聚合物水泥防水涂料的機理及應用進展

嚴芬英， 趙春英

(沈陽理工大學環(huán)境與化學工程學院，遼寧沈陽 110159)

聚合物水泥防水涂料的機理及應用進展

嚴芬英， 趙春英

(沈陽理工大學環(huán)境與化學工程學院，遼寧沈陽 110159)

簡要介紹了聚合物水泥防水涂料的成膜機理及其防水機理，提出了該防水涂料聚合物乳液的選擇標準-玻璃化溫度。并從乳液用量、施工條件及作業(yè)面涂覆三個方面分析了該防水涂料在實際應用中存在的問題，闡明了聚合物水泥防水涂料的未來發(fā)展方向。

聚合物水泥防水涂料;成膜機理;丙烯酸酯乳液

引 言

聚合物乳液改性水泥材料研究的第一篇專利在1924年發(fā)表于 Lefebure［1］。日本對于這方面的研究工作做得比較早，水平也比較高。我國從20世紀90年代初開始研制聚合物水泥防水涂料，并于1995年通過建設部技術鑒定。近年來，聚合物水泥防水涂料在我國發(fā)展迅速，據專家分析2010年及以后將是聚合物水泥防水涂料應用增速較快的時期［2］。

聚合物水泥防水涂料，又稱JS復合防水涂料，是以有機聚合物乳液和無機水泥復合而成的一種雙組分、水性建筑防水涂料，該防水涂料將有機材料的柔韌性﹑防水性和無機材料強度高﹑易與潮濕基面粘結等特性結合于一體，并使其在不同的條件下各自發(fā)展并相互作用，相互牽制。該種防水涂料以水為分散劑，克服了焦油、瀝青及溶劑型防水涂料造成污染的弊病［3］，且無毒、不燃、生產和使用都較方便，安全及生產成本也較低［4］，滿足國家提倡的環(huán)保要求，順應防水涂料綠色環(huán)保的趨勢，是建筑防水涂料行業(yè)的后起之秀。

1 聚合物水泥防水涂料的成膜及防水機理

1.1 聚合物水泥防水涂料的成膜機理

聚合物水泥防水涂料是通過在聚合物乳液等有機液料和水泥等無機粉料混合物中加入其它助劑而復合成為一體的防水涂料。當涂料涂覆在被涂物上，由液態(tài)或粉末狀變成固態(tài)薄膜的過程，稱之為涂料的成膜過程或涂料的固化，一般亦稱為涂料的干燥。

聚合物水泥防水涂料是一種兼具揮發(fā)固化和反應固化雙重特點的防水涂料［5］。其成膜機理［6］是將液料和粉料以一定配比混合后，在攪拌過程中聚合物微粒與水泥顆粒之間形成一種包覆與被包覆的關系。因水泥是一種活性很強的無機材料，能與聚合物乳液中的一部分水相遇發(fā)生水化反應，Ca(OH)2溶液很快達到飽和并析出晶體，同時生成鈣礬石以及水化硅酸鈣凝膠體;而聚合物乳液中的另一部分水分會揮發(fā)，使高分子微粒脫水而粘連在一起，從而形成連續(xù)的強塑性薄膜。隨著反應的進一步進行，水分不斷消耗和逸失，在凝膠體上和在孔隙中緊密堆積的聚合物顆粒之間會慢慢靠攏而相互凝聚在一起，形成一種連續(xù)的立體構型的網絡結構，并與水化水泥漿體互穿基質的混合體，使水化產物及骨料之間相互膠接。董松等［7］利用掃描電鏡(SEM)對防水涂料的成膜過程進行了微觀結構分析，顯示該微觀結構是以針狀或類似針狀的結晶水化產物占主體結構，而聚合物水泥基防水涂膜的組織結構是以聚合物網絡結構為主體，未水化的水泥、其它無機填料和水化產物鑲嵌其中的連續(xù)結構網絡［4］，同時由于聚合物和水泥之間存在化學鍵合，這樣又強化了界面結合［8］，提高界面斷裂能，因而聚合物水泥基防水涂料能夠形成堅韌高強、具有連貫性的整體涂膜。

