聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用.pdf

第 4 8卷第 1 期 2 0 1 0年 1 月 上海涂料 S HANGHAI C OAT I NGS 一 一一一一=一一一一一0一=一=一一=一=一=Vo 1 4 8No 1 J a n 2 0 1 0 聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用 徐峰(安徽省建筑科学研 究设计院，合肥 2 3 0 0 0 1)摘要：介绍 了聚合物水泥基材料在建筑涂料 中应用的几个问题，包括聚合物水泥基材料的特性、聚合物对水泥的改性原理以及聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用、聚合物水泥基建筑涂料的性能 特征、主要品种和近年来的发展情况等，并对聚合物水泥基建筑涂料今后的发展作了展望。关键词：聚合物水泥基材料；建筑涂料；性能特征；品种 中图分类号：T U 5 6 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 1 6 9 6(2 0 1 0)0 1 0 0 2 0 0 5 t 聚合物水泥基材料特 楷 琏 由具有胶粘性 的聚合物、水泥、水、添加剂等组 成的混合料，经凝结并硬化后所形成 的材料称为聚合 物水泥基 材料。该类 材料兼 有水泥基材料 的耐水性 好、耐久、价廉和环保，以及有机聚合物的柔韧、防水、黏结性强和抗拉强度高等特点，具有极佳 的技术性能 优势，获得极为广泛的应用。l。1 物理力学特性 聚合物水泥基 材料的物理力学性能 主要指其强 度、弹性模 量、抗裂性、耐 酸碱 性、耐水性、抗渗透 性等。与水泥基材料 和聚合物材料相 比，聚合物水泥 基材料 的抗 拉强度、抗折强度和黏结强度等都显著 提高，特别是黏结强度提高幅度很大，这是因为聚合 物与被黏结基体的良好胶接作用。抗拉强度的提高 主要 归因于微裂纹和其他结构缺陷 的减少。聚合物 与水泥浆体之间形成互穿网络，在应力作用下产生 裂缝 时，聚合物能够在微裂纹上“架桥”而抑制裂缝 扩展，使聚合物水泥基材料的断裂韧性、变形性能得 到提高。此外，拌合物的工作性和分散性的改善使水 化水泥浆体的结构均匀致密，也促进了抗拉强度的 提高。由于结构更加密实，聚合物水泥基材料的渗透性 大大降低，由此也促进了耐酸碱性、耐水性的改善。聚合物水泥基材料耐温、湿度变化循环的能力要 比水【收稿 日期】2 0 0 9 0 9 1 8 泥基材料好，这是 由于聚合物膜的存在，以及使用聚 合物时较低的水灰比及合理的孔结构所致。聚合物水泥基材料弹性模量降低，这是由于聚合 物的弹性模量较水泥浆体的弹性模量低得多，弹性模 量降低对改善聚合物水泥基材料的变形性有益，这极 有利于材料在变温条件下吸收应力。同时，由于聚合 物水泥基材料的抗拉强度提高，延伸性能改善，从而 减少干缩裂缝和温度裂缝 的形成。干缩裂缝的减少也 与聚合物较高的保水性有关。聚合物水泥基材料随温度升高而强度降低，当材 料 中聚合物含量高时可能还有轻微 的可燃性。通常聚 合物水泥基材料的使用温度限制在 1 5 0 C以下。l，7 旖：操作壮 性 聚合物水泥基材料 常常具有更好 的施工操作特 性，但不同的聚合物会给聚合物水泥基材料带来不一 样的性能。对于合成树脂乳液类聚合物来说，由于其中富含 表面活性剂，能够增大拌合物的流动性；分散的聚合 物颗粒还能象“滚珠”一样使水泥及水化产物颗粒更 容易相对运动，因而常常能够使拌合物的施工性得到 显著改善。由于聚合物的分散作用及表面活性剂被 吸附到水 泥颗粒上，使水泥 的水化速度减缓，即对水泥产生缓 凝作用，使拌合物的凝结时间延长。一般情况下，这 些因素对施工操作性都很有利。乳液的憎水性和胶体性质使新拌聚合物水泥基材 第 1 期 徐峰：聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用 料具有 良好的保水性，从而减少 了对其进行长期潮湿 养护的必要。