聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用

摘要：介绍了聚合物水泥基材料在建筑涂料中应用的几个问题，包括聚合物水泥基材料的特性、聚合物对水泥的改性原理以及聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用、聚合物水泥基建筑涂料的性能特征、主要品种和近年来的发展情况等，并对聚合物水泥基建筑涂料今后的发展作了展望。 

    关键词：聚合物水泥基材料；建筑涂料；性能特征；品种 

    1聚合物水泥基材料特性概述 

    由具有胶粘性的聚合物、水泥、水、添加剂等组成的混合料，经凝结并硬化后所形成的材料称为聚合物水泥基材料。该类材料兼有水泥基材料的耐水性好、耐久、价廉和环保，以及有机聚合物的柔韧、防水、黏结性强和抗拉强度高等特点，具有极佳的技术性能优势，获得极为广泛的应用。 

    1.1物理力学特性 

    聚合物水泥基材料的物理力学性能主要指其强度、弹性模量、抗裂性、耐酸碱性、耐水性、抗渗透性等。与水泥基材料和聚合物材料相比，聚合物水泥基材料的抗拉强度、抗折强度和黏结强度等都显著提高，特别是黏结强度提高幅度很大，这是因为聚合物与被黏结基体的良好胶接作用。抗拉强度的提高主要归因于微裂纹和其他结构缺陷的减少。聚合物与水泥浆体之间形成互穿网络，在应力作用下产生裂缝时，聚合物能够在微裂纹上“架桥”而抑制裂缝扩展，使聚合物水泥基材料的断裂韧性、变形性能得到提高。此外，拌合物的工作性和分散性的改善使水化水泥浆体的结构均匀致密，也促进了抗拉强度的提高。 

    由于结构更加密实，聚合物水泥基材料的渗透性大大降低，由此也促进了耐酸碱性、耐水性的改善。聚合物水泥基材料耐温、湿度变化循环的能力要比水泥基材料好，这是由于聚合物膜的存在，以及使用聚合物时较低的水灰比及合理的孔结构所致。聚合物水泥基材料弹性模量降低，这是由于聚合物的弹性模量较水泥浆体的弹性模量低得多，弹性模量降低对改善聚合物水泥基材料的变形性有益，这极有利于材料在变温条件下吸收应力。同时，由于聚合物水泥基材料的抗拉强度提高，延伸性能改善，从而减少干缩裂缝和温度裂缝的形成。干缩裂缝的减少也与聚合物较高的保水性有关。聚合物水泥基材料随温度升高而强度降低，当材料中聚合物含量高时可能还有轻微的可燃性。通常聚合物水泥基材料的使用温度限制在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，但不同的聚合物会给聚合物水泥基材料带来不一样的性能。对于合成树脂乳液类聚合物来说，由于其中富含表面活性剂，能够增大拌合物的流动性；分散的聚合物颗粒还能象“滚珠”一样使水泥及水化产物颗粒更容易相对运动，因而常常能够使拌合物的施工性得到显著改善。由于聚合物的分散作用及表面活性剂被吸附到水泥颗粒上，使水泥的水化速度减缓，即对水泥产生缓凝作用，使拌合物的凝结时间延长。一般情况下，这些因素对施工操作性都很有利。乳液的憎水性和胶体性质使新拌聚合物水泥基材料具有良好的保水性，从而减少了对其进行长期潮湿养护的必要。对于聚乙烯醇类水溶性高分子聚合物来说，其水溶液是胶体，黏聚性很大，因而能够显著提高拌合物的黏聚性，有效改善施工操作性。 

    1.3耐久性、耐腐蚀性 

    聚合物的引入使材料的物理力学性能提高、微观结构改善且结构缺陷减少，显著提高材料的抗渗性和冻融耐久性，并使材料具有良好的抗化学侵蚀性，良好的抗氯盐渗透能力。 

    1.4成本 

    聚合物水泥基材料的成本比水泥基材料显著提高，但目前在不同的应用领域，绝大多数处于能够接受的范围，并具有很强的竞争力。聚合物水泥基材料的这些特性，使之极适合于制备某些装饰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对水泥的改性 

