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聚合物水泥基材料在建筑涂料中的應用
發布時間：2014-07-15
1 聚合物水泥基材料特性概述 由具有膠粘性的聚合物、水泥、水、添加劑等組成的混合料，經凝結并硬化后所形成的材料稱為聚合物水泥基材料。該類材料兼有水泥基材料的耐水性好、耐久、價廉和環保，以及有機聚合物的柔韌、防水、黏結性強和抗拉強度高等特點，具有極佳的技術性能優勢，獲得極為廣泛的應用。
1.1 物理力學特性
聚合物水泥基材料的物理力學性能主要指其強度、彈性模量、抗裂性、耐酸堿性、耐水性、抗滲透性等。與水泥基材料和聚合物材料相比，聚合物水泥基材料的抗拉強度、抗折強度和黏結強度等都顯著提高，特別是黏結強度提高幅度很大，這是因為聚合物與被黏結基體的良好膠接作用。抗拉強度的提高主要歸因于微裂紋和其他結構缺陷的減少。聚合物與水泥漿體之間形成互穿網絡，在應力作用下產生裂縫時，聚合物能夠在微裂紋上“架橋”而抑制裂縫擴展，使聚合物水泥基材料的斷裂韌性、變形性能得到提高。此外，拌合物的工作性和分散性的改善使水化水泥漿體的結構均勻致密，也促進了抗拉強度的提高。
由于結構更加密實，聚合物水泥基材料的滲透性大大降低，由此也促進了耐酸堿性、耐水性的改善。聚合物水泥基材料耐溫、濕度變化循環的能力要比水泥基材料好，這是由于聚合物膜的存在，以及使用聚合物時較低的水灰比及合理的孔結構所致。聚合物水泥基材料彈性模量降低，這是由于聚合物的彈性模量較水泥漿體的彈性模量低得多，彈性模量降低對改善聚合物水泥基材料的變形性有益，這極有利于材料在變溫條件下吸收應力。同時，由于聚合物水泥基材料的抗拉強度提高，延伸性能改善，從而減少干縮裂縫和溫度裂縫的形成。干縮裂縫的減少也與聚合物較高的保水性有關。聚合物水泥基材料隨溫度升高而強度降低，當材料中聚合物含量高時可能還有輕微的可燃性。通常聚合物水泥基材料的使用溫度限制在150℃以下。
1.2 施工操作特性
聚合物水泥基材料常常具有更好的施工操作特性，但不同的聚合物會給聚合物水泥基材料帶來不一樣的性能。對于合成樹脂乳液類聚合物來說，由于其中富含表面活性劑，能夠增大拌合物的流動性；分散的聚合物顆粒還能象“滾珠”一樣使水泥及水化產物顆粒更容易相對運動，因而常常能夠使拌合物的施工性得到顯著改善。由于聚合物的分散作用及表面活性劑被吸附到水泥顆粒上，使水泥的水化速度減緩，即對水泥產生緩凝作用，使拌合物的凝結時間延長。一般情況下，這些因素對施工操作性都很有利。乳液的憎水性和膠體性質使新拌聚合物水泥基材料具有良好的保水性，從而減少了對其進行長期潮濕養護的必要。對于聚乙烯醇類水溶性高分子聚合物來說，其水溶液是膠體，黏聚性很大，因而能夠顯著提高拌合物的黏聚性，有效改善施工操作性。
1.3耐久性、耐腐蝕性
聚合物的引入使材料的物理力學性能提高、微觀結構改善且結構缺陷減少，顯著提高材料的抗滲性和凍融耐久性，并使材料具有良好的抗化學侵蝕性，良好的抗氯鹽滲透能力。
1.4成本
聚合物水泥基材料的成本比水泥基材料顯著提高，但目前在不同的應用領域，絕大多數處于能夠接受的范圍，并具有很強的競爭力。聚合物水泥基材料的這些特性，使之極適合于制備某些裝飾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對水泥的改性
在聚合物水泥基材料中，當主導材料為水泥時，材料顯示無機水泥的特性，但性能得到顯著改善；反之亦然。這兩種情況在建筑涂料中都存在。
2.1水泥為主導材料
當主導材料是水泥時，聚合物對水泥的改性機理大致可歸納為：
一是聚合物在水泥凝膠中均勻分散，可以防止或減少水分蒸發和防止干燥基體對水分的吸收，使水泥水化作用更趨完善。
