羥丙基淀粉醚在水泥基膩子中的應用研究

余歡，張本山，屈哲輝

（1.廣州市高士實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510450；2.華南理工大學 食品科學與工程學院，廣東 廣州 510640）

膩子是建筑物墻面涂料施工前必不可少的裝修材料，其作用是對墻面基底進行預處理，對不平整的墻面修補、填坑補裂，從而為獲得均勻光亮平滑的漆面打好基礎。隨著我國城鎮(zhèn)化進程突飛猛進和建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，內外墻膩子的需求量也不斷增長，而其中添加劑的綠色化使用成為必然趨勢[1]。

淀粉是一種可再生的綠色資源，儲量豐富，世界多地均有大規(guī)模生產。由于其具有較好的粘度和成膜性等加工特性，被廣泛應用于工業(yè)領域。淀粉醚是在堿催化作用下，淀粉分子中的羥基在醚化試劑作用下，通過醚化反應生成的淀粉衍生物，可分為離子型淀粉醚和非離子型淀粉醚。由于淀粉的醚化作用，淀粉的親水性增強，同時其膨脹度加大，糊液粘度及其穩(wěn)定性提高，且在強堿性條件下醚鍵不易打開。目前，應用于膩子中的淀粉醚，因其醚化方法不同，醚化程度也有差異，對酸堿及鹽的耐受性也有明顯差距，因此有些產品適用于普通內墻膩子，而有些產品則可應用于石膏基、灰鈣基和水泥基等外墻和各種功能性膩子[2]。

目前羧甲基淀粉醚在內墻膩子中應用較廣，其可以明顯提高膩子的稠度、抗流掛性、抗下垂性和施工性，延長開放時間等，然而由于羧甲基淀粉醚是離子型淀粉醚，與石膏和水泥的相容性差，故其不能用在外墻膩子中，極大地限制了其應用[3]。羥丙基淀粉醚是非離子型淀粉醚，與水泥石膏等膠凝材料相容性優(yōu)良，過去的工作并沒有系統(tǒng)研究羥丙基淀粉醚這一非離子型淀粉醚在膩子中的應用效果，不利于羥丙基淀粉醚的廣泛推廣。本研究通過試驗，將羥丙基淀粉醚以不同添加量添加到基礎膩子中，研究其對膩子相關性能的影響，試驗結果可供業(yè)內相關人士參考，并為羥丙基淀粉醚在建材領域中的廣泛應用提供理論支持。

1 試驗

1.1 主要原材料及儀器設備

重質碳酸鈣：300目，廣州鴻創(chuàng)貿易有限公司；白水泥：32.5級，廣州穗花水泥廠；羥丙基甲基纖維素（HPMC）：粘度為100 Pa·s（5%水溶液），山東光大科技有限公司；羥丙基淀粉醚（HPS）：采用木薯淀粉自制，摩爾取代度為0.56，粘度為4.3 Pa·s（5%水溶液）。

膩子攪拌機：SJ-15，浙江大劍工貿有限公司；數(shù)字旋轉粘度儀：DV-I Prime，美國Brookfield公司；砂漿抗壓三聯(lián)試模：70.7mm，上海魅宇儀器設備有限公司；砂漿凝結時間測定儀：ZKS-100普通型，河北精威試驗儀器有限公司；掃描電子顯微鏡：ZEISS Merlin，德國卡爾蔡司公司。

1.2 膩子的基礎配方（見表1）

表1 膩子的基礎配方

1.3 性能測試與表征

（1）膩子凈漿粘度測試：參照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》，將膩子物料混合，采用凈漿攪拌機攪拌，直到膩子變得均勻，觀測不到明顯的成團后，轉移至1 L的高腳燒杯，采用Brookfield粘度計測試其粘度。

（2）膩子流動度和保水性測試：參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行，其中保水性采用失水率的方法進行測試[4]。

（3）膩子粘結強度測試：按JG/T 24—2000《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》進行。

