粉料组成对聚合物水泥防水涂料拉伸性能的影响
郝 宁,孙江波,李富伟,刘思宇
(远大洪雨(唐山)防水材料有限公司,河北唐山 301505)
0 前 言
水泥基防水材料耐久性好,与基层能完全相容,但是不适应变形;柔性防水材料品种多样,适应变形,但与基层相容性差,而且存在拉伸强度低、防水性差的问题。
聚合物水泥防水涂料简称JS防水涂料,它是以丙烯酸酯、乙烯-乙酸乙酯等聚合物乳液为液料主要组分,以水泥、重钙、石英粉等为粉料主要组分,两种组分按一定比例混合后经水分挥发和水泥水化反应固化,最终形成一层均匀而富有弹性的橡胶弹性涂膜。它弥补了水泥基材料柔性不足以及聚合物易溶胀、防水性差、耐久性不好的缺陷,提高了涂料的强度及耐久性,达到了二者性能上的优势互补,起到了“复合叠加”效应。
但是,在制备JS防水涂料的过程中发现,同样配方工艺得到的材料,夏季成膜后的断裂伸长率较冬季偏高,而拉伸强度则偏低。而在产品的生产、销售过程中,产品的液粉比确定好之后一般不会轻易变动,因为液粉比一旦变动,产品说明书、检测报告、包装桶、合格证等一系列相关内容均需变动,所造成的损失较大,且影响产品的正常生产、销售;调整液料组分会引起较大的成本浮动。为解决上述问题,本研究是在确立了液粉比及液料组成的前提下,探究粉料的不同组成对涂膜拉伸性能的影响,为不同季节微调配方以制备拉伸性能均衡的产品提供理论依据。
1 实验部分
1.1 主要原材料(见表1)
1.2 主要仪器设备
旋转黏度计,NDJ-5s,天津市精科材料试验机厂;电热鼓风干燥箱,FX101-1,上海仪器仪表有限公司;自动拉力试验机,CMT4503,美特斯工业系统(中国)有限公司;冲片机,CP -25 型,天津建仪试验仪器厂。
1.3 参考配方(见表2、表3)
1.4 物料组成及液粉比
液料主要由乳液、水、消泡剂、分散剂等按一定比例均匀混合制得;粉料主要由水泥、重钙、石英粉按一定比例均匀混合制得;本文中液料、粉料质量比为1∶1。
1.5 涂膜制备
分别称取在标准实验条件下放置后的液料和粉料,将粉料边搅拌边添加到液料中,混合搅拌5 min,静置1~3 min,然后倒在聚四氟乙烯模具中,用刮刀刮平。分两次涂覆,两道间隔时间为12 h,试件厚度为1.4~1.7 mm。在标准条件下放置96 h,脱模,将试件反面朝上在40 ℃电热鼓风干燥箱中放置48 h。取出,在干燥器中冷却至室温[4]。
1.6 性能检测
无处理拉伸性能按GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》“9 拉伸性能”进行,拉伸速度为(500±50) mm/min。
2 结果与讨论
2.1 粉料为100%水泥、100%重钙、100%石英粉及无粉料时涂膜的拉伸性能
极限试验可将结果的差异性无限放大,从而得到比较明晰的试验结论。本部分采用了极限试验的方法测试粉料全部为水泥、重钙、石英粉时涂膜的拉伸性能及液料单独成膜时涂膜的拉伸性能(粉料无法单独成膜,此情况不予考虑)。从图1可以看出,不添加任何粉料时涂膜的拉伸强度最小,断裂伸长率最大。当添加水泥、重钙或者石英粉之后,涂膜的拉伸强度明显增大,断裂伸长率明显减小,说明无论水泥、重钙还是石英粉,均具有增大拉伸强度、降低断裂伸长率的作用。3种粉料对于拉伸强度增大效果的排序为:水泥>重钙>石英粉;3种粉料对于断裂伸长率的减小效果的排序为水泥>重钙>石英粉,即水泥、重钙对涂膜拉伸性能的影响较大。