二是聚合物的加入增大了水泥膠凝材料的黏結力。在水泥-聚合物體系中，水泥和聚合物都能起膠黏劑的作用；但聚合物膜的黏結強度遠高于水泥的拉伸強度，而使體系拉伸強度大大提高。聚合物膜在材料中均勻分布，并與水泥凝膠體形成了相互貫穿的網絡，在受到外力作用時，這種結構有利于應力的分散和轉移，阻止或減弱了裂紋的增長。
三是聚合物與水泥水化產物之間存在化學作用。此外，水泥在凝結硬化過程中不可避免地會產生大量孔隙或微裂紋而在材料中形成薄弱部位。加入的聚合物分散并聚集于孔隙壁上，在孔隙壁或微裂紋表面形成一層聚合物膜，對這些薄弱部位產生增強作用。因而，通過聚合物分子的擴散（自黏性），聚合物粒子在材料中形成不溶于水的連續聚合物膜，提高對界面的黏結性和對材料本身的改性。聚合物膜分布于水泥水化產物之間，在有應力時起到“架橋”作用，有效吸收和傳遞能量，從而抑制裂紋的形成或擴展。
2.2 聚合物為主導材料
主導材料為聚合物的情況更多出現于建筑涂料中。此時，材料在呈現聚合物特性的同時，獲得水泥基材料所賦予的耐水性、透氣性和化學改性作用，使復合材料的性能顯著提高。
3 聚合物水泥基材料在建筑涂料中的應用
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時間內就會凝結硬化，即使采取緩凝措施也只能夠延長有限的時間，作為產品并無實際意義。因而，聚合物水泥基材料主要用于生產粉狀和雙組分建筑涂料。
3.1 粉狀建筑涂料
粉狀聚合物水泥基建筑涂料的聚合物組分為可再分散乳膠粉或者聚乙烯醇微細粉末。在工廠中將各種組分混合均勻制成涂料，使用時只需加水攪拌均勻即可，如復層涂料、仿瓷涂料等。這類涂料的最大優勢在于加水攪拌即可使用，便于運輸、存放，避免施工現場準備多種原材料。
3.2 雙組分建筑涂料
雙組分建筑涂料為粉料和液料配套包裝供應。與粉狀建筑涂料相比，雙組分建筑涂料也有其性能優勢，主要體現于成本低。但當使用時一次的配制量小于一個包裝時，稱量和配比就顯得很麻煩。此外，雙組分建筑涂料包裝量和運輸量也相應增大。因而，有些對成本要求苛刻而又不需要長途運輸的建筑涂料，如聚合物水泥防水涂料，目前仍然是雙組分建筑涂料；有些建筑涂料，例如外墻柔性膩子，則粉狀和雙組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 性能優勢
在聚合物水泥基建筑涂料中，聚合物可在干燥環境下成膜，水泥則在有水存在的條件下固化和水化，這兩種體系的結合，使涂膜具有最佳的物理力學性能。聚合物賦予聚合物水泥基涂料良好的表面性能，既提高了耐沾污性，又保留了純無機涂料原有的透氣性。聚合物水泥基建筑涂料具有許多僅僅使用有機基料制備的涂料所難以得到的性能，例如與水泥基無機基層的黏結強度、耐水性、耐老化性等，均遠遠超出僅使用有機基料或無機基料所能夠達到的效果。
4.2 經濟優勢
聚合物水泥基建筑涂料由于使用價格低廉的水泥，可以使有機基料的用量顯著降低，從而降低涂料成本。另一方面，液體有機涂料由于需要解決貯存性能，例如防沉淀、霉變以及保持涂料的黏度穩定等，需要使用許多助劑，如增稠劑、防霉劑、防凍融劑、分散劑等，而且對這些助劑的性能要求較高，因而其成本在涂料的組成材料中占有很高比例（一般占涂料原材料成本的15%~35%），而在粉狀或雙組分聚合物水泥基建筑涂料中這些助劑或者根本不需要使用，或者用量很少，或者能夠使用更為廉價的產品（例如分散劑，可以使用六偏磷酸鈉這種具有高效分散性能而又廉價的產品），從而使涂料的生產成本降低。
4.3 生產及其技術優勢