对于聚乙烯醇类水溶性高分子聚合物来说，其水 溶液是胶体，黏聚性很大，因而能够显著提高拌合物 的黏聚 I生，有效改善施工操作性。1 3 耐久性、耐 腐蚀，陛 聚合物的引入使材料 的物理力学性能提高、微观 结构改善且结构缺陷减少，显著提高材料的抗渗性和 冻融耐久性，并使材料具有 良好的抗化学侵蚀性，良 好的抗氯盐渗透能力。1 4 成 本 聚合物水 泥基材料 的成本 比水 泥基 材料显 著提 高，但 目前在不同的应用领域，绝大多数处于能够接 受的范围，并具有很强的竞争力。聚合物水泥基材料 的这些特性，使之极适合于制 备某些装饰性建筑涂料以及功能性建筑涂料。2 聚合物水泥基材料 中聚合物对水泥的改性 在聚合物水泥基材料 中，当主导材料为水泥时，材料 显示无机水 泥 的特性，但性 能得 到显著 改善；反之亦然。这两种情况在建筑涂料 中都存在。2 1 水 泥为 主导材 料 当主导材料是水泥时，聚合物对水泥的改性机理 大致可归纳为：一是聚合物在水泥凝胶中均匀分散，可以防止或减少水分蒸发和防止干燥基体对水分的吸 收，使水泥水化作用更趋完善。二是 聚合物 的加人增大 了水 泥胶凝 材料 的黏结 力。在水泥一 聚合物体系中，水泥和聚合物都能起胶 黏剂的作用；但聚合物膜 的黏结强度远高于水泥的拉 伸强度，而使体系拉伸强度大大提高。聚合物膜在材 料 中均匀分布，并与水泥凝胶体形成了相互贯穿的网 络，在受到外力作用时，这种结构有利于应力的分散 和转移，阻止或减弱了裂纹的增长。三是聚合物与水泥水化产物之间存在化学作用。此外，水泥在凝结硬化过程 中不可避免地会产生 大量孔隙或微裂纹而在材 料 中形成薄弱部位。加 人 的聚合物分散并 聚集于孔隙壁上，在孔隙壁或微裂纹 表面形成一层聚合物膜，对这些薄弱部位产生增强作 用。因而，通过聚合物分子的扩散(自黏性)，聚合物 粒子在材料中形成不溶于水的连续聚合物膜，提高对 21 界面的黏结性和对材料本身的改性。聚合物膜分布于 水泥水化产物之间，在有应力时起到“架桥”作用，有 效吸收和传递能量，从而抑制裂纹的形成或扩展。2 2 聚 合物为主 导 材料 主导材料 为聚合 物的情况更 多出现于建 筑涂料 中。此时，材料在呈现聚合物特性的同时，获得水泥 基材料所赋予的耐水性、透气性和化学改性作用，使 复合材料 的性能显著提高。3 聚合物水泥基材料在建筑涂料 中的应用 聚合物水泥基材料在建筑涂料中主要用作基料。由于水泥加水后在很短时间内就会凝结硬化，即使采 取缓凝措施也只能够延长有限的时间，作为产品并无 实际意义。因而，聚合物水泥基材料主要用于生产粉 状和双组分建筑涂料。3 1 粉 状建筑 涂料 粉状聚合物水泥基建筑涂料的聚合物组分为可再 分散乳胶粉或者聚乙烯醇微细粉末。在工厂中将各种 组分混合均匀制成涂料，使用时只需加水搅拌均匀即 可，如复层涂料、仿瓷涂料等。这类涂料的最大优势 在于加水搅拌即可使用，便于运输、存放，避免施工 现场准备多种原材料。3 2 双组分 建 筑涂料 双组分建筑涂料为粉料和液料配套包装供应。与 粉状建 筑涂料相 比，双组分建 筑涂料也有其性能优 势，主要体现于成本低。但 当使用时一次的配制量小 于一个包装 时，称量和配 比就显得很麻烦。此外，双 组分建筑涂料包装量和运输量也相应增大。因而，有些对成本要求苛刻而又不需要长途运输 的建筑涂料，如聚合物水泥防水涂料，目前仍然是双 组分建筑涂料；有些建筑涂料，例如外墙柔性 腻子，则粉状和双组分建筑涂料并行不悖。4 聚合物水泥基 建筑涂料 的 性能特征 4 1 性能优势 在聚合物水泥基建筑涂料中，聚合物可在干燥环 境下成膜，水泥则在有水存在的条件下固化和水化，这 两种体系的结合，使涂膜具有最佳的物理力学性能。聚 合物赋予聚合物水泥基涂料良好的表面f!生 能，既提高了 上海涂料 耐沾污性，又保留了纯无机涂料原有的透气性。