    在聚合物水泥基材料中，当主导材料为水泥时，材料显示无机水泥的特性，但性能得到显著改善；反之亦然。这两种情况在建筑涂料中都存在。 

    2.1水泥为主导材料 

    当主导材料是水泥时，聚合物对水泥的改性机理大致可归纳为： 

    一是聚合物在水泥凝胶中均匀分散，可以防止或减少水分蒸发和防止干燥基体对水分的吸收，使水泥水化作用更趋完善。 

    二是聚合物的加入增大了水泥胶凝材料的黏结力。在水泥-聚合物体系中，水泥和聚合物都能起胶黏剂的作用；但聚合物膜的黏结强度远高于水泥的拉伸强度，而使体系拉伸强度大大提高。聚合物膜在材料中均匀分布，并与水泥凝胶体形成了相互贯穿的网络，在受到外力作用时，这种结构有利于应力的分散和转移，阻止或减弱了裂纹的增长。 

    三是聚合物与水泥水化产物之间存在化学作用。此外，水泥在凝结硬化过程中不可避免地会产生大量孔隙或微裂纹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，在孔隙壁或微裂纹表面形成一层聚合物膜，对这些薄弱部位产生增强作用。因而，通过聚合物分子的扩散（自黏性），聚合物粒子在材料中形成不溶于水的连续聚合物膜，提高对界面的黏结性和对材料本身的改性。聚合物膜分布于水泥水化产物之间，在有应力时起到“架桥”作用，有效吸收和传递能量，从而抑制裂纹的形成或扩展。 

    2.2聚合物为主导材料 

    主导材料为聚合物的情况更多出现于建筑涂料中。此时，材料在呈现聚合物特性的同时，获得水泥基材料所赋予的耐水性、透气性和化学改性作用，使复合材料的性能显著提高。 

    3聚合物水泥基材料在建筑涂料中的应用 

    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时间内就会凝结硬化，即使采取缓凝措施也只能够延长有限的时间，作为产品并无实际意义。因而，聚合物水泥基材料主要用于生产粉状和双组分建筑涂料。 

    3.1粉状建筑涂料 

    粉状聚合物水泥基建筑涂料的聚合物组分为可再分散乳胶粉或者聚乙烯醇微细粉末。在工厂中将各种组分混合均匀制成涂料，使用时只需加水搅拌均匀即可，如复层涂料、仿瓷涂料等。这类涂料的最大优势在于加水搅拌即可使用，便于运输、存放，避免施工现场准备多种原材料。 

    3.2双组分建筑涂料 

    双组分建筑涂料为粉料和液料配套包装供应。与粉状建筑涂料相比，双组分建筑涂料也有其性能优势，主要体现于成本低。但当使用时一次的配制量小于一个包装时，称量和配比就显得很麻烦。此外，双组分建筑涂料包装量和运输量也相应增大。因而，有些对成本要求苛刻而又不需要长途运输的建筑涂料，如聚合物水泥防水涂料，目前仍然是双组分建筑涂料；有些建筑涂料，例如外墙柔性腻子，则粉状和双组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性能优势 

    在聚合物水泥基建筑涂料中，聚合物可在干燥环境下成膜，水泥则在有水存在的条件下固化和水化，这两种体系的结合，使涂膜具有最佳的物理力学性能。聚合物赋予聚合物水泥基涂料良好的表面性能，既提高了耐沾污性，又保留了纯无机涂料原有的透气性。聚合物水泥基建筑涂料具有许多仅仅使用有机基料制备的涂料所难以得到的性能，例如与水泥基无机基层的黏结强度、耐水性、耐老化性等，均远远超出仅使用有机基料或无机基料所能够达到的效果。 

    4.2经济优势 

    聚合物水泥基建筑涂料由于使用价格低廉的水泥，可以使有机基料的用量显著降低，从而降低涂料成本。另一方面，液体有机涂料由于需要解决贮存性能，例如防沉淀、霉变以及保持涂料的黏度稳定等，需要使用许多助剂，如增稠剂、防霉剂、防冻融剂、分散剂等，而且对这些助剂的性能要求较高，因而其成本在涂料的组成材料中占有很高比例（一般占涂料原材料成本的15%~35%），而在粉状或双组分聚合物水泥基建筑涂料中这些助剂或者根本不需要使用，或者用量很少，或者能够使用更为廉价的产品（例如分散剂，可以使用六偏磷酸钠这种具有高效分散性能而又廉价的产品），从而使涂料的生产成本降低。 

    4.3生产及其技术优势 

    按照目前建筑涂料的原材料供应情况，聚合物水泥基建筑涂料所用的原材料绝大多数都是粉状材料，有少部分可能需要进一步粉磨的原材料用量也很小。因而，其生产只是将各种粉状材料在干粉混合机中混合均匀即可，生产过程非常简单，生产技术很容易掌握与控制。生产设备也只需干粉混合机、粉状材料包装机、质量控制设备等，投资小。 