按照目前建筑涂料的原材料供應情況，聚合物水泥基建筑涂料所用的原材料絕大多數都是粉狀材料，有少部分可能需要進一步粉磨的原材料用量也很小。因而，其生產只是將各種粉狀材料在干粉混合機中混合均勻即可，生產過程非常簡單，生產技術很容易掌握與控制。生產設備也只需干粉混合機、粉狀材料包裝機、質量控制設備等，投資小。
4.4 包裝、運輸
液體涂料需要的包裝條件要比粉狀建筑涂料嚴格得多，既要求包裝材料具有密閉性，又要求具有很高的強度，以防止其在運輸、貯存期間破損，泄漏，因而包裝費用很高。另一方面，一般液體涂料中含有40%~55%的水，需要包裝材料的數量也多，運輸費用同樣提高。可見，粉狀建筑涂料在包裝與運輸方面具有很大的優勢。
4.5 環境優勢
一般認為水性建筑涂料是環保型產品，很多商家鑒于產品宣傳的需要，更是把這類涂料稱為綠色環保產品。實際上，水性涂料以水取代有機溶劑作為涂料的分散介質，最大限度地減少了涂料向大氣中排放的VOC（揮發性有機化合物）。但是，水性涂料同時也帶來了新的問題，例如，水性涂料中需要使用大量的表面活性劑（分散劑、潤濕劑和乳化劑等）、防霉劑和凍融穩定劑等。
另外，由于水性涂料容易用水清洗，因而生產、施工中常常使用大量的清洗水，很多情況下甚至在涂料的施工過程中將廢棄的涂料直接排放至下水道中，這些做法的結果是向江河水系中排放大量的表面活性劑、防霉劑、凍融穩定劑等，引起污染。與溶劑型涂料相比，水性涂料的環保性不容置疑，是涂料發展的必然方向，但在國外水性涂料并不被稱為環保型產品，只說是可以安全使用的產品。有些國家還規定，涂料公司要負責回收使用后的包裝材料，廢棄的涂料也要統一處理，避免流入河流。從這一意義上來說，粉狀建筑涂料中會對環境產生不良影響的表面活性劑及其他助劑（如防霉劑、凍融穩定劑和成膜助劑等）要少得多，在生產、施工中的清洗水用量也少得多，從環保、節水等方面來說，無疑具有更大的優勢。
4.6 應用限制
聚合物水泥基材料目前還只能在有限的幾個建筑涂料品種中應用，一是只能制成粉狀產品或由液料和粉料分開包裝的雙組分產品；二是只能制成厚質建筑涂料。對于薄質、刷涂、輥涂或需要噴涂出平滑表面的涂料，目前的技術狀態尚難以使用。
5 聚合物水泥基建筑涂料的主要品種
聚合物水泥基建筑涂料可以分為墻面涂料、功能性建筑涂料和墻面膩子3大類，主要組成材料和性能特性如表1所示。由于建筑行業的習慣，建筑保溫隔熱涂料通常稱為保溫漿料或保溫砂漿，但其組成和材料實質屬于涂料范疇，而且在其發展初期也以建筑涂料名稱使用。
6 聚合物水泥基建筑涂料的發展與展望
6.1 聚合物水泥基建筑涂料的發展
6.1.1 裝飾性墻面涂料
復層涂料、粉狀砂壁狀涂料和拉毛涂料等涂料涂膜厚，質感強，是聚合物水泥基成膜物質良好的應用場合。復層涂料的應用最早在20世紀80年代，以107膠（聚合物樹脂組分）和水泥復配而成的復層涂料就得到一定程度的推廣應用。國家標準GB/T9779《復層建筑涂料》的1988年和2005年版都有聚合物水泥類別的復層涂料。早期的聚合物水泥復層涂料是將107膠和粉狀組分分開包裝，有時甚至是在現場簡單配制。現在的粉狀復層涂料采用乳膠粉或者聚乙烯醇粉末作為聚合物組分，以纖維素醚為流變增稠組分，性能比早期產品顯著提高。
聚合物水泥基材料在建筑涂料中的應用
與復層涂料相比，砂壁狀涂料雖然應用較早，但以聚合物水泥為成膜物質的產品直至目前仍處于研制階段，發展很慢。筆者曾對此作過一些試驗，在工程上實際應用，其裝飾效果尚不如聚合物乳液配制的膏狀產品，因而影響其使用。拉毛涂料實際上也可以使用聚合物水泥配制，近年來也得到開發應用。但由于這類涂料從開始使用時將其稱為拉毛膩子，以后一直沿襲這種名稱。
6.1.2 聚合物水泥基防水涂料
