改性纳米二氧化硅提高聚合物水泥防水涂料性能研究
2021-07-02 13:27 浏览:197
黄世平（福建省建筑科学研究院福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州350025）
1 引言
防水材料是建筑发展中不可或缺的组成部分，已大量应用于地下室、地铁、屋面、卫生间等的防水工程，它不仅可以防止建筑物渗漏，更是能保护沿海地区钢筋混凝土免受海水的侵蚀，对提高混凝土耐久性有着不言而喻的意义。聚合物水泥防水涂料（JS 防水涂料）是目前国内外用于建筑领域较为广泛的一种防水材料，所谓JS 防水涂料以丙烯酸酯、乙烯- 乙酸乙烯酯等聚合物乳液和水泥为主要原料，再辅以填料和其他助剂配制而成，经水分挥发和水泥水化反应固化成膜的双组分水性防水涂料。
随着建筑物对防水性能要求日益提高，科研人员从多方面研究不断改善JS 防水涂料的性能，如张磊等采用正交试验法以苯丙乳液和乙酸乙烯酯乳液为主要原料制得拉伸性能优异的JS 防水涂料，其拉伸强度达1.56MPa，断裂延伸率高达460%[1]。黄金荣通过研究各主要成分的用量确定JS 防水涂料性优性能时的配比，其粉液比为1∶1、消泡剂及分散剂用量分别为0.5%及0.6%[2]。JS 防水涂料在实际建筑工程防水中的应用较为成熟和广泛，但仍然存在些不足，如现阶段大部分产品力学性能差强人意，耐久性及耐腐蚀性差等。纳米SiO2 具有优异的稳定性、耐候性、高强度、高韧性等特点[3]。本文以改性纳米SiO2 添加入JS 防水涂料中，并研究其对JS 防水涂料性能的影响。
2 实验部分
2.1 主要原材料
聚合物水泥I 型粉料、液料（福建铜浪建材科技发展有限公司），纳米二氧化硅（15nm~20nm，深圳市天盛伟业化工有限公司），硅烷偶联剂（KH- 550，南京向前化工有限公司），盐酸（AR，西陇化工股份有限公司），氢氧化钠（AR，西陇化工股份有限公司），氯化钠（AR，西陇化工股份有限公司），无水乙醇（AR，西陇化工股份有限公司），甲酸（AR，西陇化工股份有限公司）。
2.2 改性纳米SiO2 的制备
将10g 纳米二氧化硅分散入5g 超纯水与95g 无水乙醇中，置于超声波清洗仪分散30min，加入甲酸调节pH 值约为4，而后加入5g 的KH- 550。然后置于温度为90℃、转速300r/min 的恒温加热磁力搅拌机中水浴12h，反应结束后冷却至室温，将所得溶液于真空抽滤机抽滤，抽滤所得样品于105℃电热鼓风干燥箱烘干3h，而后置于干燥器冷却，所得粉末为改性纳米SiO2
2.3 涂膜的制备与测试
2.3.1 涂膜的制备
将一定量改性纳米SiO2 分散入聚合物水泥I 型粉料，而后与液料搅拌均匀，粉料与液料的比例为1:1，改性纳米SiO2 质量百分数为其质量与粉料及液料的比例。涂膜制备按按标准《聚合物水泥防水涂料》（GB/T 23445- 2009）进行，分2 次或3 次涂覆，两道间隔时间为（12~24）h，使涂膜厚度为（1.5±0.2）mm，涂膜在温度（23±2）℃，相对湿度为（50±10）%静置96h后脱模，脱模后涂膜反面向上在（40±2）℃恒温干燥箱处理48h，取出后置于干燥器冷却至室温。
2.3.2 涂膜耐酸、耐碱、耐盐测试
涂膜耐酸、耐碱测试方法为：将6 个（120×25）mm 的矩形试件浸入不同pH 的酸碱溶液，液面高出试件表面10mm，连续浸泡（168±1）h 取出，充分用水冲洗，擦干，在标准试验条件下放置4h，裁取符合GB/T 528 要求的哑铃I 型试件，按GB/T 16777- 2008中9.2.1 章节进行拉伸试验。