（4）膩子抗壓和抗折強度測試：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法》進行。

（5）膩子掃描電鏡分析：將膩子試塊經(jīng)標準條件養(yǎng)護7 d后，壓碎取出一部分小塊狀樣品，放入45℃的鼓風烘箱中烘至恒重，然后用樣品袋封裝，置于干燥皿中。以防止水泥與空氣和水分接觸而進一步水化，而影響到最終的測試結果。在樣品進入觀測室前，用雙面膠將其粘牢在樣品臺上，用洗耳球輕輕吹除其表面雜質，接著噴金，然后置于觀測室中，選擇合適的放大倍數(shù)，觀測膩子樣品的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 HPS摻量對膩子漿體粘度的影響（見圖1）

圖1 HPS摻量對膩子粘度的影響

由圖1可以看出，隨著HPS摻量增加，膩子漿體的粘度逐漸增大，當HPS用量大于0.06%時，粘度增長幅度減緩。HPS的增稠機理是淀粉經(jīng)過羥丙基醚化改性后，獲得了親水基團羥丙基，其在水中的膨脹度增加，并且其親水分子鏈與疏水分子鏈相互纏繞，增大了膩子體系流體的體積，壓縮了重鈣和水泥凝膠顆粒分散流動的空間，從而使膩子漿體的粘度增大[5]。這說明HPS可以顯著提高膩子漿體的粘度，提高其和易性，方便施工。

2.2 HPS摻量對膩子漿體流動度的影響

膩子的流動度可以反映其可塑性，通過測試膩子漿體與標準試件之間的摩擦力，推斷出膩子粉實際使用時的需水量。膩子的流動度越大，說明其需水量越少，在實際施工中，就越有利。HPS摻量對膩子流動度的影響見圖2。

圖2 HPS摻量對膩子流動度的影響

由圖2可見，隨著HPS摻量的增加，膩子漿體的流動度先減小后增大。HPS當摻量超過0.04%時，其流動度快速增大，直至超過不添加HPS的膩子漿體。這是因為，當HPS摻量較少時，其在體系中主要起增稠增粘作用；但當達到一定用量時，由于HPS分子極性較HPMC強，其鏈長也較HPMC更短，其能在水泥顆粒表面形成穩(wěn)定的膜，使原本互相吸附聚集在一起的水泥顆粒和重鈣顆粒被分散，并使這些顆粒之間的摩擦力減弱，從而起到了對HPMC聚合物的保護，以及克服膠凝材料聚沉的作用，最終使膩子的流動性增大[6]。

2.3 HPS摻量對膩子表干時間和保水性的影響（見圖3）

圖 3 HPS摻量對膩子表干時間和保水率的影響

由圖3可以看出：隨著HPS摻量的增加，膩子的表干時間越來越長。當HPS摻量從0.02%增加到 0.06%時，保水率顯著提高；當HPS摻量大于0.06%時，保水率增加幅度減小。

其原因主要是：（1）由于HPS的保水作用，HPS分子結構上的羥丙基是親水基團，其與水分子結合，使自由水變成結合水，起到良好的保水作用。（2）摻入HPS使膩子漿體變稠，同時在機械攪拌作用下，HPS的一部分螺旋鏈結構被拉直，大量的這種鏈和原本支鏈，以及膩子體系中的膠凝顆粒粘接，交錯相連，形成牢固的三維結構，使水分子被牢牢地束縛在膩子漿體中，不易揮發(fā)，從而使表干時間延長，起到了保水作用。（3）摻入HPS使膩子漿體變稠，體系中的一些氣體難以排出，這些氣體形成微小起泡，起到“滾珠效應”，使膩子的施工性得到改善，并且在膩子硬化后，這些小氣泡仍然彼此獨立存在，會阻隔毛細孔道，減緩游離水揮發(fā)速度，因此提高了膩子的保水率，延長了膩子的表干時間。（4）HPS與水泥之間的相互作用，HPS具有良好的成膜性，其在膩子漿體中包裹住水泥，會延緩水泥的水化動力學進程，同時HPS被吸附在C-S-H凝膠和氫氧化鈣的水合物中，降低了體系各種離子（Na+、Ca2+和SO42-等）在孔液中的活動力，從而進一步延緩了水化進程，最終的結果是表干時間延長，保水性增加[7]。

