（环境工程专业论文）新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究.pdf

论文题目：新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的 研究 专业名称：环境工程 申请人： 指导教师： 李红进 熊亚教授 工程指导老师：陈志风高工 摘要 随着社会经济的发展，开发具有节能、轻质、利废、保温等多功能，符合 环境保护要求的绿色建材成为了建材行业发展的方向。研究和开发各种新型建材 成为环境保护，实施可持续发展在建筑行业中的重要举措，而研究和开发各种新 型功能建筑涂料是新型建材发展的重点之一。因此，本论文针对建筑节能和建筑 防水两大建筑市场热点，在研究了隔热涂料涂层的隔热理论和聚合物水泥基隔热 防水涂料配方设计的机理的基础上，以聚合物水泥基防水涂料为基础，研究和开 发了多种聚合物水泥基隔热防水新型功能建筑涂料。论文的主要研究内容和结果 如下： ( 1 1 研究了几种常用阻隔型隔热填料海泡石、漂珠和空心玻璃微珠对聚合 物水泥基防水涂料的防水性能的影响。实验表明海泡石是一种具有一定活性的 隔热填料。在合适的用量下，其能提高聚合物水泥基防水涂料涂膜的粘结力、抗 拉强度和耐水压。可选取掺加合适量的海泡石作为隔热填料，其用量宜控制在 1 0 p q 。漂珠是一种活性很低的球状填料，可充当骨架的填料作用。在聚合物水 泥基防水涂膜中掺加合适量的漂珠作为隔热填料，可改善水泥孔结构可以提高涂 膜的拉伸强度和密实性，同时由于其球体结构，也有利于涂料的施工。但用量可 控制在1 0 左右。空心玻璃微珠与水泥、聚合物的结合能力很差，涂膜的密实度 较差，漂珠用量不能超过3 内，宜控制少用或宜不用作聚合物水泥基防水涂料 的填料。 最后通过正交实验制得了一种符合聚合物水泥防水涂料防水技术性能要求， 同时具有较佳隔热效果的复合聚合物水泥基阻隔型隔热防水涂料，其防水性能完 全达到j c 厂r 8 9 4 2 0 0 1 标准中i i 型防水技术性能指标，隔热效果在室外目光照 射下，同样的照射时间( 2 0 一1 5 0 r a i n ) ，涂料下表面温度比普通聚合物水泥防水涂 料温度低8 1 0 。 ( 2 ) 研究反射型隔热填料金红石型钛白粉对聚合物水泥基防水涂料的防 水性能的影响，实验表明金红石型钛白粉的用量取在3 9 的范围内，对涂膜 的性能影响较小。考虑到经济效益的问题，研究了价格更便宜的重钙、滑石粉等 体质颜料代替部分的钛白粉作为反射型隔热填料的可能性。实验结果表明主要 组分白水泥、金红石型钛白粉、4 0 0 目重钙和4 2 5 目滑石粉分别为5 0 ，1 2 ，1 0 和6 的聚合物水泥基防隔热水涂料的防水性能完全达到j c 厂r 8 9 卜2 0 0 1 标准 中i 型防水技术性能指标，隔热效果在室外日光照射下，同样的照射时间 ( 2 0 1 5 0 m i n ) ，涂料下表面温度比普通聚合物水泥防水涂料温度低8 一1 0 4 c 。 综上所述，本论文研制的新型聚合物水泥基涂料不仅具有良好的防水功能， 且普通防水涂料相比，具有明显优良的隔热功能，是一种水性的无毒的环保涂料， 可广泛地应用建筑物的墙体、屋顶等。 关键词：防水，隔热，节能，功能涂料，制各 i n v e s t i g a t i o n so np r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so f n e w p o l y m e r - - c e m e n t - b a s e dh e a t - i n s u l a t i n g a n d w a t e r p r o o fe n v i r o n m e n t a l - f r i e n d l y c o a t i n g m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：l ih o n g j i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i o n gy a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n de c o n o m y , t oe x p l o i ts o m eg r e e n b u i l d i n gm a t e r i a lh a v eb e e nb e c o m i n gad e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no ft h eb u i l d i n g m a t e r i a li n d u s t r y , t h a tt h em a t e r i a li sp r o v i d e dw i t ht h o s ef u n c t i o n e n e r g y 。