聚合物水泥基建筑涂料具有许多仅仅使用有机基 料制备的涂料所难 以得到的性能，例如与水泥基无机 基层 的黏结强度、耐水性、耐老化性等，均远远超 出 仅使用有机基料或无机基料所能够达到的效果。4 2 经济 优势 聚合物水泥基建筑涂料由于使用价格低廉的水泥，可以使有机基料的用量显著降低，从而降低涂料成本。另一方面，液体有机涂料由于需要解决贮存性 能，例如 防沉淀、霉变以及保持涂料 的黏度稳定等，需要使用许多助剂，如增稠剂、防霉剂、防冻融剂、分 散剂等，而且对这些助剂 的性能要求较高，因而其成 本在涂料的组成材料中占有很高比例(一般 占涂料原 材料成本 的 1 5 一 3 5)，而在粉状或双组分聚合物水 泥基建筑涂料中这些助剂或者根本不需要使用，或者 用量很少，或者能够使用更为廉价 的产品(例如分散 剂，可以使用六偏磷酸钠这种具有高效分散性能而又 廉价的产品)，从而使涂料的生产成本降低。4 3 生产及其技术优势 按照目前建筑涂料的原材料供应情况，聚合物水 泥基建筑涂料所用的原材料绝大多数都是粉状材料，有少部分可能需要进一步粉磨 的原材料用量也很小。因而，其生产 只是将各种粉状材料在干粉混合机 中混 合均匀即可，生产过程非常简单，生产技术很容易掌 握与控制。生产设备也只需干粉混合机、粉状材料包 装机、质量控制设备等，投资小。4 4 包装、运输 液体 涂料需要 的包装条件要 比粉状建筑涂料 严 格得多，既要求包装材料具有密闭性，又要求具有很 高的强度，以防止其在运输、贮存期间破损，泄漏，因而包装费用很高。另一方面，一般液体涂料中含有 4 0 5 5 的水，需要包装 材料 的数量也多，运输 费 用同样提高。可见，粉状建筑涂料在包装与运输方面 具有很大的优势。4 5 环境优势 一般认为水性建筑涂料是环保型产品，很多商家 鉴于产品宣传的需要，更是把这类涂料称为绿色环保 产 品。实际上，水性涂料 以水取代有机溶剂作为涂料 的分散介质，最大限度地减少了涂料向大气 中排放的 V O C(挥发性有机化合物)。但是，水性涂料同时也带 来 了新 的问题，例如，水性涂料 中需要使用大量的表 第 4 8卷 面活性剂(分散剂、润湿剂和乳化剂等)、防霉剂和冻 融稳定剂等。另外，由于水性涂料容 易用水清洗，因 而生产、施工中常常使用大量的清洗水，很多情况下 甚至在涂料的施工过程中将废弃的涂料直接排放至下 水道中，这些做法 的结果是 向江河水系中排放大量的 表面活性剂、防霉剂、冻融稳定剂等，引起污染。与溶剂型涂料相比，水性涂料的环保性不容置疑，是涂料发展 的必然方向，但在国外水性涂料并不被称 为环保型产品，只说是可以安全使用的产品。有些国家 还规定，涂料公司要负责回收使用后的包装材料，废弃 的涂料也要统一处理，避免流人河流。从这一意义上 来说，粉状建筑涂料 中会对环境产生不 良影响的表面 涪 f生剂及其他助剂(如防霉剂、冻融稳定剂和成膜助剂 等)要少得多，在生产、施工中的清洗水用量也少得多，从环保、节水等方面来说，无疑具有更大的优势。4 6 应用 限制 聚合物水泥基材料 目前还只能在有限的几个建筑 涂料品种中应用，一是只能制成粉状产品或由液料和 粉料分开包装的双组分产品；二是只能制成厚质建筑 涂料。对于薄质、刷涂、辊涂或需要 喷涂出平滑表面 的涂料，目前的技术状态尚难以使用。5 聚合物水泥基建筑涂料的主要品种 聚合物水泥基建筑涂料可以分为墙面涂料、功能 性建筑涂料和墙面腻子 3 大类，主要组成材料和性能 特性如表 1 所示。由于建筑行业的习惯，建筑保温隔 热涂料通常称为保温浆料或保温砂浆，但其组成和材 料实质属于涂料范畴，而且在其发展初期也以建筑涂 料名称使用。6 聚合物水泥基建筑涂料 的发展与展 望 6 i 聚合物 水泥基 建筑 涂料 的发展(1 1 装 饰 生坞 乃 冬抖 复层涂料、粉状砂壁状涂料和拉毛涂料等涂料涂 膜厚，质感强，是聚合物水泥基成膜物质 良好的应用 场合。复层涂料的应用最早在 2 0 世纪 8 0 年代，以 1 0 7 胶(聚合物树脂组分)和水泥复配而成的复层涂料就 得到一定程度的推广应用。