聚合物水泥基防水涂料是最先發展并得到廣泛應用的聚合物水泥基建筑涂料。我國從20世紀90年代初開始研制該類涂料。隨著國家對綠色環保型建材產品的推廣和經工程應用表明：該類涂料防水效果良好，使用方便，無毒、無污染，在以“彈性水泥”為商品名稱的推動下，目前幾乎在全國范圍內使用。其應用場合包括各種建筑物的地下室、屋面、廁浴間和其他結構部位（如外墻），以及游泳池和污水處理廠等構筑物防水工程的輔助防水。建材行業標準JC/T894—2001《聚合物水泥防水涂料》于2001年頒布實施。
6.1.3 聚合物水泥基防火涂料
聚合物水泥基防火涂料主要是隧道防火涂料。我國從2001年前后開始將厚型鋼結構防火涂料或混凝土樓板防火涂料在隧道中使用。近年來隨著乳膠粉的廣泛應用，我國開始研究與應用聚合物水泥基隧道防火涂料。由于其性能優勢，這類涂料的研究與應用受到重視。
6.1.4 外墻膩子
聚合物水泥基外墻膩子是一種極具使用價值的外墻涂裝配套材料。在20世紀90年代末和本世紀初，隨著乳膠粉引入國內市場，使用乳膠粉和水泥配制普通外墻膩子得以流行，因為過去使用107膠和水泥現場配制的膩子，不能滿足施工速度和保證工程質量的要求。而使用乳膠粉配制的單組分膩子和使用乳液配制的雙組分膩子，使用方便，同時工程質量得到保證。因而，這期間聚合物水泥基膩子發展迅速，并于2004年頒布實施了建工行業標準JG/T157—2004《建筑外墻用膩子》。
近年來隨著建筑節能的廣泛實施，與外墻外保溫層表面配套使用的柔性膩子又得到大量應用。該類膩子能夠在一定程度上適應基層體積的變化和遮蔽微細裂縫，與外保溫層配套使用，既對保溫層起到保護作用，又為涂料的涂裝提供良好的基層。目前柔性膩子產品標準有JG/T157—2004、JG158—2004《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統》和JG/T229—2007《外墻外保溫柔性耐水膩子》等。近年來，隨著粉狀膩子的大量應用，聚合物水泥膩子的品種得到擴展，例如用于修補凹洞的點補膩子、用于平整度較差的墻面大面積找平的找平膩子、用于修補洞口的補洞膩子和拉毛膩子等。實際上，拉毛膩子應歸屬于拉毛涂料，該產品成本比僅用聚合物乳液的膩子顯著降低，性能也得到保證，在質感涂料工程方面具有很好的發展前景。
6.2 發展展望
聚合物水泥基涂料屬于有機-無機復合型涂料，符合材料科學的發展趨勢，因而將會得到更好的發展。例如，隨著聚合物水泥基涂料的應用增多，一些與實際應用相關的問題（如涂料配色）將會逐步得到解決。再例如，發展新型涂料品種，目前已研發出薄質建筑涂料，地坪涂料也將是聚合物水泥基涂料的一個新應用領域。此外，厚型鋼結構防火涂料或混凝土樓板防火涂料也可能會采取有機-無機復合的途徑，以提高涂料的性能，在這方面也可發展聚合物水泥基產品。
在高裝飾性涂料方面，砂壁狀建筑涂料存在的問題可能會得到解決，使之具有實用性。在聚合物水泥基防水涂料方面，擴展涂料功能，增加涂料品種，將成為發展的必然趨勢，例如開發具有與堵漏功能復合的聚合物水泥基防水涂料和具有滲透結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產工藝上，也將會進一步得到改進。例如，采取適當的工藝措施使涂料中的某些有機聚合物組分（乳膠粉、保水劑等）能夠在涂料中更有效分散，從而提高涂料性能也是很有意義的實際問題，有望在實踐中得到解決。
總之，聚合物水泥基建筑涂料以其良好的技術、經濟、環保等優勢，在今后的實際應用中將會得到更好的發展，并將成為新一類重要的建筑涂料。
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