聚合物水泥防水涂料的研制及其成膜機理
2006-11-06 00:00
聚合物水泥防水涂料是一種新型環(huán)保型功能材料，廣泛應(yīng)用于廁浴、廚房間、建筑物外墻、坡瓦屋面、地下工程和儲液池等的防水[1]。聚合物水泥防水涂料是聚合物乳液和水泥均勻 共混攪拌，經(jīng)無機粉料的水化反應(yīng)以及水性乳液交聯(lián)固化復(fù)合形成高強堅韌的防水涂膜。其主要特點為：(1)能在潮濕或干燥的多種材質(zhì)基面上直接施工：蝗)對基層的微裂縫追隨性強，涂層堅韌高強；(3)涂層耐水性、耐候性、耐久性優(yōu)異：(4)可加顏料，以形成彩色涂層：窿)無毒、無污染、施工簡單，工期短；(6)與外層水泥砂漿及各種粘結(jié)材料結(jié)合牢固閩。但并非所有的聚合物乳液均能與水泥進行復(fù)配，有的聚合物乳液Ca2+穩(wěn)定性差，與水泥混合后，會導(dǎo)致乳液破乳、失效，有時與水泥混合不均勻，分散性不好，時間稍長會導(dǎo)致水泥沉降，施工時需要不斷攪拌，給施工帶來麻煩。為了解決這些問題，可在乳液中添加分散劑、潤濕劑等，但這無疑會增加防水涂料配方的復(fù)雜性。為此，筆者在大量實驗的基礎(chǔ)上，確定了適合聚合物水泥防水涂料的聚合物乳液的較佳配比，研究了液粉比對聚合物水泥防水涂料性能的影響，探討了聚合物水泥防水涂料的防水機理。
1 實驗部分
1．1 原材料及配比(見表1)
表1 原材料及配比
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原料名稱 |
規(guī)格 |
用量／g |
原料名稱 |
規(guī)格 |
用量／g |
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苯乙烯(St)
丙烯酸丁酯(BA)
甲基丙烯酸甲酯(MMA)
甲基丙烯酸(MAA)
DSB
OP一10 |
工業(yè)品
工業(yè)品
工業(yè)品
化學(xué)純
工業(yè)品
工業(yè)品 |
10．00
128．87
53．13
8．00
2．00
5．00 |
平平加
NaHCO3
(NH4)2S2O3
H2O
氨水
|
工業(yè)品
化學(xué)純
分析純
去離子水
化學(xué)純
|
3．00
1．00
1．50
230．00
適量
|
1．2 丙烯酸酯乳液的合成
將適量的水、平平加、DSB和OP-10的混合乳化劑、NaHCO3加入到帶有攪拌器、回流冷凝管、溫度計、滴液漏斗的四口燒瓶中，在攪拌條件下，水浴升溫至80℃，將部分MMA、BA、St和MAA的混合單體和部分引發(fā)劑溶液在15min內(nèi)滴加完畢，繼續(xù)反應(yīng)15min，得到外觀呈藍色熒光的種子乳液；然后將剩余的混合單體在4h內(nèi)均勻滴加至四口燒瓶中，并在混合單體滴加1h后，將剩余的引發(fā)劑溶液同時均勻滴加至四口燒瓶中；單體滴加完畢后，保溫30min，隨后升溫至90℃，保溫45min最后降溫至60℃，用氨水調(diào)節(jié)pH值至6．0~7．0，即可制備出純丙乳液。
1．3 丙烯酸酯乳液的性能(見表2)
表2 丙烯酸酯乳液性能檢測結(jié)果
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檢測項目 |
檢測結(jié)果 |
檢測項目 |
檢測結(jié)果 |
|
固含量／％
黏度／(mPa·s)
pH值
Tg℃
乳液粒子平均粒徑／nm
乳液膠膜吸水率／％ |
48．13
45．5
6．0—7．0
－16．78
120．35
2．85 |
乳液外觀
稀釋穩(wěn)定性
機械穩(wěn)定性
離子穩(wěn)定性
凍融穩(wěn)定性 |
熒光充足的半透明
通過
通過
通過
