高分子材料在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

張恩寧

（上海第二工業(yè)大學(xué)，上海 浦東 201209）

0 引言

建筑材料的種類非常豐富，從使用歷史最悠久的天然材料（木材、石材）以及無(wú)機(jī)材料（水泥、砂漿、磚塊）到有百年歷史的有機(jī)材料，都在建筑材料領(lǐng)域得以廣泛的應(yīng)用，建筑業(yè)的進(jìn)步與多樣化的建筑材料密不可分。高分子材料的應(yīng)用使得建筑材料的功能不斷擴(kuò)展和完善。

1 高分子材料的基本特性

高分子材料也稱為聚合物材料，它是一類以高分子化合物為基體，再配以其他添加劑所構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料。高分子材料相對(duì)于小分子，具有顯著的特征，一是分子量大，一般在10000以上，二是分子量分布具有多分散性，高分子化合物在聚合過程后，變成了不同分子量大小的許多高聚物的混合物。高分子材料具有防水、隔音、質(zhì)量輕、耐磨、耐腐蝕、易加工等特點(diǎn)，同時(shí)在美觀性、抗酸堿腐蝕性、電絕緣性等實(shí)用性能上表現(xiàn)優(yōu)異。因此高分子材料在建筑材料領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

2 建筑行業(yè)中常用的高分子材料

建筑行業(yè)中常用的高分子材料包括塑料、涂料等。通常塑料由合成樹脂、填料、增塑劑、固化劑、著色劑、穩(wěn)定劑等組成[1]。聚合物建筑涂料可用于建筑材料各個(gè)局部，如外墻、內(nèi)墻、地板、天花板和屋頂，使得建筑產(chǎn)品表層得到連續(xù)致密的涂膜，起到保護(hù)材料產(chǎn)品、美化環(huán)境的功能。常見用于建筑的涂料可以分為阻燃性涂料（阻燃功能型）、防水性涂料（防水外漆）、隔熱性涂料（保溫功能）、殺菌涂料、防冰涂料。還可以應(yīng)用于砂漿改性、瀝青粘結(jié)劑、混凝土聚合物、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

涂料等高分子材料在建筑材料中的應(yīng)用量非常巨大，即使在建筑不景氣的年份里仍然有1300萬(wàn)噸以上的應(yīng)用量。根據(jù)Global Market Insights 公司發(fā)布的最新市場(chǎng)研究報(bào)告，全球建筑復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模將在2025年突破650億美元。

3 高分子材料的應(yīng)用選擇

3.1 防火涂料的選擇

防火涂料在建筑材料的應(yīng)用中發(fā)揮了重要功能[2]。城市的規(guī)模在快速發(fā)展，住宅及商業(yè)大廈高層化趨勢(shì)明顯，發(fā)生火災(zāi)的隱患不斷增長(zhǎng)，因此人們對(duì)于建筑物的阻燃設(shè)計(jì)關(guān)注度越來(lái)越高[3]。防火涂料的應(yīng)用可以提高建筑物材料的耐火性，減緩火勢(shì)的蔓延，從而為滅火提供時(shí)間。

常見的防火涂料可分為非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料。非膨脹型防火涂料，通常以聚合物合成樹脂摻雜鹵素、磷、氮等不可燃物質(zhì)，這種涂料的使用不會(huì)使基體產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，在高溫下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并分解出不活潑氣體稀釋助燃?xì)怏w，同時(shí)產(chǎn)生大量的煙塵；這種防火涂料熱導(dǎo)率較低，能承受較大的火勢(shì)；但厚度較厚，會(huì)影響施工的成本，有礙美觀，同時(shí)也對(duì)涂料的粘結(jié)能力提出了更高的要求。膨脹型防火涂料的阻燃結(jié)構(gòu)常見體系是P-N-C的阻燃結(jié)構(gòu)體系，P是指聚磷酸銨，N是指三聚氰胺，C是指季戊四醇。膨脹型防火涂料對(duì)燃燒的阻礙是分步進(jìn)行的，首先膨脹碳層自身是難燃結(jié)構(gòu)，在高溫下會(huì)對(duì)燃燒起到阻礙作用，同時(shí)碳層也阻礙了在燃燒過程產(chǎn)生的熱量和顆粒物擴(kuò)散，隔絕了可燃?xì)怏w，最終在成碳反應(yīng)中產(chǎn)生水分，水分進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，也會(huì)阻礙燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