1.2 聚合物水泥防水涂料的防水機理

根據對目前已有的防水涂料產品進行分析得出，其防水機理可以分為兩大類，一類是通過形成完整的涂膜阻擋水的透過或水分子的滲透;另一類是通過涂膜本身的憎水作用防止水分透過。聚合物水泥防水涂料則是根據第二類機理研制出來的。

當聚合物乳液和水泥灰漿相混合時，會形成以聚合物為主體框架，包覆著未水化水泥、水泥水化產物及其它顏填料的連續(xù)涂膜。固體高分子的分子與分子之間存在一些間隙，其間隙的寬度很小，約為幾個納米，按常理來說單個的水分子是完全可以從這些間隙中通過，但自然界的水通常處于締合狀態(tài)，幾十個水分子之間由于氫鍵作用而形成一個較大的水分子團，這樣水分子團實際上很難通過高分子之間的間隙，也就是所謂的“以水止水”，所以聚合物水泥防水涂料涂膜既具有透氣又有防水的功能［9］。在20世紀50年代，日本的津田勇根據這個機理研制出以高模數乙烯-醋酸乙烯共聚乳液(EVA)和高鋁水泥為主要成分的自閉型聚合物水泥防水涂料(PARATEX)［10］。PARATEX 涂膜兼有合成高分子材料的延伸性、柔韌性好的特點和水泥類材料粘結性好、強度高的特點，這不僅對基層的裂縫有一定的跟蹤、隨動性，而且一旦涂膜發(fā)生細小裂紋，由于水對樹脂成分的溶脹效應以及裂縫界面水泥中析出產生的碳酸鈣被樹脂中的活性膠凝劑吸附、固化和堆積，可堵塞進水通道，從而使裂隙自行封閉。

2 聚合物水泥防水涂料乳液的選擇

聚合物乳液是防水涂料的主要成膜物質，是影響涂料性能的主要因素，關系到涂膜的耐水性、硬度及柔韌性等性能，因此聚合物乳液作為防水涂料的基料起著非常關鍵的作用［11］。用于制備聚合物水泥基防水涂料的聚合物乳液有很多種，主要有丁苯乳液、乙烯-聚醋酸乙烯(VAE)共聚乳液、丙烯酸酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯乳液和氯丁膠乳等［12］。θg是非晶態(tài)高聚物玻璃態(tài)與高彈態(tài)兩態(tài)轉變的溫度，將玻璃化溫度(θg)作為聚合物乳液的選擇標準。對于普通的乳液，一般來說溫度低于θg，乳液不會發(fā)生凝結;溫度高于θg，乳液便會發(fā)生凝結而形成一層致密的薄膜［4］，因此乳液的玻璃化溫度是影響乳液性能的主要因素。乳液的玻璃化溫度越低，生產的聚合物水泥防水涂料的柔韌性、斷裂伸長率和低溫性能越好。

研究發(fā)現，聚丙烯酸酯乳液和VAE乳液符合防水涂料的基本要求，能應用配制防水涂料。丙烯酸酯乳液的綜合性能最好，有優(yōu)異的耐候性、柔韌性和耐水性，是制備聚合物水泥防水涂料的理想選擇［13］。因聚丙烯酸酯乳液分子中含有活性—COOH基團，能與水泥水化產物中的Ca2+發(fā)生作用，顯著提高材料的強度和耐水性［14］。蔣燕兮等［15］使用兩種性質不同的丙烯酸酯乳液共混，利用兩種乳液的協同效應研制的性能優(yōu)良的防水涂料。陳立軍等［16］以甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯及丙烯酸丁酯為原料研制的聚合物水泥防水涂料拉伸強度下降、斷裂伸長率增加，低溫柔性也增加。由于VAE乳液不含活性基團，為線性高分子材料，分子極性相對較大，交聯困難，在受熱和紫外線作用下，易造成分子裂解，使涂膜變脆、發(fā)硬以致破裂，因此其耐熱老化、耐水性較差，但其拉伸強度較高，耐堿性、抗蠕變性優(yōu)于聚丙烯酸酯乳液。現在一般都是將丙烯酸酯乳液和VAE共聚乳液復配研制聚合物水泥防水涂料，這兩類乳液在性能上可以相互作用，能取得良好的效果，如以聚丙烯酸酯乳液為主液料，適當添加VAE乳液，即可增加涂膜的耐久、耐水、粘結和柔韌性，又能使涂料的低溫成膜性好、拉伸強度高、斷裂伸長率好且價格適中。聚丙烯酸酯乳液的改性能力優(yōu)于VAE乳液，要達到相同性能聚丙烯酸酯乳液的用量少于VAE乳液，副作用也?。?7］。