通過 |
2結(jié)果與討論
2．1 丙烯酸乳液玻璃化溫度的確定
在聚合物水泥防水涂料中，由于水泥是一種剛性極強、硬度極高的無機膠凝材料，而聚合物乳液是彈性體，而且乳液膠膜的彈性隨著玻璃化溫度的降低而增大，因此，當(dāng)在乳液中加入水泥后必然會導(dǎo)致防水涂料涂膜低溫柔性的下降，并且低溫柔性下降的程度與水泥的加入量有關(guān)。當(dāng)液粉比(乳液與水泥的質(zhì)量比)固定在1：1時，通過涂膜低溫柔性的變化來確定適宜的乳液玻璃化溫度。分別采用玻璃化溫度為-40、-30、-25、-20和-15℃等5種聚合物乳液進行對比實驗，結(jié)果見表3。
表3 不同玻璃化溫度乳液的聚合物水泥防水涂料的性能
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玻璃化溫度／℃c |
－40 |
－30 |
－25 |
－20 |
－15 |
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冰箱溫度／℃
低溫柔性
拉伸強度／MPa
斷裂延伸率／％ |
－25
無裂紋
0．8
420 |
－20
無裂紋
1．2
380 |
－18
無裂紋
1．6
350 |
－15
無裂紋
2．0
320 |
－10
無裂紋
2．4
290 |
由表3可知，由5種不同玻璃化溫度的乳液制備的防水涂料的低溫柔性均能符合相關(guān)標(biāo)準規(guī)定的-10t時涂膜無裂紋的要求，但由于-30℃以下的涂膜太軟，且拉伸強度不高，沒有達到相關(guān)標(biāo)準規(guī)定的1．2MPa。綜合考慮聚合物水泥防水涂料必須具備良好的彈塑性、延伸率，以適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)因沉降、位移、干縮、熱脹冷縮等造成的變形，選取-20～-15℃為聚合物水泥防水涂料的聚合物乳液的較佳玻璃化溫度。
2．2 丙烯酸乳液乳化劑的確定
水泥中含有大量的Ca2+、Mg2+、Al3+等離子，因此要求所合成的聚合物乳液的離子穩(wěn)定性要好。這可以通過在乳液合成過程中，控制陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑的配比。
一般來說，在乳液聚合過程中，陰離子表面活性劑通常能夠提高聚合物乳液的機械穩(wěn)定性，而非離子表面活性劑能夠提高乳液的離子穩(wěn)定性。因此，在防水涂料用聚合物乳液中，通常都含有適量的非離子表面活性劑[3]。本研究采用十二烷基苯磺酸鈉(DSB)為陰離子乳化劑、烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)和平平加為非離子乳化劑，將合成的乳液按照相同的液粉比與水泥復(fù)配，進行性能對比，結(jié)果見表4。
表4 不同的乳化劑配比合成乳液與水泥復(fù)配的性能對比
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m(OP－10)：
m(平平加)：m(DSB) |
2：3：5 |
3：2：3 |
3：3：2 |
5：3：2 |
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固含量／％ |
48．23 |
48．15 |
48．25 |
48．13 |
|
pH值 |
6．0—7．0 |
6．0—7．0 |
6．0—7．0 |
6．0—7．0 |
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乳液外觀 |
藍色熒光
半透明 |
藍色熒光
半透明 |
藍色熒光
半透明 |
藍色熒光
半透明 |