3.2 高分子防水涂料的選擇

高分子防水涂料[4]是廠房屋頂或隧道道路等建筑經(jīng)常使用的一種重要防水材料。防水涂料中的膜基體可以在建材表面形成致密連續(xù)的層結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到防水的要求。

高分子防水涂料主要包括合成高分子類防水涂料、聚合物水泥類防水涂料、改性瀝青類防水涂料等。合成高分子類防水涂料主要為聚氨酯防水涂料，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，操作便捷，涂料成膜后粘接性能好，防水性能好，耐酸堿侵蝕及抗老化性能好等特點(diǎn)，擁有成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足大部分場(chǎng)所的防水性能要求。

聚合物水泥類防水涂料是由聚合物乳液、水泥和無(wú)機(jī)填料等組成，聚合物乳液的百分含量會(huì)依據(jù)使用場(chǎng)景不同略有差異。

改性瀝青類防水涂料的產(chǎn)生，是由于瀝青具有優(yōu)異的防水性能和耐久性能。聚合物瀝青密封材料是瀝青、礦物填料和聚合物的混合物[5]，幾乎所有的聚合物都是用彈性體或塑性體改性的，其中彈性體通常是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，塑性體通常是無(wú)規(guī)聚丙烯聚合物。

建筑防水材料除具有建筑防水功能之外，還有耐沾污性、防粘附性、防腐蝕性和自清潔性等功能。將丙烯酸、氟化材料等單體制成聚合物材料，利用其制備具有這些性能的涂料是最有效和最廉價(jià)的方法。

防水涂料可以構(gòu)建出一個(gè)疏水表面，疏水表面形成的關(guān)鍵是低的表面能和表面的微觀結(jié)構(gòu)。聚合物基體與無(wú)機(jī)納米粒子的結(jié)合或原位聚合已被廣泛研究，可以用來(lái)促進(jìn)防水涂料的發(fā)展。添加無(wú)機(jī)納米粒子，可以改善聚合物基體的防水性、機(jī)械性、熱性、電性、光學(xué)性或粘合性，以及賦予一些其他的功能特性。

3.3 其他功能性高分子材料的選擇

高分子材料不僅可用在防火和防水涂料領(lǐng)域，還有許多其他種類的功能型涂料，如具有自愈合功能涂料、隔熱涂料、抗冰涂料、防侵蝕涂料和防腐涂料，這些涂料也在建筑材料領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。

（1）砂漿是用來(lái)把陶瓷磚固定在不同基材上的傳統(tǒng)材料[6]，高分子聚合物可以顯著改善粘結(jié)砂漿的剛度和柔韌性[7]。通過增加高分子聚合物的添加比例可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粘結(jié)砂漿的硬度越低時(shí)，柔性越好。高分子聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和聚合物的乳化劑會(huì)對(duì)砂漿的性能產(chǎn)生顯著影響，通常情況下，聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低，砂漿的楊氏模量也會(huì)越低。此外，高分子聚合物還有助于提高砂漿的使用穩(wěn)定性，改善諸如保水性、可加工性、機(jī)械性能、結(jié)合強(qiáng)度和疏水性等性能。

（2）瀝青粘結(jié)劑[8]一直作為建筑材料被使用在建筑業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，全球市場(chǎng)十分巨大。由于道路建設(shè)的飛速發(fā)展，交通運(yùn)輸?shù)男枰约碍h(huán)境保護(hù)的更高要求，需要對(duì)瀝青粘結(jié)劑進(jìn)行改性設(shè)計(jì)，以適應(yīng)路面和施工領(lǐng)域的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外主要使用不同類型的添加劑和改性劑對(duì)瀝青結(jié)合料進(jìn)行改性，以提高瀝青的性能。近十年來(lái)，高分子聚合物改性技術(shù)越來(lái)越創(chuàng)造性地應(yīng)用在瀝青路面領(lǐng)域中，但是改性后瀝青粘結(jié)劑會(huì)在高溫下變得不穩(wěn)定，不利于在高溫條件下的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)藏，因此高分子聚合物的添加比例及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為一個(gè)非常迫切的課題。