近年來丙烯酸基防水涂料用量增加，特別是用丙烯酸和VAE復合作乳液的聚合物水泥防水涂料用量也增加。如周長遠等［18］以丙烯酸酯單體為基體研制的聚合物水泥防水涂料綜合性能良好;葉軍［19］介紹了以丙烯酸、乙烯-醋酸乙烯(EVA)二者改性的乳液為基料的反應型聚合物水泥防水涂料在2008年奧運工程中成功應用等，以這兩類乳液為基料的例子還有很多。據有關部門統計，2008年我國聚合物水泥防水涂料用乳液49%為聚醋酸乙烯-乙烯共聚乳液，48%為丙烯酸酯乳液，其余3%為丁苯乳液［20］。

3 聚合物水泥防水涂料在應用中的問題

聚合物水泥防水涂料無毒、無污染，屬于環(huán)保型產品;涂層堅韌高強，耐水、耐候、耐久及耐高溫;能在潮濕(無明水)或干燥的多種材質(如磚石、砂漿、混凝土、金屬、木材、硬塑料及玻璃等)基面直接施工，操作簡單方便，是一種性能良好的綠色環(huán)保防水產品。自20世紀末至21世紀初得到迅速的發(fā)展和大范圍的推廣使用。然而，該類產品在生產和使用中出現了很多問題。

3.1 聚合物乳液用量配比問題

聚合物乳液防水涂料的性能主要由聚合物乳液決定，這就令大多數人產生了錯覺，認為聚合物水泥防水涂料膠乳應該用量越大越好，在選購不同廠家產品時膠乳用量成了唯一的評判標準。聚合物水泥防水涂料為雙組分，施工前需要現場配置。一些施工單位為省錢，只買液料，不買粉料，為追求高額利潤而任意加大粉料用量或隨便加水調整稠度，不嚴格按照配置聚合物水泥防水涂料的聚灰比，導致產品質量失控，嚴重影響了聚合物水泥防水涂料的聲譽，被列入低劣產品［21］。因此只有了解聚合物水泥防水涂料配比的有關參數，掌握原料配比與涂料性能之間的關系［22］，嚴格按照涂料生產企業(yè)規(guī)定的配比混合才能確保防水工程的質量。

3.2 施工濕度、溫度的問題

聚合物水泥防水涂料的特點是可在潮濕基層施工，但有一個潮濕程度問題，并不是說任何潮濕的氣候環(huán)境條件或非常高的基層含水率情況下均可施工。聚合物水泥防水涂料在成膜過程中，只有約15%水泥水化，其余水泥都充當填料。水泥水化形成金屬鹽(特別是高價鋁鹽)才能與高分子活性基團起作用［23］。干燥環(huán)境可加速水分蒸發(fā)，有利于涂膜的成膜，潮濕環(huán)境有利于水泥水化，所以太干或者太濕條件對施工都不利。因此對施工的濕度范圍有要求，一般施工濕度保持在50% ～70%為宜［23］。

同樣溫度對成膜也有影響。粉料和液料相混合時，在不同的溫度條件下各自發(fā)展并相互作用、相互限制［24］。較低溫度能使粉料特別是水泥有效發(fā)揮并主導成膜過程，同時抑制有機高分子體系的主導作用;相反，較高溫度時，有機高分子發(fā)揮其主導作用，并抑制無機材料的發(fā)展。因此，為保證涂膜質量，要求涂料施工θ在5～35℃為宜［23］。

