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环境友好型聚合物水泥防水涂料的应用研究
杨 华1, 佛迎高2
( 1. 包头师范学院化学学院, 内蒙古包头014030;2. 包头冶金建筑研究院, 内蒙古包头014010)
0 引 言
JS 防水涂料是以聚合物乳液和水泥为主要原料的双组分水性涂料。由于以水为介质, 不存在有机溶剂挥发而造成的对人体危害和环境污染问题, 使得聚合物乳液在JS 防水涂料中的应用研究越来越受到业内人士的重视。在JC /T894- 2001 聚合物水泥防水涂料!标准中, JS 防水涂料分为1 型和2型两种。1 型产品主要用于非长期浸水环境下的建筑防水工程,2 型产品适用于长期浸水环境下的建筑防水工程。如何设计出既达到标准又满足工程要求的JS防水涂料, 需要对乳液和水泥及填料的搭配进行研究, 力求找出最佳的配比参数, 这对保证产品质量和工程质量非常重要。
1 聚合物乳液的选择
聚合物乳液是JS防水涂料的基本成膜物质, 它的性能直接影响着涂膜的性能。在选择聚合物乳液时, 可用玻璃化温度( Tg )决定。对于普通乳液, 一般来说温度低于Tg, 乳液不会发生聚结; 温度高于Tg, 乳液便会发生聚结而成一层致密的薄膜[ 1] 。
用于JS防水涂料的聚合物乳液需要具备两个特点: 第一,玻璃化温度Tg < 0 ºc , 有利于较低温度施工时涂膜的聚结并保持较好的延伸率; 第二, 低黏度, 有利于多加水泥和填料, 提高涂膜的拉伸强度。
1. 1 丙烯酸乳液
丙烯酸乳液配制的涂料对颜填料粘结力大, 成膜性好, 涂膜耐水性、耐碱性、耐老化性及保色性能好, 并且具有很好的弹性[ 2] 。为了了解不同Tg的丙烯酸乳液对涂膜性能的影响, 选择Tg为- 3ºc 、- 7 ºc 、- 20ºc 、- 40ºc 的4种丙烯酸乳液分别与铝酸盐水泥配制成4 个聚灰比( p /c, 聚合物和水泥的质量比)的JS防水涂料, 测定其涂膜的拉伸强度和延伸率, 结果如图1和图2所示。
图1表示出3种丙烯酸乳液和1种EVA 乳液( 图1、2中Tg 为- 3 ºc 的乳液)分别与铝酸盐水泥配制防水涂膜的拉伸强度与聚灰比p/ c的关系曲线。图2表示出相对应的延伸率与p / c的关系曲线。根据图1和图2分析:
( 1)总体趋势基本是随着p / c 提高, 涂膜的拉伸强度降低, 延伸率提高。当p /c< 1 时, 涂膜柔性偏小; 当p /c> 1.5时, 涂膜柔性大大增加。
( 2)乳液Tg的差异, 使得涂膜拉伸强度相差较大, 而涂膜延伸率相差较小。乳液Tg越高, 涂膜拉伸强度越大。按照JC /T 894- 2001标准中对1 型、2 型JS防水涂料拉伸强度和延伸率的要求, 上述3种丙烯酸乳液配制1 型、2 型JS防水涂料的p /c取值范围如表1。
表1 3种丙烯酸乳液p/ c取值范围
显然, 随着玻璃化温度Tg的降低, 配制1 型的JS 防水涂料p / c取值范围扩大, 配制# 型的JS防水涂料p /c 取值范围缩小。而Tg = – 40 ºc 的丙烯酸乳液由于低温柔韧性过大而强度过低, 基本无取值范围, 不适宜配制JS防水涂料。
1. 2EVA 乳液
EVA 乳液系乙烯和醋酸乙烯共聚合成的一种粘合剂, 它的突出性能是对各种基质有极好的粘接性。这种乳液配制的涂料成膜性好, 强度高。由于引入乙烯链段, 显著提高了涂膜的耐久性、耐碱性、耐候性和耐污性[ 2] 。选择低黏度的EVA乳液, 既可容纳大量填料又能保持对各种基质有极好的粘结性。这种独特性能非常适应于用填料来控制粘结强度及成本的JS防水涂料。图1、图2中显示的Tg – 3 ºc 曲线, 是用玻璃化温度为- 3 ºc 的EVA乳液与铝酸盐水泥配制JS防水涂料的涂膜拉伸强度和延伸率随p/ c变化的曲线。可以看到, 当聚灰比p /c在0. 7 ~ 1.7范围时, 涂膜拉伸强度在4.5~ 3. 3MPa, 涂膜的延伸率在80% ~ 200% , 这说明EVA乳液适宜配制# 型JS防水涂料。如果配制1 型, 则应设计p /c> 1.7。
2 水泥的应用