国家标准G B T 9 7 7 9(复层 建筑涂料 的 1 9 8 8 年和2 0 0 5 年版都有聚合物水泥类别 第 1 期 徐峰：聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用 2 3 表 1 聚合物水泥基建筑涂料的种类和特性 T a b l e 1 T h e t y p e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s 0 f p o l y me r c e me n t b a s e d a r c h i t e c t u r e a l c o a t i n g s 注：虽然从原理上来说可以制成双组分产品，但目前实际使用的只有粉状产品；双组分产品有2 种，一种是聚苯颗粒和胶粉料分开包装，构成 双组分；另一种是聚合物乳液为主要成分的液料和玻化微殊及水泥为主要成分的粉料分开包装，构成双组分；原则上也可以制成双组分的 或者粉状产 品，但 因应用量不大，鉴 于使用方便 性 目前市场上 一般只有粉状产品使用。的复层涂料。早期 的聚合物水泥复层涂料是将 1 0 7 胶 和粉状组分分开包装，有时甚至是在现场简单配制。现在的粉状复层涂料采用乳胶粉或者聚乙烯醇粉 末作为聚合物组分，以纤维素醚为流变增稠组分，性 能 比早期产品显著提高。与复层涂料相 比，砂壁状涂料虽然应用较早，但 以聚合物水泥为成膜物质的产品直至 目前仍处于研制 阶段，发展很慢。笔者 曾对此作过一些试验，在工程 上实际应用，其装饰效果尚不如聚合物乳液配制的膏 状产品，因而影响其使用。拉毛涂料实际上也可以使用聚合物水泥配制，近 年来也得到开发应用。但 由于这类涂料从开始使用时 将其称为拉毛腻子，以后一直沿袭这种名称。f、1。2 氍合：0 7 己j 水 聚合物水泥基防水涂料是最先发展并得到广泛应 用的聚合物水泥基建筑涂料。我国从2 0 世纪9 0 年代 上海涂料 初开始研制该类涂料。随着国家对绿色环保型建材产 品的推广和经工程应用表 明：该类涂料防水效果 良 好，使用方便，无毒、无污染，在以“弹性水泥”为商 品名称 的推动下，目前几乎在全国范围内使用。其应 用场合包括各种建筑物的地下室、屋面、厕浴间和其 他结构部位(如外墙)，以及游泳池和污水处理厂等构 筑物防水工程 的辅助防水。建材行业标准 J C T 8 9 4 2 0 0 1 聚合物水泥防水涂料 于2 0 0 1 年颁布实施。6 1 3 聚合物水泥虫防火：奈 聚合物水泥基防火涂料主要是隧道防火涂料。我 国从 2 0 0 1 年前后开始将厚型钢结构防火涂料或混凝 土楼板防火涂料在隧道中使用。近年来随着乳胶粉的 广泛应用，我国开始研究与应用聚合物水泥基隧道防 火涂料。由于其性能优势，这类涂料 的研究与应用受 到重视。l 4 j l t于 聚合物水泥基外墙腻子是一种极具使用价值的 外墙涂装配套材料。在 2 0 世纪 9 0 年代末和本世纪初，随着乳胶粉引入 国内市场，使用乳胶粉和水泥配制普 通外墙腻子得 以流行，因为过去使用 1 0 7 胶和水泥现 场配制的腻子，不能满足施工速度和保证工程质量的 要求。而使用乳胶粉配制的单组分腻子和使用乳液配 制的双组分腻子，使用方便，同时工程质量得到保证。因而，这期间聚合物水泥基腻子发展迅速，并于 2 0 0 4 年颁布实施 了建工行业标准 J G T 1 5 7-2 0 0 4(建筑外 墙用腻子)。近年来随着建筑节能的广泛实施，与外墙外保温 层表面配套使用的柔性腻子又得到大量应用。该类腻 子能够在一定程度上适应基层体积的变化和遮蔽微细 裂缝，与外保温层配套使用，既对保温层起到保护作 用，又为涂料的涂装提供 良好 的基层。目前柔性腻子 产品标准有J G T l 5 7 2 0 0 4、J G 1 5 8-2 0 0 4 4 胶粉聚苯 颗粒外墙外保温系统 和J G T 2 2 9-2 0 0 7 4 外墙外保 第 4 8 卷 温柔性耐水腻子 等。