剂, 能明显减少气泡造成的缺陷, 有效地提高涂膜的性能。蔡永泰等[2]在Point- JS991 的研究中, 消泡剂添加量约为总配方的0.5%~1.0%时, 很好地提高了涂膜的性能。
3.7 温度
林春升[6]在研究中发现, 在一定的粉液比情况下, 复合防水涂料的拉伸强度随温度的升高而降低, 而其延伸率随温度的升高而升高。褚建军和沈春林[9]在相关的研究中也得出了相同的结论。这是因为JS 防水涂料在较低温度下, 粉料特别是水泥能有效地发挥主要作用, 决定了涂料的性能, 而在较高温度时, 有机高分子起主导作用, 抑制了无机材料的发展。
3.8 养护龄期
养护龄期对水泥基材料的影响较大, 为了适应施工进度的要求, 复合防水涂料的养护龄期大多为7 d, 但有些厂家的企业标准定为14 d。复合防水涂料的拉伸强度随养护龄期的增加而增大, 延伸率则减小[6]。董峰亮, 李栋梁[10]在研究温度20 ℃, 灰聚比为1 时, 掺3 种不同水泥的复合防水涂料养护7d、14 d 和28 d 后, 延伸率和抗拉强度的变化情况, 得出了和上面一样的结论。张智强, 董松[7]研究了未加水泥的苯丙乳液涂膜(SA) 和添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) 的拉伸性能随养护龄期变化的实验, 研究发现, 在3 种实验条件下, 得出了一致的变化趋势, 即: 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。在他们研究的条件下, 超过60 d 就比较稳定。他们认为, 这是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会缓慢地挥发。褚建军和沈春林[9]也对养护龄期对涂料性能的影响做了研究, 他们得出了和前面相同的结论, 但是在他们研究的条件下, 28 d 后防水涂料的性能就比较稳定, 即抗拉强度和延伸率不再随养护龄期而变化。
3.9 涂膜厚度
林春升[11]在研究涂膜的厚度对JS 防水涂料性能的影响时, 得出: 试件厚度的增加, 所测得拉伸强度值减小, 而延伸率增加。这是由于涂膜厚度的增加, 其拉力值也在增加, 延伸率随着拉力值的增加而增大, 而拉伸强度不仅仅与拉力值有关, 还与涂膜的截面积有关。
3.10 水泥与聚合物的键合
由于聚合物与水泥存在键合, 这样就大大强化了界面结合[1], 基于这一点, 采用高价的金属盐比低价金属盐水泥更有利于聚合物乳液与水泥水化产物的键合反应; 采用含活性基团的聚合物乳液比不含活性基团的聚合乳液更有利于这一键合作用, 键合作用越强, 就会大大提高界面的断裂能, 从而使得聚合物水泥材料更致密, 材料的强度也大幅度提高[12]。
3.11 成膜次数
褚建军、沈春林[9]实验研究表明: 试件在相同厚度和养护龄期下, 所测得拉伸强度、延伸率随成膜次数增加而有所增大。史红光[13]对同一聚合物水泥防水涂料配方, 采用不同的成膜次数, 得出3 次成膜的试样比2 次成膜试样的无处理强度高10%~20%, 无处理断裂延伸率高8%~19%。由于1 次成膜时, 当试件表干后, 试件内部剩余水分没有多次成膜容易蒸发。分次成膜的质量要好于1 次成膜的质量。故在制作试件时至少要涂刷3 遍, 每次间隔时间以前一次涂膜干固不粘为准。
3.12 填料
不同的填料对JS 防水涂料的性能有很大的影响, 微细的填料具有填充作用, 能够使涂膜的结构更加密实, 但是填料的比例不能太大, 否则会影响防水涂料的性能[7]。这是因为填料很细, 比表面积、表面能很大, 需要包裹它的聚合物就要很多, 但是聚合物的量又是一定的, 这就使得一部分填料没有被聚合物包裹, 再加上填料不易分散, 团聚于涂膜中, 破坏了涂膜的完整性。胡海鹏等人[14]也研究了填料对JS 防水涂料性能的影响, 认为填料的复合化是填料发展的一大方向。

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