可再分散膠粉及憎水性添加劑的應用

ELOTEX亞太區技術中心，國民淀粉化學（上海）有限公司

 

 

 

    目前在世界范圍內對節約能源與保護環境的需求不斷提高，對建筑圍護結構的保溫要求也在日益加強，涌現出多種解決方案，其中又以外墻外保溫技術的發展最為迅速。所謂外墻外保溫，是指在垂直外墻的外表面上建造保溫層，外墻可以是磚石、混凝土、木材等建筑材料。外墻保溫和裝飾系統 (EIFS) 是集節能、保溫、隔音、裝飾效果為一體的輕質、環保型非承重性外圍護建筑墻體系統，能夠防止潮氣侵入內墻，可用于商業建筑和民用住宅。與其它的覆層產品相比，這種系統可以提供優異的能源利用效率和高得多的設計靈活性和創意性，是新建筑物和改造項目最經濟的節能方法之一。三十多年來EIFS在歐洲的應用已超過5億平米，研究和實踐均證明它是一種可靠的保溫體系。由于中國建筑規模宏大，建筑主體結構以厚重結構為主，在建筑節能跨越式發展的條件下，中國的外墻外保溫市場具有巨大的發展潛力，外墻外保溫也正在成為我國一項重要的建筑節能技術。

為規范和引導市場，北京市于1998年率先制訂了薄抹灰外墻外保溫系統的施工技術規程（北京地方標準）。2003年7月，建設部發布實施了《膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統JG149-2002》的行業標準，對外墻外保溫系統的各組成材料及系統本身提出了嚴格的要求。從我公司技術中心對薄抹灰外墻外保溫系統的研究和試驗結果來分析來看，抹面砂漿與聚苯板的耐水粘結強度、系統的吸水量和抗沖擊強度容易達不到行業標準的要求，這些性能指標無疑對系統的耐久性有十分關鍵的影響。

為了適應中國外墻外保溫技術的發展，美國國民淀粉化學有限公司ELOTEX部門在其位于上海的技術中心以及瑞士總部研發中心以ELOTEX產品和中國當地的材料為基礎，對添加不同可再分散膠粉和憎水劑的膠粘劑和抹面砂漿的粘結強度及系統抗沖擊強度和吸水量進行了測試，從而提出了可以滿足行業標準要求的ELOTEX解決方案，并根據聚合物膜應力-應變曲線和抹面砂漿-聚苯板界面區微結構的研究結果對聚合物改性砂漿的作用機理進行了分析。

 

 

   采用了海螺牌42.5 普通硅酸鹽水泥、粒徑為0.1-0.3mm的石英砂和粘度為15000cp的纖維素醚；選用了三種常用于薄抹灰外保溫系統的可再分散聚合物粉末，包括ELOTEX柔性VA/E 粉末和一種憎水性聚合物粉末以及一種VA/VEOVA（醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚物）聚合物粉末；選擇了二種憎水性添加劑，包括ELOTEX可再分散硅烷基粉末SEAL80和工業級產品硬脂酸鈣。試驗中所采用的聚苯板的表觀密度為19kg/m³，其它性能亦符合行業標準JG149-2002的要求。

 

   本文共進行了三個系列的試驗，試驗所使用的基礎配方中水泥和纖維素醚的摻量保持不變，改變可再分散膠粉和憎水劑的品種和摻量，相應地對砂子的摻量進行調整。具體方案如下：

 

 

   按既定配方準確稱取原料，并在干粉狀態下攪拌均勻。 在水泥膠砂攪拌機中加水攪拌2分鐘，加水量為20-21%，靜置15分鐘后手工攪拌15秒，按JG149-2002 規定的方法進行相關的試件成型、養護和測試。

 

 

   采用基礎配方1進行試驗，測試的主要性能包括：抗沖擊強度（反映了系統的抗開裂性能）；砂漿與聚苯板的原粘結強度和耐水粘結強度（反映了系統的粘結安全性）；吸水量（反映系統耐侯性）。試驗結果如表1所示。

 

表1  不同品種的可再分散膠粉對砂漿粘結強度及系統吸水量和抗沖擊強度的影響

 