s a v i n g ， l i g h t w e i g h t ，r e c y c l e d ，i n s u l a t i o n ，a n da c c o r d sw i t ht h es t a n d a r do ft h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n i nt h ec o n s t r u c t i o n a li n d u s t r y , r e s e a r c h i n ga n do p e n i n go u tv a r i o u sn e w t y p e sb u i l d i n gm a t e r i a la r et u r n i n gi n t oa ni m p o r t a n tm e a s u r et oc a r r yi n t oe x e c u t i o n t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t m o r e o v e r , r e s e a r c h i n g a n do p e n i n go u ts e v e r a ln e w t y p e sf u n c t i o n a lb u i l d i n gm a t e r i a lw i l lb eo n ee m p h a s e s o ft h ed e v e l o p m e n to ft h en e wt y p e sb u i l d i n gm a t e r i a l t h e r e f o r e ，t h et h e s i s ，t oa i ma t t w oh o t s p o t sw h i c hw e r eb u i l d i n ge n e r g y s a v i n ga n db u i l d i n gw a t e r p r o o f , w i t h p o l y m e rc e m e n tg r o u pw a t e r p r o o fc o a t i n ga se l e m e n t s ，p o s s e s s e si m p o r t a n tr e a l i t y s i g n i f i c a n c e ，t or e s e a r c ha n de x p l o i tt h en e wt y p ef u n c t i o n a lb u i l d i n gm a t e r i a l t h e p o l y m e rc e m e n th e a ti n s u l a t i o n w a t e r p r o o fp a i n t t h i sp a p e rf i r s t l yr e s e a r c h e dt h eh e a t i n s u l a t e dt h e o r yo fb u i l d i n gc o a t i n g , t h e n p r e p a r e d a n dd e v e l o p e dt w o t y p l e o f p o l y m e rc e m e n t - b a s e d h e a t - i n s u l a t e d w a t e r p r o o fc o a t i n g t h r o u g hp r e p a r e d t w ok i n d so f p o l y m e r c e m e n t b a s e d i i i h e a t i n s u l a t e d w a t e r p r o o fc o a t i n g ，o p t i m i z e d v a r i o u sh e a ti n s u l a t i o n f i l l i n g ， e v e n t u a l l y , i t w i l