弹性建筑涂料拉伸性能试验影响因素研究
姜广明1，郭晶1，胡水2 ( 1． 中国建筑科学研究院，北京100013; 2． 北京化工大学，北京100029)
玻璃化温度是指高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度，是无定型聚合物大分子链段自由运动的低温度，通常用Tg表示。损耗因子tanδ 为损耗模量E″与储能模量E'的比值，代表一个体系的机械阻尼或内耗。从图1 ( a) 可以看出，随着养护时间的延长，弹性涂料的Tg逐渐升高，损耗因子的大值逐渐降低。储能模量E'代表材料的弹性特性，描述为材料的刚性。从图1( b) 可以看出，在0℃以下时，养护14d 时弹性涂料的储能模量与养护7 天时变化不大; 但是养护至第21d 时，弹性涂料的储能模量增加到接近原来的3 倍。这说明此高弹性涂料在标准的养护条件下养护，14d 形成的交联结构不稳定，到第21d 时才形成了基本完全的交联结构。
2. 3 热处理过程对弹性涂料拉伸性能的影响
0 引言
弹性建筑涂料( 以下简称弹性涂料) 是一类具有弥盖建筑物伸缩产生细小裂纹的功能性涂料。为了评价弹性涂料的产品性能，住建部公布了《弹性建筑涂料》( JG/T 172—2005) ，要求检测弹性涂料的拉伸强度( 标准状态下) 和断裂伸长率( 标准状态下，低温和热处理后) 。在检测时，弹性涂料的拉伸性能受到制样方法、养护过程、测试条件等诸多因素的影响，本文将探讨各种因素对弹性涂料的拉伸性能的影响规律和程度大小，以期减小试验因素的影响，获得准确的试验结果。
1 实验设备和测试方法
1. 1 原材料
试验中使用广东某公司生产的弹性涂料。该弹性涂料中水和助剂含量占30. 9%; 树脂含量占24. 0%; 碳酸钙占10. 2%; 其他无机填料共计34. 9%。由于其树脂为优良的弹性丙烯酸树脂，且含量较高，所以该款产品为高弹性外墙涂料。
1. 2 涂膜的制备方法
1. 2 涂膜的制备方法
弹性涂料涂膜的制备方法依据《弹性建筑涂料》( JG/T 172—2005 ) 。首先将样品在温度为( 23 ± 2) ℃，相对湿度为( 50 ± 5) % 的环境中放置24h，然后将涂料在容器中充分搅拌混合均匀，倒入模具中用不锈钢刮板把表面刮平并在上述标准环境条件下正反面朝上各养护7d。样品干膜厚度应在( 1. 0 ± 0. 2) mm。
1. 3 拉伸性能的检测方法
涂膜的拉伸性能使用日本SHIMADZU 公司生产的AG-IC 100kN 万能材料试验机测试，配合TＲview X 光学引伸计测试位移。
弹性涂料涂膜拉伸性能的检测方法依据《弹性建筑涂料》( JG/T 172—2005) ［2］。拉伸性能的测试按照《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》( GB /T 528—2009) ［3］规定进行，为Ⅰ型试样。低温条件下测试拉伸性能时拉伸速度为50mm/min，其他条件测试时拉伸速度为200mm/min。
1. 4 动态力学性能的测试方法
1. 4 动态力学性能的测试方法
动态力学性能使用NETZSCH 公司生产的DMA242C 型动态力学分析仪测试。
DMA 全称动态热机械分析仪，用于检测材料的粘弹性。在正弦动态负载下，研究材料的机械性能与温度、时间和频率之间的函数关系。核心参数包括储能模量E'、损耗模量E″和损耗因子tanδ。采用拉伸模式，频率为10Hz，测试温度范围为－ 100℃ ～ 100℃，升温速度为3℃ /min。