|
黏度／(mPa·s)
(25℃，20r／min) |
45．2 |
45．7 |
44．9 |
45．5 |
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機械穩(wěn)定性
(1000r／min，30min) |
通過 |
通過 |
通過 |
通過 |
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與水泥復(fù)配穩(wěn)定性 |
凝膠破乳 |
凝膠破乳 |
穩(wěn)定 |
穩(wěn)定 |
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與水泥復(fù)配分散均性 |
不均勻 |
不均勻 |
均勻，但有少量顆粒沉淀 |
均勻 |
由表4可以看出，當(dāng)m(OP-10)：m(平平加)：m(DSB)=5：3：2時，合成的聚合物乳液與水泥的復(fù)配性很好。
2．3 丙烯酸乳液中MAA加入量的確定
MAA是丙烯酸酯乳液聚合中常用的功能性單體，在聚合完畢后，甲基丙烯酸的羧基大部分集中在乳液表面，乳膠粒子間以及乳膠粒子與水分子間形成大量的氫鍵，使分子間作用力增大，因此甲基丙烯酸的含量越大，對乳液的貯存穩(wěn)定性越有利。此外，甲基丙烯酸可以改善聚合工藝，主要是因為它是一種親水性單體，既可溶于水相又可溶于油相，可以明顯抑制凝膠的產(chǎn)生。帶有極性基團的甲基丙烯酸會提高涂料的附著力，促進與水泥復(fù)配后水泥的水化反應(yīng)。如MAA加入量過少，則涂膜干燥快，水泥未來得及水化即已成膜，水泥在其中只起到填料的作用；但加入量過多，則水泥水化過快，使聚合物水泥涂料涂膜出現(xiàn)干縮，以致出現(xiàn)裂縫，失去防水作用。此外，MAA是一種親水性單體，加入量過大會增加涂膜的吸水率。本研究分別采用不同的MAA量來合成聚合物乳液，將水泥與乳液復(fù)配(液粉比相同)后，在鐵片上干燥24h后觀察成膜情況，結(jié)果見表5。
表5 MAA加入量對聚合物水泥涂料涂膜的影響
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MAA加入量／％ |
3．0 |
3．5 |
4．0 |
4．5 |
5．0 |
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成膜狀況 |
表面光滑
無裂紋 |
表面光滑
無裂紋 |
表面光滑
無裂紋 |
表面出現(xiàn)
干縮現(xiàn)象 |
表面出
現(xiàn)裂紋 |
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涂膜截面狀態(tài) |
粗糙 |
略粗糙 |
光滑 |
光滑 |
光滑 |
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涂膜吸水率／％ |
2．53 |
2．75 |
3．15 |
3．83 |
4．12 |
由表5可以看出，MAA含量占單體量的3．5％-4．0％時，制備出的聚合物水泥防水涂料的成膜好，而且水泥水化充分。
2．4 液粉比對聚合物水泥防水涂料性能的影響
2．4．1 液粉比對聚合物水泥防水涂料拉伸性能的影響(見圖1)
圖1 液粉比對聚合物水泥防水涂料拉伸強度的影響
從圖1可以看出，聚合物水泥防水涂料的拉伸強度隨著液粉比的增加而降低。在相同條件下，液粉比在1．25~1．67時試樣的拉伸強度隨著液粉比的增加而減小，但變化不大。而當(dāng)液粉比在1．67-2．50時，拉伸強度降低明顯。
2．4．2 液粉比對聚合物水泥防水涂料斷裂延伸率的影響(見圖2)
圖2 液粉比對聚合物水泥防水涂料斷裂延伸率的影響
