高性能建筑腻子的研究现状与前景

建筑腻子是近几年来迅速发展起来的墙体材料。它的前身是抹在墙面的灰浆,是由水泥、石灰膏和砂或石渣组成,与水拌和成砂浆或石渣浆,然后抹到墙面上使墙体平整,这种灰浆抹成的墙体饰面易开裂、脱落、变色和耐久性差,不能刷涂料。

      随着我国建筑行业的迅猛发展,墙体装饰质量要求越来越高,不但要求能抹平,还要能上高档涂料,昔日的灰浆已经达不到这种要求,因此替代灰浆的建筑腻子逐渐发展起来。目前建筑腻子种类繁多,质量参差不齐,最常见的是用107胶水与水泥砂浆和纤维素制成的腻子,把它抹在墙面容易掉灰,出现裂缝,剥落,而且胶水中的甲醛挥发,污染环境,这种传统建筑腻子已经不能适应装饰业的需要。为了克服这些毛病,研发高性能的新型建筑腻子,提高装饰质量,已经成为装饰业的迫切需要。1HPBP及其研究现状1.1HPBP国家建设部分别在1998年和2004年制定了《建筑室内用腻子》(JG/T3049-1998)[1]和《建筑外墙用腻子》(JG/T157-2004)[2]国家标准,明确规定了建筑腻子技术性能。这些性能包括施工性能,力学性能,化学性能和物理性能,这些性能基本上勾画出HPBP的轮廓。其中施工性能要求批刮顺利,打磨容易;力学性能包括有粘结强度和抗开裂要求,而且要求这些力学性能稳定,即使在水中或空气中,在冬天或夏天变化不大。化学性能要求在水中和碱性条件下不产生化学反应而脱落;物理性能要求贮存时物料状态稳定,不结块,表干时间适中。

      但是在这些标准中没有包含建筑腻子的环保性能和经济性能。综观建筑腻子国内外发展现状和笔者从事的相关研究,HPBP的广义定义应是性能达到或超过国家技术标准的环保型建筑腻子。而狭义的定义应为:刮涂容易,高耐水性和耐碱性,高体积稳定性(不开裂,收缩徐变小),高耐久性(100年),较高粘结强度,合理性价比的环保型建筑腻子。建筑腻子按其使用场所分为内墙和外墙建筑腻子2大类,每大类按其组分形态分为单组分(固态或液态)或双组分(固液态);按其用途分为普通型(一般型)和功能型(耐水型或柔性型或弹性型)等类型。不管哪一类建筑腻子,它们都是墙体找平基层材料和涂装基材,需要牢固地与墙体粘结在一起,同时又要使涂料在其上面容易涂饰。因此,建筑腻子实质是一种界面处理剂;既要解决与墙体连接,又要解决与涂料相容2个重要环节。

墙体是一个复杂的基层,可能是砖墙、土墙、混凝土墙和各类的墙。这些墙体尽管形式不一,但是其组成是以无机硅酸盐为主体的材料。要增加腻子与其粘附强度,需要在腻子中掺入水泥和砂,在一些高性能的建筑腻子中这些成分约占50%左右。腻子与水接触后形成的硅酸盐水化物具有胶凝性,并且与基材物性相似,因此能粘结在墙面上起到平整作用。但是只依靠水泥水化产物的胶凝性提供的粘结强度是不够的,而且水泥水化产物热稳定性差,容易干缩变形开裂,脆性大,耐久性差,刮涂平整度达不到要求,所以需要对这些传统的建筑腻子进行改性,提高其性能。

      目前,HPBP的研究大部份是采用了无毒性的聚合物改性水泥砂浆,对环境不会污染。由此可见,研究高性能HPBP实质是研究聚合物如何改性水泥基复合材料的课题。从聚合物改性水泥基材的研究结果表明,经聚合物改性后的水泥浆体具有很高的粘结强度,而抗开裂性和耐磨性提高,柔软性和保水性增加,变形适应性强。这些改性后的性能正好符合了HPBP的功能需要。