1. 5 残余助剂率的测试方法
将涂膜在105℃的烘箱中烘干24h，质量的损失率即为残余助剂率。该方法能够去除涂膜中的水分和低沸点的助剂。
2 结果与探讨
2. 1 制样方法对弹性涂料拉伸性能的影响
弹性涂料成膜的好坏对拉伸性能的影响非常大。只有采用适当的制样方法，才能得到表面平整光滑，无明显气泡、裂纹等缺陷的涂膜。本文认为应从搅拌、底材、涂膜厚度3 方面加以控制。
2. 1. 1 搅拌
首先，将涂料在容器中充分搅拌混合均匀，搅拌时应控制力度，避免产生气泡。另外，用刮板刮平涂膜时，速度也不能太快。当确实有气泡存在时，可采用真空抽气的方法排除湿膜中的气泡。修订中的《弹性建筑涂料》( JG/T 172) 将采用多道制膜的方式，减少单道湿膜的厚度，排出涂料中的气泡，减少涂膜中的缺陷。
2. 1. 2 底材
制备弹性涂料涂膜的底材应平整光滑、无刮痕。制膜前不应在底材上使用脱模剂或者涂油，因为脱模剂和油会影响弹性涂料的拉伸性能。有的弹性涂料从钢制或玻璃制的底材上揭膜困难，揭膜时容易产生涂膜变形，甚至破裂。相对于钢制或玻璃制的底材，弹性涂料从聚四氟乙烯制或者塑料制底材上揭下更加容易。为避免揭膜时拉伸或者撕破涂膜，制膜时应聚四氟乙烯制或者塑料制底材。
2. 1. 3 涂膜厚度
《弹性建筑涂料》( JG/T 172—2005) 7. 1. 2. 3 要求弹性涂料“终干膜厚度为( 1. 0 ± 0. 2) mm”; 也就是说，干膜厚度在0. 8mm ～ 1. 2mm 都符合标准要求。实际上干膜厚度越薄时，涂膜中的缺陷如气泡等越少，拉伸强度越高。而干膜厚度越厚时，涂膜的变形空间大，断裂伸长率越高; 另外，较厚的涂膜影响涂膜中助剂的挥发，残余的助剂对涂膜有非常明显的增塑作用，极大地降低涂膜的拉伸强度:因此制膜时应尽量控制使干膜的厚度为1. 0mm。按照湿膜厚度2mm 来制备固含量低、黏度低的弹性涂料涂膜时，由于弹性涂料易流淌，应该让弹性涂料带着涂膜模具边框一起养护; 或者使用刻有2mm 深凹槽的聚四氟乙烯涂抹模具来制备涂膜。养护过程中，应检查干膜厚度是否小于0. 8mm。按照湿膜厚度2mm 来制备固含量较高的弹性涂料涂膜时，终干膜厚度往往大于1. 2mm。此种情况下，应该适当降低制备时涂膜时弹性建筑涂料湿膜的厚度。例如，使用厚度为1. 5mm 的涂膜模具制备弹性涂料涂膜，使得干膜的厚度刚好是1. 0mm。
2. 2 养护过程对弹性涂料拉伸性能的影响
涂膜的养护过程包括3 个方面的影响因素: 养护的温湿度条件、涂膜翻面的时刻和养护时间的长短。
2. 2. 1 养护的温湿度条件
养护环境的温湿度决定了养护结束后涂膜中残余的水分和助剂的量。养护环境的温度越高时，涂膜的干燥速度越快，涂膜的拉伸强度越高，断裂伸长率越低。养护环境的湿度越高时，涂膜的干燥速度越慢，涂膜的拉伸强度越低，断裂伸长率越高。涂膜的养护被严格控制在温度为( 23 ± 2) ℃，相对湿度为( 50 ± 5) %。
2. 2. 2 涂膜翻面
由于涂膜和底材的接触面不透气，如果不对涂膜进行翻面，形成的涂膜就会“一边干，一边湿”，严重影响涂膜的拉伸性能，因此涂膜养护被严格控制在至第7d 后揭膜，反面朝上继续养护7d。
2. 2. 3 养护时间
为了考察养护时间的长短对弹性涂料拉伸性能的影响，分别检测不同养护时间的涂膜的拉伸性能，并测试了其动态力学性能的差异。制备的弹性涂料涂膜在标准状态下分别养护了7d、14d、21d。