    4.4包装、运输 

    液体涂料需要的包装条件要比粉状建筑涂料严格得多，既要求包装材料具有密闭性，又要求具有很高的强度，以防止其在运输、贮存期间破损，泄漏，因而包装费用很高。另一方面，一般液体涂料中含有40%~55%的水，需要包装材料的数量也多，运输费用同样提高。可见，粉状建筑涂料在包装与运输方 有很大的优势。 

    4.5环境优势 

    一般认为水性建筑涂料是环保型产品，很多商家鉴于产品宣传的需要，更是把这类涂料称为绿色环保产品。实际上，水性涂料以水取代 作为涂料的分散介质，最大限度地减少了涂料向大气中排放的VOC（挥发性有机化合物）。但是，水性涂料同时也带来了新的问题，例如，水性涂料中需要使用大量的表面活性剂（分散剂、润湿剂和乳化剂等）、防霉剂和冻融稳定剂等。 

    另外，由于水性涂料容易用水清洗，因而生产、施工中常常使用大量的清洗水，很多情况下甚至在涂料的施工过程中将废弃的涂料直接排放至下水道中，这些做法的结果是向江河水系中排放大量的表面活性剂、防霉剂、冻融稳定剂等，引起污染。与溶剂型涂料相比，水性涂料的环保性不容置疑，是涂料发展的必然方向，但在国外水性涂料并不被称为环保型产品，只说是可以安全使用的产品。有些国家还规定，涂料公司要负责回收使用后的包装材料，废弃的涂料也要统一处理，避免流入河流。从这一意义上来说，粉状建筑涂料中会对环境产生不良影响的表面活性剂及其他助剂（如防霉剂、冻融稳定剂和成膜助剂等）要少得多，在生产、施工中的清洗水用量也少得多，从环保、节水等方面来说，无疑具有更大的优势。 

    4.6应用限制 

    聚合物水泥基材料目前还只能在有限的几个建筑涂料品种中应用，一是只能制成粉状产品或由液料和粉料分开包装的双组分产品；二是只能制成厚质建筑涂料。对于薄质、刷涂、辊涂或需要喷涂出平滑表面的涂料，目前的技术状态尚难以使用。 

    5聚合物水泥基建筑涂料的主要品种 

    聚合物水泥基建筑涂料可以分为墙面涂料、功能性建筑涂料和墙面腻子3大类，主要组成材料和性能特性如表1所示。由于建筑行业的习惯，建筑保温隔热涂料通常称为保温浆料或保温砂浆，但其组成和材料实质属于涂料范畴，而且在其发展初期也以建筑涂料名称使用。 

    6聚合物水泥基建筑涂料的发展与展望 

    6.1聚合物水泥基建筑涂料的发展 

    6.1.1装饰性墙面涂料 

    复层涂料、粉状砂壁状涂料和拉毛涂料等涂料涂膜厚，质感强，是聚合物水泥基成膜物质良好的应用场合。复层涂料的应用最早在20世纪80年代，以107胶（聚合物树脂组分）和水泥复配而成的复层涂料就得到一定程度的推广应用。国家标准GB/T9779《复层建筑涂料》的1988年和2005年版都有聚合物水泥类别的复层涂料。早期的聚合物水泥复层涂料是将107胶和粉状组分分开包装，有时甚至是在现场简单配制。现在的粉状复层涂料采用乳胶粉或者聚乙烯醇粉末作为聚合物组分，以纤维素醚为流变增稠组分，性能比早期产品显著提高。  

    与复层涂料相比，砂壁状涂料虽然应用较早，但以聚合物水泥为成膜物质的产品直至目前仍处于研制阶段，发展很慢。笔者曾对此作过一些试验，在工程上实际应用，其装饰效果尚不如聚合物乳液配制的膏状产品，因而影响其使用。拉毛涂料实际上也可以使用聚合物水泥配制，近年来也得到开发应用。但由于这类涂料从开始使用时将其称为拉毛腻子，以后一直沿袭这种名称。 

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发展并得到广泛应用的聚合物水泥基建筑涂料。我国从20世纪90年代初开始研制该类涂料。随着国家对绿色环保型建材产品的推广和经工程应用表明：该类涂料防水效果良好，使用方便，无毒、无污染，在以“弹性水泥”为商品名称的推动下，目前几乎在全国范围内使用。其应用场合包括各种建筑物的地下室、屋面、厕浴间和其他结构部位（如外墙），以及游泳池和污水处理厂等构筑物防水工程的辅助防水。建材行业标准JC/T894