1.2HPBP的发展现状

      综观国内外建筑腻子发展状况,欧洲的建筑腻子工业发展最快。以相同于建筑腻子的干混砂浆粉为例,在2001年德国已生产10万t。早在1893年欧洲已经建立了干混砂浆生产线并获取了专利,至今已经发展一百多年了。这些建筑腻子是高质量的,产品是标准化的,使用原料是规范化的,采用的工艺是聚合物改性水泥砂浆和相应的先进设备,年产量达到数百万吨。但是,我国对建筑腻子的研究起步较晚,真正把建筑腻子作为一种建筑材料产品进行生产和研究是在20世纪90年代。过去,建筑腻子是一种灰浆,在建筑施工现场即配即用,后发展为用灰浆干粉加有机胶水配制使用。由于这种传统的建筑腻子存在很多缺点,达不到建筑装饰基本要求,极待需要改进。这样新型建筑腻子才逐渐发展起来,并且有了国家标准,产品质量有了提高。

    依据国内外建筑腻子发展情况,HPBP的研究主要在下面几个方面:

      (1)高粘结强度和优良抗开裂性能相结合的HPBP。众所周知,腻子的粘结强度和抗开裂是相互抑制的一对矛盾体,前者高内应力增大,容易造成开裂,因此,在提高腻子粘结强度的同时要加入柔性或弹性的聚合物,以降低由此产生的内应力,消除裂纹的产生。这犹如利用退火消除玻璃的内应力减少微裂纹的形成一样。张心亚等人[3]利用乙烯—醋酸乙烯脂共聚物等一些可再分散的乳胶粉和甲基纤维素醚等助剂恰当相配,对水泥砂浆进行改性,制成的腻子性能达到较高的粘结强度和抗开裂性能。笔者也进行了相似的试验并涂刮在外墙上,经过300多天日晒雨淋和寒暑变化,腻子依然如旧,没有脱落和开裂。因此可再分散性聚合物胶粉和甲基纤维素醚或膨润土适宜匹配,可以制成HPBP。

      (2)高抗渗性和耐水性优良的耐候HPBP。不管外墙腻子或内墙腻子,都是涂在墙体上,要和空气中水份接触。在外墙或在浴室和厨房的内墙,这种接触机会更多,时间更长。因此,耐候性是腻子重要的应用性能。刘刚等人[4]经过对聚合物筛选,采用了聚丙烯酰胺作为腻子的有机粘结剂,制成了高耐候的建筑腻子,浸泡水中48h不脱落;在人工老化仪中经1000h老化试验样板无明显变化,无粉化,无裂纹和无起泡;在天然暴晒架上自然老化试验,230d后试样无其他变化。防水渗透是耐候性一个重要环节,石玉梅[5]在这方面进行了择优挑选,在腻子中添加助剂时不再加入水溶性高分子聚合物,如聚乙烯醇等;在选择填料时选用了具有稳定型扁平状微粒的活性重钙粉,这些粉末能够在固化反应中形成网状骨架结构,有机物水化膜复盖在上面,从而达到防水效果,经240h浸水试验不起泡和脱粉。从众多学者的研究中,可以体现到耐候性已经成为HPBP一个重要特性。

       (3)良好施工性能的HPBP。施工性能的优劣是HPBP一个重要标志,德国拜耳公司为了保证其生产的腻子施工质量及其商品化,把双组分改为单组分,而且制成干混砂浆粉,用现代化生产手段进行生产和销售到世界各地。单组分腻子可以用专业工厂生产成产品,然后运到工地现场施工,施涂极为方便,而且安全可靠。