2.4 HPS摻量對膩子粘結強度的影響

粘結強度是在標準養(yǎng)護條件下，膩子試塊在持續(xù)增加的拉力下，膩子表面出現(xiàn)裂痕時，砂漿單位面積所承受的拉力。膩子粘結強度過低易出現(xiàn)墻面掉粉、脫裂等問題。HPS摻量對膩子粘結強度的影響見圖4。

圖 4 HPS摻量對膩子粘結強度的影響

從圖4可以看出，隨著HPS摻量增加，膩子的粘結強度逐漸提高。這是因為HPS分子鏈上的羥丙基與鋁離子和鈣離子吸附纏繞在一起，形成較為緊密的膠凝小顆粒，并且由于HPS增加了漿體的流動度，這些顆粒更容易自由流動，最后填充在膩子的漿孔之間，增強了膩子的柔韌性，同時HPS具有良好的成膜性，其糊液包裹住膩子凝膠材料，與HPMC同時形成聚合物薄膜，具有封閉效果，減緩膩子水分揮發(fā)[8]，同時又形成了立體彈性網(wǎng)狀結構，使膩子內聚力提高，可以很好的滿足收縮變形，加強機械韌性，使得膩子擁有較高的粘結強度和抗滑移能力。

2.5 HPS摻量對膩子抗壓和抗折強度的影響（見圖5）

圖5 HPS摻量對膩子抗壓和抗折強度的影響

從圖5可以看出，隨著HPS摻量的增加，膩子的抗壓強度和抗折強度均呈下降趨勢，但當HPS摻量超過0.06%時，膩子強度的下降趨緩。其原因有以下幾點：一方面是當加入HPS后，膩子在攪拌時，會混入更多的起泡，由于膩子變稠，且HPS具有較好的成膜性，包裹住氣泡的膜的強度較高，這些氣體不易排出，增大了膩子中的空隙數(shù)量，膩子密度減小，內部結構不如原來緊實；另一方面是HPS有良好的吸水性，其吸水膨脹后，擴大了膩子的體積，膩子膠凝材料中的間隙增大，而對膩子的硬度無實質貢獻，這兩方面原因都導致了膩子強度的下降[9]。

2.6 SEM分析

圖6分別為未添加HPS和添加0.06%HPS膩子試件表面的SEM照片。

圖6 膩子的掃描電子顯微照片

從圖6（a）、（b）可以看出，未摻HPS的膩子有很多小顆粒簡單地堆積在一起，表面粗糙，這是因為構成膩子層主體骨架的水泥在水化過程中，大部分空間位置被水分占據(jù)，而其他膠凝材料在膩子骨架中填充的不夠均勻，隨著水分揮發(fā)后，大量無規(guī)則地聚積在一起。從圖6（c）、（d）可以看到，摻入HPS后，膩子的凝膠顆粒表面平整性好，整體骨架連接光滑，這是由于HPS的成膜性好，會在膩子的顆粒表面形成緊密的膜，將其包裹住，使填料充分接觸，整合在一起。同時還可以看出，加入HPS 的膩子試件表面[圖 6（c）、（d）]出現(xiàn)了許多分布較為均勻的孔洞，這是由于摻加HPS后膩子變稠，在攪拌中混入較多的空氣，這些空氣較難排出，最終膩子成型后形成孔洞，這也解釋了摻加HPS后膩子的保水性增強，而抗壓、折強度降低的原因[10]。

3 結論

（1）摻入羥丙基淀粉醚會增大水泥基膩子漿體的粘度，且隨著摻量的增加膩子漿體的粘度先增大后趨于穩(wěn)定。

（2）隨著HPS摻量的增加，水泥基膩子漿體的流動度先減小后增大。選擇適當?shù)膿搅靠梢愿纳颇佔拥氖┕ば?，滿足實際工程施工需要。

（3）羥丙基淀粉醚會提高水泥基膩子漿體的保水性和粘結強度，延長表干時間，且隨著添加量的增加，影響效果越明顯。因此，在空氣干熱的地區(qū)也較為適用。但摻量過高會降低膩子的抗壓和抗折強度，應根據(jù)實際施工情況，適量添加。

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