   從表1的結果可以看出，摻加不同品種的可再分散膠粉對砂漿的粘結強度以及采用該砂漿制作的系統性能的影響是不同的。添加VA/E 膠粉的砂漿與聚苯板具有良好的干態粘結強度和耐水粘結強度，用這種砂漿制作的系統具有高得多的抗沖擊強度，但吸水量未能達到行業標準的要求（£500g/m²）。使用添加了憎水性膠粉配制的砂漿制作的系統吸水量和抗沖擊強度剛能達標，但是該砂漿的干態粘結強度偏低，而耐水粘結強度未達到0.1MPa。添加VA/VEOVA 粉末的砂漿除與聚苯板的干態粘結強度符合行業標準的要求，砂漿的耐水粘結強度、用該砂漿制作的系統的吸水量和抗沖擊強度均未達到行業標準的要求。

 

   采用基礎配方2進行試驗，測試的主要性能包括：添加不同量VA/E膠粉的砂漿與聚苯板的粘結強度和采用這些砂漿制作的系統的抗沖擊強度。試驗結果列于表2。

 

表2  不同摻量的VA/E膠粉對砂漿粘結強度和系統抗沖擊性能的影響

 

   從表2的試驗結果可以看出，隨著聚合物摻量的提高，外保溫系統的抗沖擊強度顯著增加，這也說明砂漿的柔性隨聚合物摻量的增加而獲得提高。砂漿與聚苯板的粘結強度亦有隨膠粉摻量的增加而增加的趨勢。但是當摻量大于3%時，干態粘結強度和耐水粘結強度幾乎沒有增加。當VA/E膠粉的摻量在2.5%以上時，砂漿與聚苯板的粘結強度和及其系統的抗沖擊強度均可以滿足行業標準的要求。

   如果將表1和表2的結果結合起來看，就不難發現，可再分散膠粉的品種和摻量對薄抹灰外保溫系統抗沖擊強度具有至關重要的影響。外保溫系統的抗沖擊強度的概念是：將一定質量的鋼球從一定的高度自由落下至外保溫系統的表面，系統表面不產生裂紋時所能承受的鋼球最大勢能。顯然，抗沖擊強度也是系統抗裂性能的反映。我們知道外保溫系統的最大技術難題就是防止開裂。為了有效地防止開裂，需要選擇合格的網格布，控制增強防護層的厚度，控制網格布在增強層中的深度等等，因為這些因素都將對系統的抗沖擊強度產生非常明顯的影響?？梢哉f系統的抗沖擊強度越高系統的抗裂性越好。對外保溫系統使用的單組分砂漿來說，優先選擇使系統抗沖擊強度得到更大程度提高的可再分散膠粉是提高系統抗裂能力的一個重要的技術手段。

   為了更好地說明不同品種的可再分散膠粉對系統抗沖擊性能具有不同改善程度的原因，我們在我公司瑞士總部研究中心測試了使用不同可再分散膠粉所制作的聚合物膜的應力-應變曲線。為了模擬可再分散膠粉在水泥漿體中的真實環境，將膠粉分散在水泥料漿的濾液中制備成膜，然后在23°C和50%的相對濕度下養護8天，依據 DIN EN ISO 527測試聚合物膜的應力-應變曲線，如圖1所示。

 

圖1  不同聚合物膜的應力-應變曲線

    從上圖可知，由柔性VA/E膠粉獲得的薄膜在斷裂時的應變（伸長）以及應力是VA-VEOVA 薄膜的兩倍；由憎水性聚合物粉末獲得的薄膜不僅斷裂應力較VA/E膜低得多，而其斷裂應變在三種薄膜中是最低的。另外，應力-應變曲線下的面積反映了聚合物膜的韌性。從上圖可知，由柔性VA/E膠粉獲得的薄膜的應力-應變曲線下的面積大約是由其它兩種粉末獲得的薄膜的3倍，說明EVA薄膜的韌性較后兩者高得多。聚合物膜的韌性對其改性的砂漿抗沖擊性能有關鍵性的影響，這可能就是為什么在其它條件基本相同的情況下采用VA/E膠粉改性的抹面砂漿具有最佳的抗沖擊強度的原因。

 

    采用基礎配方3進行試驗，測試的主要性能包括：同時添加VA/E膠粉和不同品種、不同摻量憎水劑的砂漿與聚苯板的干態和濕粘結強度及系統的吸水量。試驗結果列于表3。

    從表3的結果可以看出，配方中摻加SEAL80 對系統吸水量的降低作用是非常明顯的。從耐水粘結強度來看，添加 SEAL80 可明顯提高砂漿與聚苯板的耐水粘結強度，特別是浸水后再在標準條件下干燥1天后測的粘結強度（依據北京地方標準測試）。由基礎配方中添加0.5%硬脂酸鈣的砂漿制作的系統的吸水量也有明顯的下降，但是，這種砂漿與聚苯板的粘結強度卻明顯降低。