（3）聚合物混凝土[9]具有優(yōu)異的耐腐蝕及機(jī)械強(qiáng)度，相較于傳統(tǒng)的水泥混凝土具有很多的優(yōu)勢(shì)，例如耐摩擦磨損、耐化學(xué)侵蝕、防水性好、電絕緣性高、機(jī)械強(qiáng)度高等，也具有更廣泛的應(yīng)用空間，可以應(yīng)用在堤壩、水庫(kù)、橋面、路面等場(chǎng)景。可以利用聚合物混凝土對(duì)地面材料（如水泥）進(jìn)行處理，從而提升基材的性能，得到綜合性能優(yōu)秀的聚合物水泥；可以針對(duì)聚合物、混凝土兩種材料不同的性能特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化機(jī)械性能得到更好的復(fù)合基體材料；還可以直接利用聚合物混凝土基體代替瀝青等地面材料。除了普通聚合物制備混凝土，還有團(tuán)隊(duì)在研發(fā)生物聚合物混凝土，生物聚合物是指由生物生產(chǎn)得到的聚合物，這種特性決定了它的成本較為低廉，并且具備可降解性，因此具有一定的研究前景。

（4）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[10]也在建筑行業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種由樹脂基體、纖維當(dāng)作增強(qiáng)體，經(jīng)過模壓等成型方式制備而成的一種復(fù)合材料。基體樹脂材料的選擇有很多種，例如環(huán)氧樹脂等。纖維的選擇也是多種多樣的，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有模塊化好、耐疲勞、耐腐蝕、抗裂變形好、保溫性高以及設(shè)計(jì)自由度高等優(yōu)良性能，可以探索其在國(guó)內(nèi)建筑材料領(lǐng)域的發(fā)展空間。目前對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用尚處在試驗(yàn)階段，想要進(jìn)一步推廣還需要對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也存在一些問題：首先就是相較于混凝土材料易于燃燒，如果加入阻燃劑，又會(huì)由于阻燃體系大多含有鹵素，可能會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染，同時(shí)阻燃劑的大量使用也會(huì)增加成本；再者是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于儀器設(shè)備及生產(chǎn)線依賴國(guó)外進(jìn)口，采購(gòu)價(jià)格過高導(dǎo)致材料成本上升，不解決市場(chǎng)價(jià)格問題，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑行業(yè)中也不可能得到廣泛應(yīng)用；最后是質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系并沒有完全確立，國(guó)內(nèi)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相較于國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，制備過程、制備工藝、性能研發(fā)等環(huán)節(jié)均需要完善，設(shè)計(jì)、制備、檢測(cè)、評(píng)價(jià)過程中的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系仍未建立、健全，這會(huì)給工程的建設(shè)帶來(lái)很大的不安全因素。因此需要盡快建立、健全完善的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系。在解決了這些問題后，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑材料中依然具有廣闊的應(yīng)用空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

高分子材料具有設(shè)計(jì)自由度高、應(yīng)用范圍廣、輕質(zhì)高強(qiáng)、加工性能優(yōu)異、耐酸堿侵蝕性能好等特點(diǎn)。因此，無(wú)論是向高分子材料中添加各種類型的添加劑后，作為基材運(yùn)用在建筑材料領(lǐng)域，還是高分子材料作為功能性添加劑，添加到傳統(tǒng)建筑材料如混凝土和砂漿中，與傳統(tǒng)建筑材料相比，都表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。本文主要介紹了幾種典型的高分子聚合物在建筑材料中的應(yīng)用，并簡(jiǎn)單分析了其應(yīng)用場(chǎng)景及發(fā)展空間。隨著技術(shù)的進(jìn)步，期望在建筑行業(yè)以及高分子材料領(lǐng)域相關(guān)人員的共同努力下，研發(fā)出更多高分子型建筑材料，促進(jìn)建筑材料技術(shù)及行業(yè)的發(fā)展。