        施工性能主要是指涂刮或喷涂腻子时是否容易并能快速找平,没有卷边或不粘贴等现象,腻子涂干后可以快速打磨平整。腻子施工性能是其整体性能的体现,与其组成密切相关,受粘结强度,保水性,表干速度,流动性和触变性等性能的影响。在提高粘结强度和抗开裂性能同时,必须兼顾施工性能。夏正斌等人[6]首先对腻子中的填料双飞粉和石英砂的搭配对施工性能影响进行研究,找出了施工性能最佳的两者比值。但是,应该看到这个比值是会随这2种原材料品种粒度和颗粒形态不同而变化的,而且他们对纤维素醚类型与施工性能相关性进行探讨,找出DF-1型纤维素醚及其最优掺量,能够使腻子达到粘结强度高,抗开裂强,收缩性低而施工性能优越。笔者曾用灰钙粉尝试改善腻子施工性能,亦得到较好的效果。

     综合目前HPBP的研究情况,采用单组分工艺,使用可再分散性的聚合物和硅酸盐原料混合的粘结剂,采用无机物和有机物相匹配的助剂,从而获得整体性能优良的新型建筑腻子。

2HPBP的前景2.1

      发展“双高”单组分HPBP腻子是涂刮或喷涂在墙体上,粘结强度是一个主要性能,而随之产生的另一个重要性能是抗开裂性能,这2个性能是相互制约的,只有它们之间达到合理协调才能形成“双高”的高性能腻子。从众多的学者以及笔者的研究中表明,腻子要达到高粘结强度和高抗开裂的双高性能,首先要正确使用粘结剂。腻子所使用的粘结剂分为有机和无机2大类;有机粘结剂主要通过成膜原理形成粘结性能,粘度越高,粘结能力越大。不同类型的粘结剂,由于组成的聚合物不同,粘结性能有很大的区别,笔者曾用国内某厂生产的乳胶粉与国外的乳胶粉比较,他们的粘结强度相差2倍多,后者显得很高。有机粘结剂的掺入量不但影响腻子的性能,还影响其性价比,一般腻子所用的有机粘结剂都是有机聚合物乳液经喷雾干燥制得的可再分散胶粉,成本昂贵,2～4万元/t。因此,掺入量不能过高。在一定掺量范围内,粘结强度是随胶粉掺量增加而提高。

      在腻子中加入廉价的无机粘结剂,一方面是改善腻子粘结强度,同时又是降低成本。通常选用普通硅酸盐水泥作为腻子的无机粘结剂。但是国外也有选用高铝水泥。水泥的品种不同和等级不同也影响腻子粘结强度,一般水泥等级越高,粘结强度越大。灰水泥比白水泥的粘结强度高。掺入水泥的量越大粘结强度越高,但体积稳定性差,容易造成开裂。水泥是水硬性胶凝材料,在水化过程形成C-S-H凝胶和产生活性的阳离子,这些网络状凝胶与聚合物胶粉水化膜相互穿插构成一个交织网络,从而提高粘结强度;而活性的阳离子(如Ca2+和Al3+等)与聚合物的亲水性阴离子(如-OH和-NH2)共同作用,提高腻子的耐水性。

      但是仅依靠使用这种复合粘结剂并不能很好解决腻子“双高”性能,还需要加入相应的增稠剂。这种增稠剂采用有机物和无机物混合类型。前者批刮性好,后者增稠性明显,成本低,两者形成一个联合效应。在这种混合型增稠剂作用下,腻子的保水性,触变性,批刮性和柔软性都得到提高。但是HPBP还需要有合理的性价比,因此需要加入价廉的无机填料,其中石灰石和石英砂是最常用的一类无机填料。它们的颗粒大小、形状、掺入量和相对比值都直接影响粘结强度和施工性能。目前应用最多的有机粘结剂是乙烯-醋酸乙烯脂共聚物类型的可再分散乳胶粉,无机粘结剂是42.5等级(灰或白)普通硅酸盐水泥;而混合型增稠剂是羟炳基甲基纤维素醚与膨润土组成。应该看到,在腻子中有机物和无机物之间,或者有机物之间,或者无机物之间都不会相互之间发生化学反应。但是,它们中有些却能与水起化学反应形成水化物。因此,今后研发HPBP需要运用现代测试技术,包括电镜和图像分析仪等,研究其组分之间的相互物理作用机理及水化产物的显微结构,从宏观技术性能找出对应的微观结构状况,又从改善微观结构途径获取更高性能的腻子产品。这样,才能促进HPBP不断发展。