從圖2可以看出，聚合物水泥防水涂料的斷裂延伸率隨液粉比的增加而增大。斷裂延伸率是聚合物水泥防水涂料剛?cè)嵝阅艿暮暧^體現(xiàn)。聚合物水泥防水涂料的柔性隨聚合物加入量的增加而提高。在聚合物水泥防水涂料中，隨著液粉比的不斷增加，聚合物乳液在體系中的含量增加，聚合物逐漸躍升為主要組分，而水泥為次要或改性成分。從微觀上看，在高液粉比的體系中，水泥膠體鏈已很不完整，聚合物的柔性鏈部分完全包裹住了水泥膠體顆粒。聚合物的柔性鏈起抵抗外界應(yīng)力的主導(dǎo)作用[4]。
2．4．3 液粉比對聚合物水泥防水涂料低溫柔性的影響(見圖3)
從圖3的曲線形狀可以看出，隨著液粉比的逐漸增大，聚合物水泥防水涂料的低溫柔性也逐漸增加。當(dāng)液粉比為2．5時，聚合物水泥防水涂料的低溫柔性最佳，可達到-25、。聚合物水泥防水涂料的低溫柔性主要由聚合物的玻璃化溫度來確定。當(dāng)外界溫度高于聚合物的玻璃化溫度時，其行為類似橡膠，受載時產(chǎn)生彈性形變，具有較好的柔韌性；當(dāng)外界溫度低于聚合物的玻璃化溫度時，其行為類似玻璃易于產(chǎn)生脆性破壞，柔性顯著下降。而對于聚合物水泥防水涂料體系來說，它既存在柔性的聚合物分子鏈，又存在著剛性的水泥膠體鏈，2種不同性質(zhì)的材料共同制約了整個體系的低溫柔性。因此，隨著聚合物量的增加(即液粉比的提高)，體系的低溫柔性也越好。
圖3 液粉比對聚合物水泥防水涂料低溫柔性的影響
3 聚合物水泥防水涂料的防水機理
聚合物水泥防水涂料的成膜機理為：當(dāng)聚合物乳液加入到水泥中時，在攪拌過程中，聚合物顆粒均勻地分散到水泥漿體中。當(dāng)水泥遇到水時，水化反應(yīng)開始，Ca(OH)2溶液很快達到過飽和并析出晶體，同時生成鈣礬石晶體及水化硅酸鈣凝膠體，乳液中的聚合物顆粒便沉積到凝膠體和未水化的水泥顆粒上。隨著水化反應(yīng)進行，水分不斷消耗，水化產(chǎn)物增多，聚合物顆粒逐漸聚集在毛細孔中，并在凝膠體表面、未水化水泥顆粒上形成緊密堆積層。這聚集的聚合物顆粒逐漸填充毛細孔并且覆蓋著它們不能完全填充的毛細孔的內(nèi)表面。由于水化或干燥水分進一步減少，在凝膠體上和在孔隙中緊密堆積的聚合物顆粒便凝聚形成連續(xù)的薄膜，形成與水化水泥漿體互穿基質(zhì)的混合體，并且使水化產(chǎn)物之間及骨料相互膠接。由于帶有聚合物的水化產(chǎn)物在界面形成了覆蓋層，可能影響了鈣礬石和粗大氫氧化鈣晶體的生長，也由于聚合物在界面過渡區(qū)孔隙中凝聚成膜，從而使聚合物防水涂料的界面過渡區(qū)更為致密，使聚合物水泥防水涂料的性能得以改善。一些聚合物分子中的活性基團可能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca2+,A13+產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，形成特殊的橋鍵作用，改善水泥砂漿硬化體的物理組織結(jié)構(gòu)，緩解內(nèi)應(yīng)力，減少了微裂紋的產(chǎn)生，增強了聚合物防水涂料的致密性[5]。
4 結(jié) 論
(1)采用MAA和St為硬單體、BA為軟單體，MAA為功能性單體，以DSB、OP-10和平平加的復(fù)合乳化劑為乳化體系，通過控制聚合物乳液玻璃化溫度合成的丙烯酸乳液與水泥復(fù)配后，可以制備出性能優(yōu)良的聚合物水泥防水涂料。
(2)液粉比會對聚合物水泥防水涂料的拉伸性能和低溫柔性產(chǎn)生影響。隨著液粉比的增加，產(chǎn)品的拉伸強度下降，斷裂延伸率增加，低溫柔性也增加。
摘自：中國混凝土網(wǎng)
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