从表1 可以看出，养护时间从14d 延长到21d时，涂膜的拉伸强度增加不大，标态下断裂伸长率基本稳定，但是－ 10℃的断裂伸长率有较明显的降低。《弹性建筑涂料》( JG/T 172—2005) 将养护时间设为14d，因为对于大部分普通弹性的弹性涂料来说，14d 的养护后其交联结构已经基本稳定。但是高弹性的弹性涂料由于乳液含量高，助剂挥发速度慢，其交联结构的形成较慢，14d 的养护后其交联结构还在持续变化中，因此弹性涂料特别是高弹性的弹性涂料的检测时，应该保证养护时间为14d，不能减少，也不能增加。
从表1 可以看出，养护时间从14d 延长到21d时，涂膜的拉伸强度增加不大，标态下断裂伸长率基本稳定，但是－ 10℃的断裂伸长率有较明显的降低。《弹性建筑涂料》( JG/T 172—2005) 将养护时间设为14d，因为对于大部分普通弹性的弹性涂料来说，14d 的养护后其交联结构已经基本稳定。但是高弹性的弹性涂料由于乳液含量高，助剂挥发速度慢，其交联结构的形成较慢，14d 的养护后其交联结构还在持续变化中，因此弹性涂料特别是高弹性的弹性涂料的检测时，应该保证养护时间为14d，不能减少，也不能增加。
2. 3 热处理过程对弹性涂料拉伸性能的影响
为了防止使用增塑剂一类的助剂来提高弹性涂料的弹性，应对弹性涂料的涂膜进行热处理。将养护完成的试样置于釉面砖上，然后放在( 80 ± 2) ℃的干燥箱内，恒温7d 后取出，放置在标准条件下1d。
2. 3. 1 烘箱的温度场分布
应当检测干燥箱内的温度场分布，并使用水银球温度计对其温度进行期间核查，以确保热处理的温度准确。由于干燥箱中的温度场分布不均匀，靠近箱壁的区域温度高，因此试件于干燥箱壁间距不小于50mm。实验室的烘箱温度的波动一般都较小，因此热处理温度的波动对弹性涂料拉伸性能的影响可以不予考虑。
2. 3. 2 热处理的温度
2. 3. 2 热处理的温度
为了考察弹性涂料受到热处理温度的影响，将养护好的涂膜，在60℃、80℃、100℃ 条件下各热处理7d; 分别检测其拉伸性能。不同热处理温度的弹性涂料的力学性能见表2。
从表2 可以看出，60℃以下时助剂的挥发速度较慢; 热处理温度升高后，残余助剂率迅速降低，对涂膜的增塑作用明显减少。所以涂膜经热处理的温度越高，拉伸强度越高，断裂伸长率越低。
2. 3. 3 热处理的时间
随着80℃热处理时间的延长，残余助剂率的变化很小，涂膜的拉伸强度变化不大，断裂伸长率逐渐降低。这说明80℃热处理的时间也是影响涂膜断裂伸长率的主要因素。不同热处理时间的弹性涂料的力学性能见表3。
从图2( a) 可以看出，80℃热处理7d 后，弹性涂料的Tg从15℃左右迅速升高到了21℃， tanδ 的大值也从原来的0. 76 降到了0. 62。热处理7d 的弹性涂料，与养护21d 的弹性涂料相比，弹性模量的大值略有降低，曲线整体向高温方向移动。这都说明乳液的高分子结构发生了一定程度的老化。
2. 4 测试条件对弹性涂料拉伸性能的影响
2. 4. 1 样品的裁切
弹性涂料的试样应为《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》( GB /T 528—2009) 中规定的Ⅰ型试样。该试样应当使用哑铃型裁刀，采用人工或者机械的方式一次裁切完成。裁刀的工作段区域不得有缺口，裁出的试样截面应当平整。样品的标线应该标记在哑铃样工作段的正中，测试时样品应当夹持正，不能歪斜。任何的缺陷都会使弹性涂料的拉伸性能的数据降低。