水泥是JS防水涂料中的另一个主要胶凝材料。水泥加水拌合时, 在水泥颗粒周围迅速形成凝胶状水膜, 并通过它在郛泥颗粒之间形成纤细针状硅酸钙水合物晶体, 进而发展成为网状立体结构[ 3] 。而当水泥与聚合物乳液拌合后, 水泥与乳液中的水进行上述水化反应; 同时乳液在失水过程中乳胶粒子即形成密实填充状态, 并发生塑性变形相互融结成膜; 经过一段时间, 乳胶膜与水泥的网状立体结构相互穿插渗透, 最终成为既有一定拉伸强度又有一定延伸率的防水涂膜。在设计配比参数时, 应充分考虑水泥品种、掺量、掺法等对JS防水涂料性能的影响。
2. 1 水泥品种对防水涂膜性能的影响
水泥品种繁多, 在选择水泥时, 一定要注意水泥与其复合乳液的适应性, 需要经过试验确定, 以防止发生乳液破乳现象.表2中的数据为T g = – 7 ºc 丙烯酸乳液、Tg = – 3 ºc EVA乳液分别与3种水泥配制JS防水涂料, 在固含量、聚粉比、聚灰比相同时, 其涂膜的拉伸强度值和延伸率。
由表2可以看出水泥品种对防水涂膜性能的影响十分明显, 而且对不同乳液的影响趋势也极不相同。
2. 2 粉料成分对防水涂膜性能的影响
为保证JS防水涂料固含量的要求, 必须加大水泥掺量。但由于水泥是活性材料, 大量添加容易导致涂料的施工性变差, 而且限制了水泥的水化反应。为解决这个问题, 本文采用水泥和石英粉复合, 进行了一系列试验。经过对大量试验数据的对比, 发现单纯水泥粉料和水泥复合粉料在p / c相同的情况下, 其拉伸强度和延伸率有明显的区别。为观察某一参数对涂膜性能的影响, 采用固定其他参数的方法进行对比。试验材料为EVA 乳液和铝酸盐水泥、石英粉复合粉料, 试验结果见表3。
表3 p /c对涂膜性能的影响
( 1)聚灰比p / c的影响
聚灰比p / c是聚合物与水泥的质量的比。表3的数据显示, 当涂膜的固含量相同、聚粉比相同、p / c在1.5 ~ 2.1 之间时, 聚合物含量大于水泥量, 涂膜性能主要是以乳液性能为主, 其拉伸强度和延伸率的变化不大; 当p /c 接近1 或小于1时, 由于聚合物减少, 涂膜性能逐渐向体现水泥的强度方向发展, 延伸率有所降低。
( 2)聚粉比的影响
聚粉比为聚合物含量与水泥和石英粉总量的比值。聚粉比对涂膜性能的影响见图3和表4。
表4 聚粉比对涂膜性能的影响
当涂膜的固含量相同、聚灰比相同时, 调整聚粉比不仅要调整聚合物的掺量, 同时还需要调整水泥与石英粉的比例。这时单用p/ c考虑有些欠妥。图3 显示的是一组涂膜延伸率分别以p/ c、聚粉比为横坐标所作的散点图。直观上看, 以聚粉比表示的散点距离线性趋势线的集中度比以p / c表示的要好。随着聚粉比的变化, 涂膜延伸率亦有变化。通过表4 的数据分析, 固定固含量为65%, 聚灰比为1.5, 当聚粉比为0.5时, 由于聚合物含量过少, 缺失高分子聚合物的弹性功能, 导致涂膜延伸率过低。经过大量试验数据比较, 在用混合粉料配制JS防水涂料时, 设计聚粉比应在1左右, 同时调整p / c以符合1 型、2 型要求, 其涂膜性能比较理想。
( 3)固含量的影响
在JS防水涂料中, 除了聚合物乳液、水泥可以决定涂膜性能外, 影响涂膜性能的另一重要因素就是固含量。表5 考察了聚粉比为0. 7, 聚灰比为1. 5时, 固含量对涂膜性能的影响。
表5 固含量对涂膜性能的影响
从表5列举的数据显示, 在保持聚粉比相同、聚灰比相同时, 固含量对涂膜拉伸强度的影响很大。如果固含量过低, 则拉伸强度和延伸率都将降低, 严重影响涂膜的性能; 若固含量过高, 会导致拉伸强度过大而延伸率过小。所以, 在原材料确定的情况下, 保证固含量达到65%的标准要求, 是设计JS防水涂料的首要因素。
通过上述分析可以看出, 影响JS 防水涂料性能的因素比较多, 系列试验数据说明了一定的问题。因此在配制JS防水涂料时, 应首先针对选择的材料设计各参数的范围, 再针对各工程具体要求调整、确定各参数值。
3 结 语
( 1)丙烯酸乳液和EVA乳液均适宜配制JS防水涂料。在乳液的T g < 0 ºc 的范围, ∀ 型宜选择Tg相对偏低的乳液, 2 型宜选择T g相对偏高的乳液。
( 2)单纯用水泥与聚合物乳液配制, 经过调整p / c可以改变防水涂膜性能。一般情况是随着p / c增大, 涂膜的拉伸强度降低、延伸率增大。如果没有特殊要求, p / c在0. 7~ 1.5左右为宜。但是要注意各种乳液和水泥的差异。
( 3)当粉料不完全是水泥时, 应首先确定聚粉比大于0.7, 保证固含量; 然后调整p / c, 使涂膜性能达到技术要求。