当然,JS防水涂料的粉料不能全是重钙或者石英粉,因为没有水泥是不能称之为JS防水涂料的。但是,当粉料全部为水泥时,涂膜的拉伸强度偏大,断裂伸长率偏小,极易出现断裂伸长率不合格的情况,尤其到了冬季,此现象尤为明显。因此,接下来重点考察了粉料中水泥占比与重钙占比对涂膜拉伸性能的影响。
2.2 水泥占比对涂膜拉伸性能的影响
本部分粉料由水泥、重钙、石英粉组成,石英粉作为辅助变量。考察的水泥占比区间为拉伸性能合格前提下配方设计的常用区间。从图2拉伸强度和断裂伸长率的变化趋势图可知,随着水泥在粉料中的占比增加,涂膜的拉伸强度和断裂伸长率均呈现先增大后减小的趋势。说明水泥的占比并不是越大越好或者越小越好;也说明在水泥、重钙、石英粉粉料体系中,并不是增加水泥占比就一定会降低断裂伸长率,而是需要将水泥占比设计在一定的范围之内。为了进一步探究水泥占比对于涂膜拉伸性能的影响,又考察了水泥占比为38%和49%两种情况,如图3所示。
从图3可以看出,扩大了水泥占比区间之后,似乎没有了规律可言。这也进一步印证了我们的结论,水泥占比需要设计在一定的区间范围之内,而40%~48%是比较合理的设计区间,在这个区间范围内,拉伸强度和断裂伸长率均符合GB/T 23445—2009《聚合物水泥防水涂料》中Ⅰ型材料的指标要求。
2.3 粉料中重钙占比对涂膜拉伸性能的影响
本部分粉料由水泥、重钙、石英粉组成,石英粉作为辅助变量。碳酸钙是一种微溶性物质,在JS防水涂料中选用碳酸钙的作用有类似选用石英粉的地方。所不同的是,碳酸钙是一种弱极性物质,在JS防水涂料成型时有一定的活性作用。这主要体现在弱缓冲性上,可调节pH值,从而调节水泥的水化速度及防水涂膜的成型过程[5]。从图4可以看出当重钙占比在10%~30%范围内时,断裂伸长率呈增大趋势,在30%~50%范围内呈减小趋势;当重钙占比在10%~40%范围内时拉伸强度呈先增大后减小的趋势,在40%~50%范围内呈增大趋势。重钙占比在10%~50%范围内拉伸强度和断裂伸长率均符合GB/T 23445—2009《聚合物水泥防水涂料》中Ⅰ型材料的指标要求。
2.4 时间与黏度的变化关系
从图5(a)可以看出液料和粉料混合后浆料黏度随着时间的延长而增大,到40 min后变化较为明显,且40 min后混合浆料中的气泡开始明显增多。这是因为当水泥遇到水时,水化反应开始,Ca(OH)2溶液很快达到过饱和并析出晶体,同时生成钙矾石晶体及水化硅酸钙凝胶体,乳液中的聚合物颗粒便沉积到凝胶体和未水化的水泥颗粒上。随着水化反应进行,水分不断消耗,水化产物增多,聚合物颗粒逐渐聚集在毛细孔中。水化过程由于热量的释放及结构的变化,再加上容器中的浆料黏度较大且容器较深,可能会形成一定的气泡而无法消除。从图5(b)可以看出随着时间的延长重钙对体系黏度无明显影响,这是由于重钙与水和聚合物乳液几乎不发生反应。
3 结 语
采用极限试验法考察了水泥、重钙、石英粉对JS防水涂料涂膜拉伸性能的影响,得出水泥、重钙、石英粉均会提高聚合物的拉伸强度,降低断裂伸长率,且水泥>重钙>石英粉。进一步考察了水泥占比和重钙占比对涂膜拉伸性能的影响,发现在一定的占比范围内,水泥、重钙的占比对涂膜的拉伸性能有明显的规律可循。同时,随着液料、粉料混合时间的延长,所得浆料的黏度逐步增大,当混合时间大于40 min后,浆料的黏度增大趋势较为明显,且浆料中开始出现较多气泡。