近年来，随着粉状腻子的大量应用，聚合物水泥 腻子 的品种得到扩展，例如用 于修补 凹洞 的点补腻 子、用 于平整度较差 的墙面大面积找平 的找平腻子、用于修补洞 口的补洞腻子和拉毛腻子等。实际上，拉 毛腻子应归属于拉毛涂料，该产品成本 比仅用聚合物 乳液 的腻子显著降低，性能也得到保证，在质感涂料 工程方面具有很好 的发展前景。6 2 发展展 望 聚合物水泥基涂料属于有机 一无机复合型涂料，符合材料科学 的发展趋势，因而将会得到更好 的发 展。例如，随着聚合物水泥基涂料 的应用增多，一些 与实际应用相关的问题(如涂料 配色)将会逐步得到 解决。再例如，发展新型涂料 品种，目前已研发出薄 质建筑涂料，地坪涂料也将是聚合物水泥基涂料的一 个新应用领域。此外，厚型钢结构防火涂料或混凝土 楼板防火涂料也可能会采取有机 一 无机复合 的途径，以提高涂料的性能，在这方面也可发展聚合物水泥基 产品。在高装饰性涂料方面，砂壁状建筑涂料存在 的问 题可能会得到解决，使之具有实用性。在聚合 物水泥基防水涂料方面，扩展涂料功能，增加涂料品种，将成为发展的必然趋势，例如开发具 有与堵漏功能复合的聚合物水泥基防水涂料和具有渗 透结晶功能的聚合物水泥基防水涂料等。在聚合物水泥基涂料的生产工艺上，也将会进一 步得到改进。例如，采取适当的工艺措施使涂料 中的 某些有机聚合物组分(乳胶粉、保水剂等)能够在涂 料 中更有效分散，从而提高涂料性能也是很有意义 的 实际问题，有望在实践 中得到解决。总之，聚合物水泥基建筑涂料 以其 良好 的技术、经济、环保等优势，在今后的实际应用 中将会得到更 好的发展，并将成为新一类重要的建筑涂料。k pp l i c a t i o n o f Pi I I、l l l C 一 L q|I(H I|l a s e(i_、l a t e r i a k i r c h t e c|t l r a (i o：t t hI 譬 s X U F e n g (A n h u i P r o v i n c e A r c h i t e c t u r e S c i e n c e R e s e a r c h a n d De s i g n I n s t i t u t e，A n h u i He f e i，2 3 0 0 0 1，C h i n a)Ab s t r a c t：S e v e r a l p r o b l e ms，s u c h a s t h e c h a r a c t e ri s t i c s，p r o p e r t i e s，m a j o r t y p e s a n d r e c e n t d e v e l o p me n t o f p o l y m e r-c e me n t b a s e d ma t e r i a l s a n d i t s a p p l i c a t i o n i n a r c h i t e c t u r a l c o a t i n g s，mo d i fi e d p r i n c i p l e o f p o l y me r t o c e me n t we r e i n t r o d u c e d Th e de v e l o p me n t o f po l y me r c e me n t b a s e d a r c h i t e c t u r a l c o a t i n g s wa s f o r e c a s t e d Ke y W o r ds：p o l y me r c e me n t b a s e d ma t e r i a l s；a r c h i t e c t u r a l c o a t i n g s；c h a r a c t e ris t i c；v a rie t y