lb ea b l et o g a i n t h ep o l y m e rc e m e n t ，b a s e dh e a t - i n s u l a t e d w a t e r p r o o fc o a t i n g c o m p a r e dw i t h t h ec o m m o nw a t e r p r o o f b u i l d i n gc o a t i n g , t h ep o l y m e r c e m e n t b a s e dh e a t - i n s u l a t e dw a t e r p r o o fc o a t i n go b t a i n e di nt h i sp a p e rn o to n l yc a nb e p r o v i d e d w i t ht h ee x c e l l e n tw a t e r p r o o f p r o p e r t y a n do b v i o u s l ye x c e l l e n th e a t i n s u l a t i o nf u n c t i o n ，b u ta l s oi st h ew a t e rs o l u b l ea n di n n o c u o u sg r e e nc o a t i n g ，s oi t c a l lb ew i d e l yu s e do i lt h eb u i l d i n g ，f o r e x a m p l e ，t h ew a l lo rt h er o o f , e t c k e yw o r d s ：w a t e r p r o o f ，h e a t i n s u l a t e d ，e n e r g y s a v i n g ，f u n c t i o n sc o a t i n g ， p r e p a r a t i o n i v 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 1 1 前言 第1 章绪论 人类的生存与发展给我们生活的地球造成了巨大压力，迫使各国对节能、 利废和环保给予了很大的重视。围绕生产节能、建筑节能和废物开发利用并举的 建筑节能工程，有效地促进了新型建材工业的技术进步和新产品的开发应用。具 有节能、轻质、保温、变废为宝、多功能的新型建材成为建材工业发展的主导， 开发符合节能、利废、环保原则的新型建筑材料成为了各国建材工业发展的新动 力。【1 】 目前，住宅与公共建筑的采暖、空调、照明和家用电器等设施消耗了全球 约三分之一的能源，这主要是化石能源【2 】。而我国近年来，由于城市化不断加快， 平均每年有1 5 0 0 万以上的农村人口向城镇转移。每年每人平均新增房屋面积 1 3 1 5 m 2 ；同时，人们对建筑物的舒适性的要求也越来越高。如冬季室温由1 2 、 1 6 。c 提高到1 8 甚至2 0 ；夏季的室温由3 2 。c 降低至2 8 ，甚至2 4 。这些 导致今后的我国的建筑能耗占全国总能耗的比例，将从现在的2 8 快速上升到 3 3 p a 上【2 1 。而我们的建筑物在使用能源的过程中排放的大量的s 0 2 、n o x 、悬 浮颗粒物和其他污染物，直接影响人体的健康和动植物的生存【2 。因此，实施建 筑节能是实现节约能源消耗，缓解能源紧张，减少温室气体排放，实现可持续发 展的重要措施吲。 由于石油化工技术空前发展，合成树脂大量应用，作为建筑装饰材料中最 重要的建筑涂料在近二、三十年了得到了空前的发展。建筑涂料不仅从依赖有机 溶剂、天然树脂发展到无溶剂涂料和水性涂料，而且正向着高技术、高性能、环 保节能和多功能化的高档涂料方向发展。在我国，研究开发各类功能性涂料，如 防火涂料、隔热节能涂料、防碳化涂料、隔声抗震涂料、防静电涂料、防滑涂料； 同时，将建筑涂料应用领域不断拓展，如开发高性能水性木器涂料、高性能水性 钢结构防腐涂料、海工工程防腐耐久涂料、高架道路隔声涂料、屋顶隔热涂料等。 扩展产品功能和建筑涂料的应用范围，成为我国建筑涂料技术发展方向之一【3 j 。 而国际上，增加建筑涂料的功能是建筑涂料行业长期以来产品研究的一个方向， 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 具代表性的产品有：吸声隔音防震涂料、弹性外墙乳胶漆、外墙隔热涂料、防结 露涂料、防水涂料、防霉涂料、防碳化涂料、抗菌涂料、防静电涂料、耐磨防滑 地面涂料等。