表3 不同憎水劑及其摻量對砂漿粘結強度和系統吸水量的影響

 

   SEAL80是外殼進行了特殊處理的硅烷基粉末，具有極佳的親水性,可在水中迅速均勻分散。添加SEAL80 的聚合物干粉砂漿加水拌合后，能夠很快被水潤濕并迅速攪拌均勻。硅烷基粉末SEAL80在水泥的高堿性環境下水解形成高反應活性的硅烷醇基團，硅烷醇基團再同水泥水化產物中的羥基基團進行不可逆反應，從而使硬化水泥砂漿中孔壁的表面獲得了憎水性。這一系列的化學反應使原本不憎水的聚合物砂漿在經過一段時間的硬化后變成了表面及內部均具憎水性的砂漿。正是因為添加了SEAL80的聚合物砂漿在新拌狀態下沒有憎水性，才使得新拌砂漿可以充分濕潤聚苯板，從而使二者之間能獲得充分緊密的結合，最終達到極佳的粘結強度。這一點可以從下面的砂漿-聚苯板界面區的微結構照片中觀察到。硬脂酸鈣與SEAL80完全不同，由于其本身具有很強的憎水性，使它在水中無法快速潤濕和溶解。當加水拌合添加了硬脂酸鈣的干粉聚合物砂漿時，會發現砂漿干粉難以潤濕，需要攪拌較長的時間才能將其攪拌均勻。從聚合物砂漿與聚苯板粘結試件的破壞面來看，聚苯板完好無損，說明含硬脂酸鈣的聚合物砂漿與聚苯板不能緊密結合，這很有可能是添加硬脂酸鈣的砂漿對聚苯板的濕潤性太差造成的。這樣容易導致界面處的機械咬合力大大降低，同時也可能導致界面處的聚合物膜不能進行有效的橋連。

   另外我們在試驗過程中還發現添加憎水性膠粉的干粉聚合物砂漿也較難被水潤濕，說明憎水性膠粉本身就具有一定的憎水性，這可能也是該砂漿與聚苯板粘結強度偏低的原因之一。

 

   圖2為添加了SEAL80和VA/E膠粉的砂漿與聚苯板界面區的顯微照片，從照片中我們可以看出經聚合物改性的抹面砂漿能夠濕潤憎水性極強的聚苯板基層。通過觀察砂漿在界面處凹凸分布可以說明其極佳的潤濕能力，從而使得新拌砂漿可以嵌入到聚苯顆粒之間。圖3為掃描電子顯微鏡下觀察到的聚合物砂漿與聚苯板界面區的顯微照片，可以發現砂漿與聚苯板緊密地鑲嵌在一起。顯然，聚合物砂漿與聚苯板的粘結力主要來自于兩個方面：界面處聚合物砂漿嵌入聚苯板表面縫隙后產生的機械咬合力、界面處聚合物膜對聚苯板-砂漿界面處的收縮裂縫進行橋連產生的結合力。顯然，采用VA/E膠粉配合SEAL80制備的砂漿可以在這兩方面均達到良好的效果。

圖2 砂漿與聚苯板界面區的光學顯微照片

            

 

通過以上研究，可以得到下面的結論：

 

1.添加不同品種的可再分散膠粉的砂漿及由該砂漿制作的薄抹灰外保溫系統的性能之間差距很大，單獨使用一種可再分散膠粉配制砂漿很難使砂漿和系統的各項性能都滿足行業標準的要求；

2.摻加適量的柔性 VA/E膠粉可以使系統獲得極佳的抗沖擊強度，因而特別適合于配制薄抹灰外保溫系統的抹面砂漿；

3.SEAL80在明顯降低系統的吸水量的同時，沒有降低系統的干態粘結強度，對系統的耐水粘結強度亦有明顯的改善；硬脂酸鈣類的憎水劑在降低系統吸水量的同時，也使系統的粘結強度急劇下降；

4.柔性VA/E膠粉的摻量對外保溫系統的性能具有關鍵性的影響，在外保溫系統的膠粘劑和抹面砂漿中添加2.5%-3%的VA/E可再分散膠粉可以獲得優異的粘結強度和抗沖擊強度；

5.在外保溫系統的抹面砂漿中額外添加0.2%-0.3%SEAL80可以使系統的吸水量達到行業標準的要求（£500g/m²），同時也提高了系統的耐水粘結強度。