3.3 聚合物水泥防水涂料作業(yè)面涂覆的問題

再好的防水涂料也得有一定的涂層厚度作為質量保證，但僅有涂層厚度還不夠，還必須要保證一定的涂覆遍數，涂覆遍數越多，成膜的密實度越好。史紅光［25］在從事聚合物水泥防水涂料試驗時，將不同生產廠家的低溫柔性及不透水性均合格的聚合物水泥防水涂料用兩種涂覆方法制作試樣，并進行對比試驗。試驗結果表明，同一聚合物水泥防水涂料，分3次涂覆制備的試樣其斷裂伸長率要比分2次涂覆制備的試樣高。文翠琴［26］研究表明，同一聚合物水泥防水涂料，分3次涂覆制備的試樣其試驗結果符合相應的技術指標要求，而分2次涂覆制備的試樣試驗結果可能不符合要求。褚建軍等［27］研究表明，試件在相同厚度和養(yǎng)護齡期下，所測的拉伸強度、延伸率隨涂覆次數增加而有所增大;不同的涂覆方法，能導致聚合物水泥防水涂料產品試驗結果不同，并影響到產品合格性的評定。

然而，對于涂覆遍數的要求，使得一些施工單位在實際施工中只注意施工遍數而忽略涂膜的厚度，現場管理也只關心涂刷了幾遍，一些施工隊就利用這一點，將涂料加水稀釋后，比設計要求多涂一到兩遍，但厚度沒有達到要求，造成聚合物水泥防水涂料的性能變差，達不到研制該涂料的專家們所說的性能，使得聚合物水泥防水涂料在市場上的信譽度下滑。因此要嚴格按照國標規(guī)定并規(guī)范建材市場杜絕偷工減料問題。

4 聚合物水泥防水涂料的展望

隨著國家經濟的穩(wěn)定快速發(fā)展和人民生活的不斷提高，促使了我國防水建材的迅猛發(fā)展，生產更多質量好的環(huán)保型防水材料已經成為建筑行業(yè)的研究目標。聚合物水泥防水涂料是一種環(huán)境友好型建筑防水涂料，無毒、無害、無污染及施工簡便等獨特性能，符合材料科學的發(fā)展趨勢，是涂料工業(yè)最活躍的研究領域之一。聚合物水泥防水涂料的發(fā)展方向主要從以下幾個方面考慮:

1)研發(fā)屬于自己的防水涂料體系。我國自行研發(fā)的聚合物水泥防水涂料產品的性能相對國外還有距離，這是多方面原因引起的，如我國的施工技術還不成熟，涂料生產工藝落后于國外，自行研制的性能好的乳液比較少，一般都依靠進口，這使我國在原料上受到國外限制，總是在國外產品基礎上作研發(fā)，這樣會永遠落后。因此，要奠定我國在建筑防水涂料市場的基礎，必須研發(fā)一整套屬于自己原料設備體系。

2)研發(fā)高性能聚合物水泥防水涂料。我國現階段的聚合物水泥防水涂料，在外墻防水、廁浴間防水和半地下室背水面的防水工程中展示了自身的魅力，但在較深的地下防水工程中，選用此類材料失敗的案例很多。這是由于長期潮濕和水浸泡環(huán)境下，涂層體積膨脹，密度降低，防水性能差。因此未來的聚合物水泥防水涂料將向著防水性能更好，對環(huán)境適應性較強的方向發(fā)展。

3)研發(fā)多功能聚合物水泥防水涂料。由于目前使用的聚合物水泥防水涂料功能比較單一，只注重防水性能，這對防水涂料的應用區(qū)域有很大的限制，因此拓展聚合物水泥防水涂料功能，是未來防水涂料發(fā)展的必然趨勢，例如在環(huán)保防水的基礎上研究聚合物水泥防水涂料的保溫性、隔熱性及裝飾性等。

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Mechanism and Application Progress of Polymer-cement Waterproof Coating

YAN Fen-ying，ZHAO Chun-ying
(School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Film forming mechanism and waterproof mechanism of polymer cement waterproof coating were introduced in this paper and selection criteria(glass transition temperature)for polymer emulsion of the coating was proposed.Problems existed in practical application of the coating were analyzed from three aspects:emulsion amount，construction condition and operation surface coating，and development direction of the polymer cement waterproof coating was also predicted.

polymer cement waterproof coating;film forming mechanism;acrylate emulsion

TU56

A

1001-3849(2012)09-0025-04

2012-01-08