2.2功能建筑腻子

      通过选择不同类型的可再分散性的乳胶粉和纤维素醚,以及调整它们的掺入量,加入适量的添加剂,可以制成多功能品种的新型建筑腻子;如柔性腻子,弹性腻子,旧墙翻新腻子,保温腻子,隔音腻子、防火腻子和防霉腻子,满足不同场所施工需要。运用纳米材料科学技术,研制特殊功能的新型腻子。

       例如,纳米碳酸钙具有优异的光学性能,可以用来研制高平整度的涂料腻子,它的涂饰能够达到光洁明亮效果,可以免涂涂料;又如纳米Al2O3具有抗老化特性,可以用其制成高耐候性的腻子;利用纳米TiO2的杀菌性,制成除菌腻子等等。因此,利用纳米材料奇异的性能,研究新型建筑腻子将是HPBP发展新方向。

2.3采用先进的生产技术制造HPBP

      目前,我国生产腻子的技术水平参差不齐,生产厂家许多是民营企业,生产手段落后,采用半机械化甚至是作坊式生产,没有最基本的检验产品仪器。这主要是人们对建筑腻子这种新型建筑材料认识不足,把它与传统的灰浆同等看待,忽视其质量重要性。当前建筑腻子质量不稳定,质量好的不多,或者太昂贵,不能被人们完全接受,所以市场销售不景气。但是随着人民生活水平的提高,居住条件要求越来越高,腻子尤其HPBP需求量将会迅猛增加,正如今天的欧洲特别是德国那样。在德国,他们不断投入大量资金,采用世界一流的生产设备和检测仪器,例如自动混合机械系统和检验系统等,生产高性能的干混砂浆粉。其实,不管HPBP的配方设计如何是好,或是使用什么进口原料,如果没有用现代化先进设备生产,产品质量是无法保证的,生产效率低而成本高。

      因此,我国的HPBP的发展,必须与先进的生产设备和生产规模密切配合,采用高效率的工艺生产流程,甚至引进国外的先进技术,克服低水平密集型发展方式。只有使生产建筑腻子的企业规模化和现代化,才能促进HPBP的发展。

3结语

     建筑腻子是一种复合建筑材料,具有本体综合性能。它包括力学性能,物理性能,化学性能,环保性能,经济学性能和施工性能,这些性能又互相促进,互相制约。其中关键性能是粘结强度和抗开裂,它们与保水性,防水性,抗渗性和耐磨性密切相关。HPBP具有优良的本体综合性能,美观的涂饰效果,合理性价比和与人类友好相处的环保特性。只有运用聚合物改性水泥砂浆科学理论,采用先进的科学生产技术,才能使HPBP向高水平发展。相信,一个新兴的建筑腻子工业将会在我们国家出现。高性能建筑腻子的研究现状与前景@范基骏$广西大学化学化工学院!南宁530004 @陈荣民$广西大学化学化工学院!南宁530004文章总结和分析了近年来国内外高质量的建筑腻子研制现状,提出高性能建筑腻子(HPBP)概念及其研究理论,方法和制造技术,并展望了其发展前景。高性能建筑腻子;;聚合物;;现状;;前景[1]中华人民共和国建设部.建筑室内用腻子.1998,2 [2]中华人民共和国建设部.建筑室外用腻子.2004,6 [3]张心亚,涂伟萍,艺仁华等.高性能单组分建筑腻子粉的研制及应用.化学建材,2001(5):16～20 [4]刘刚,瞿金清,蓝仁华等.高耐候性外墙腻子的研制.化学建材,2003(5):12～14 [5]石玉梅,马捷,袁扬.外墙建筑腻子生产应用现状及发展方向.化学建材,2003,(6):17～19 [6]夏正斌,张燕红,涂伟萍.单组分水泥基聚合物胶粉改性耐水腻子的研制.新型建筑材料,2003(9):3～5