耐盐测试方法为：将6 个（120×25）mm 的矩形试件浸入不同浓度的氯化钠溶液，液面高出试件表面10mm，连续浸泡（168±1）h 取出，充分用水冲洗，擦干，在标准试验条件下放置4h，裁取符合GB/T 528 要求的哑铃I 型试件，按GB/T 16777- 2008 中9.2.1 章节进行拉伸试验。
3 结果分析与讨论
改性纳米二氧化硅掺量对JS 涂膜拉伸性能影响如图1 所示，当未掺入改性纳米SiO2 时， JS 涂膜拉伸强度为1.42MPa、断裂伸长率为255%；随着改性纳米SiO2 的掺量增加， JS 涂膜拉伸强度显著提高，断裂伸长率略微降低，当改性纳米SiO2 掺量为1.0%， JS 涂膜拉伸强度高达2.16MPa，断裂伸长率为238%。其原因可能在于改性纳米SiO2 表面富含高活性的Si- O键和Si- OH 基团，其中，Si- O 键可促进涂料成膜时SiO2 纳米颗粒在涂膜中均匀分散，Si- OH 基团可使纳米SiO2 与聚合物的极性基团产生强分子间的作用力。使涂膜形成交联网络结构，增强粘结界面作用力，进而导致涂料拉伸强度提高。然而，随着改性纳米SiO2 继续增加，改性SiO2 纳米颗粒亦会团聚严重，引起涂膜不均匀、裂纹、表面有颗粒等缺陷，导致JS 涂膜拉伸强度和断裂伸长率均大幅降低，甚至低于未掺入改性纳米SiO2 的JS 涂膜拉伸性能。因此，当改性纳米SiO2 的掺量为1%对JS 涂膜拉伸性能的提高为显著。此外，我们进一步对比未改性纳米SiO2 掺量对JS 涂膜强度的影响发现，随着比未改性纳米SiO2 掺量的增加，JS 涂膜的拉伸强度与断裂伸长率均急剧地降低，其主要原因在于未改性的纳米SiO2 极易发生团聚现象，使纳米SiO2 无法均匀分散入JS 防水涂料中。
沿海地区的混凝土建筑物常年经受海水、酸雨等腐蚀性水体的考验，提高JS 防水涂料的耐腐蚀性对保护混凝土寿命具有不言而喻的意义。本文进一步研究所制备改性纳米二氧化硅JS 涂料的耐腐蚀性，如图2a 所示，1.0%掺量改性纳米二氧化硅JS 涂膜在不同pH 值酸碱性溶液浸泡168h 后拉伸强度均超过1.1MPa，可高达1.96MPa；而未掺改性纳米二氧化硅JS 涂膜在耐酸碱试验中拉伸强度仅均超过0.8MPa，高仅为1.32MPa。可见，1.0%掺量改性纳米二氧化硅JS 涂膜在耐酸碱试验后的拉伸强度要明显强于未掺改性纳米二氧化硅JS 涂膜，尤其在面对碱性溶液中，1.0%掺量改性纳米二氧化硅JS 涂膜拉伸强度突出的优势尤为明显。1.0%掺量改性纳米二氧化硅JS涂膜和未掺改性纳米二氧化硅JS 涂膜不同pH 值酸碱性溶液浸泡168h 后的断裂伸长率却相距不大（如图2b）。
综上所述，掺入适量的改性纳米二氧化硅有助于提高JS 防水涂料的耐酸耐碱腐蚀性能。此外，我们进一步研究了改性纳米二氧化硅JS涂膜的耐盐性能。如图3 所示，1.0%掺量改性纳米二氧化硅JS 涂膜在经过0%～10%NaCl 溶液浸泡168h后的拉伸强度均能超过1.6MPa，断裂伸长率均能超过160%；未掺改性纳米二氧化硅JS 涂膜在经过0%～10%NaCl 溶液浸泡168h 后的断裂伸长率均能超过175%，但拉伸强度高仅能达1.22MPa。对比发现，1.0%掺量改性纳米二氧化硅JS 涂膜与未掺改性纳米二氧化硅JS 涂膜在经耐盐试验后的断裂伸长率相差不大，但前者的拉伸强度却远大于后者的拉伸强度。由此可见，掺入适量的改性纳米二氧化硅有助于提高JS 防水涂料的耐盐腐蚀性能。
4 结论
本文主要研究了改性纳米SiO2 对JS 的聚合物水泥的拉伸性能的影响，当改性纳米SiO2 的掺量为1.0%时，显著增强JS 涂膜的拉伸强度，相较于未掺改性纳米二氧化硅JS 涂膜的拉伸强度提高了52%，同时断裂伸长率仅轻微降低。此外，掺量为1.0%的改性纳米二氧化硅JS 涂膜展现出优异的耐酸性、耐碱性及耐盐性，有利于提高混凝土在酸碱性及盐性环境的耐久性。