2. 4. 2 引伸计
测试弹性涂料拉伸性能的试验机除了应当经过载荷校准外，还应当经过引伸计的位移量校准。传统的加持式引伸计由于接触了弹性涂料的薄涂膜，特别是比较软的薄涂膜时，容易夹坏涂膜，造成弹性涂料断裂伸长率下降，因此测试弹性涂料的拉伸性能时，好使用非接触的引伸计形式，如光学引伸计、视频引伸计等。
2. 4. 3 低温箱
2. 4. 3 低温箱
因为弹性涂料的拉伸性能对温度的变化，特别是低温条件下温度的变化非常敏感，低温断裂伸长率的测定决不是在控温箱内冷冻后，再拿到室温条件下测试。低温断裂伸长率的测定要能在低温箱中原位测试的。控温箱的控温能力好在± 1. 0℃以内。按照《弹性建筑涂料》( JG/T 172—2005) 的要求，试样在此温度条件下要先预冷1h。每次测试时，当控温箱显示温度降至测试温度时，也应当等待2min ～3min，使试样的温度也达到测试温度，否则测出的断裂伸长率会偏大。
2. 4. 4 测试温度
实际检测时使用控温箱来调整测试的温度，测试温度与标准的要求存在一定的不确定度。为了考察弹性涂料拉伸性能受测试温度的影响，测试了弹性涂料的涂膜在不同温度下的拉伸性能，如图3 所示。
从图3 可以看出，当温度升高时，弹性涂料的拉伸强度逐渐降低，断裂伸长率逐渐升高。在0℃以下时，当温度从－ 20℃上升到0℃时，弹性涂料的拉伸强度降低了55. 4%，断裂伸长率提高571%。在0℃以上时，当温度从15℃上升到35℃时，弹性涂料的拉伸强度降低59. 7%，断裂伸长率提高125%。可见，测试时室温和低温测试的温度是影响拉伸性能的主要因素。为了使测试的结果准确，必须严格控制测试的温度条件。弹性涂料的动态力学性能如图4 所示。
的玻璃化温度Tg在14. 7℃左右， tanδ 的大值是0. 76。这说明此弹性涂料的乳液分子结构比较柔顺，弹性较高，能够达到《弹性建筑涂料》( JG/T172—2005) 对拉伸性能的技术指标要求。
在23℃和－ 10℃( 或者0℃) 测试时，弹性涂料正处在玻璃化转变区，特别是在23℃时弹性模量随着温度的升高大幅度降低，这正说明了弹性涂料拉伸性能对温度的变化有较强的依赖性。
2. 4. 5 拉伸速度
不同拉伸速度的弹性涂料的力学性能见表4。
表4 表明，拉伸速度从200mm/min 降低至50mm/min 时，弹性涂料的拉伸强度的变化不大，断裂伸长率提高了7%。弹性涂料作为一种粘弹性材料，较低的拉伸速度使得其松弛时间较长，松弛过程更加充分，因此断裂伸长率提高。从表4 中的结果看，拉伸速度不是影响弹性涂料拉伸性能的关键因素。
表4 表明，拉伸速度从200mm/min 降低至50mm/min 时，弹性涂料的拉伸强度的变化不大，断裂伸长率提高了7%。弹性涂料作为一种粘弹性材料，较低的拉伸速度使得其松弛时间较长，松弛过程更加充分，因此断裂伸长率提高。从表4 中的结果看，拉伸速度不是影响弹性涂料拉伸性能的关键因素。
3 结论
《弹性建筑涂料》( JG/T 172—2005) 中规定的制样方法、养护过程、热处理过程、测试条件等因素中，涂膜厚度、养护时间、热处理时间的长短及测试时的温度对弹性涂料拉伸性能的影响大。利用动态力学性能对弹性涂料的涂膜进行分析，能够帮助认识其涂膜的形成过程和老化过程。本研究说明弹性涂料的拉伸性能受到多方面的试验因素的影响，这与弹性涂料乳液的分子柔顺性和抗老化性、涂膜中的残余助剂的增塑作用以及涂膜交联结构的形成程度都有关系。