其中防火隔声涂料已在图书馆等公共建筑大量使用，外墙隔热涂料 逐渐被市场接受 3 。因此，开发新型环保节能的功能建筑涂料是当今世界的重要 研究课题之一。 1 2 功能建筑涂料的研究概况 1 2 1 国内外研究概况 功能建筑涂料不仅对被涂建筑物具有装饰和保护功能外，而且还具有特殊 的功能，如防水、防火、防霉、吸声、隔热、防静电等，因此，有时这类涂料又 被称为特种建筑涂料。这类涂料其涂刷或喷涂旋工对象仍是建筑物，即主要仍是 施工在建筑物内外墙面、地面、屋面上，因此首先要求这类应具备建筑装饰涂料 的各种性能，同时还必须具备各自独特的某一或多个特殊功能【4 1 。 ( 1 ) 要求涂料具有较好的耐碱性、耐水性、与水泥基层的粘结性能，或 与木质材料有良好的结合力； ( 2 ) 要求具有一定的装饰性能； ( 3 ) 具有某一或多个独特的性能，如防水、防火、防霉、抗菌、杀虫、 杀菌、隔热、隔声等； ( 4 ) 施工方便，翻修重涂容易，如双组分固化型涂料变常温固化成膜； ( 5 ) 要求原材料资源丰富。价格适中。 功能建筑涂料的种类很多，功能特性各异，实际需求差别也很大，应用情 况更是因种类的不同而有很大的差异【5 1 。功能建筑涂料中以防火涂料、防水涂料、 防腐涂料、防碳化和保温涂料等系列为重要【6 】。防火涂料分木结构和钢结构防火 涂料两大类，钢结构防火涂料主要包括厚涂型、薄涂型和超薄型3 种，当前发展 和研究的重点是具备耐火性高、粘结性好、施工方便且装饰性好的超薄型钢结构 防火涂料 7 1 。防腐涂料中重点是钢结构的防锈、防腐和高耐久性防护面层以及污 水工程中混凝土及钢结构防腐材料，对钢筋混凝土构筑物则重点发展防碳化涂 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 料，防止混凝土表层碳化保护钢筋免受锈蚀，以确保桥梁等构筑物的百年大计【6 j 。 目前美、德、法、日等工业发达国家的防水涂料在整个建筑防水材料中都 占有相当的份额。他们在积极发展高聚物改性沥青防水涂料和合成高分子防水涂 料的同时，又开发了无机渗透结晶型的粉状防水涂料等品种，而且正在向着“环 保型”防水涂料的方向发展1 5 j 。 我国防水涂料的开发和应用始于2 0 世纪6 0 年代，当时多以石油沥青或各 种废旧材料( 如废胶粉等) 和化工厂的下脚料( 如苯乙烯焦油等) 为主要原料。加工 制成乳化沥青防水涂料或废胶粉改性沥青防水涂料和苯乙烯焦油防水涂料等，由 于这些涂料的质量不够稳定。施工方法不规范、涂膜厚薄不均匀、防水层使用年 限较短等因家，故未能在新建的防水工程中大面积推广应用。 从2 0 世纪7 0 年代末开始，随着我国科学技术进步和化学建材工业的发展， 防水涂料也获得了迅速的发展，先后开发和应用了双组分和单组分的聚氨酯防水 涂料、聚丙烯酸酯防水涂料、硅橡胶防水涂料、聚合物水泥防水涂料、高聚物改 性沥青防水涂料以及无机渗透结晶型防水涂料等，形成了化学反应固化型和溶剂 挥发干燥型等性能不同、形态不一的多类型、多品种的格局。自2 0 世纪八十年 代中期以来，防水涂料的市场份额稳步增长，尤其是外墙防水材料研究的开展。 为具有装饰和防水双重功能的防水涂料的发展创造了有利条件。防水涂料在建筑 物渗漏维修及地下防水工程施工应用中所具有的优越性，使防水涂料在建筑防水 材料中成为不可替代的一类材料。二十世纪九十年代，防水涂料进入新的、较快 的发展之中。到目前为止，有一定生产规模的防水涂料生产厂共有2 0 0 家左右， 每年的生产总量已超过1 5 万t ( 这个数且不包括已被各级行政主管部门行文限 制、淘汰和禁止使用的塑料煤焦油类和煤焦油聚氨酯等容易污染环境的防水涂 料) ，主要应用于工业与民用建筑的厨浴问防水，部分用于屋面、地下室和外墙 等工程防水，均获得了较理想的防水效果 5 】。为此，在国家化学建材推广应用 “九五”计划和2 0 1 0 年发展规划纲要中己明确列入“适当发展防水涂料”的目标 要求。 合成高分子材料用于防水施工中，其时间并不长。由于防水材料具有冷施 工、工艺操作简便、涂层干燥后具有弹性整体无缝的防水层、能在一定范围内适 应基层开裂、适用工程结构复杂部位等优点，这是防水卷材所不能代替的。因此， 3 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 防水涂料在整个防水材料中占有不少的市场份额。然而，沥青防水技术一直占据 防水市场的主导地位，我国以8 5 1 涂料为起点，开始了高分子涂料防水技术的研 究和应用，限于成本因素，聚氨酯防水涂料中不得不加入一些焦油，经过多年的 使用，其性能尚可，防水效果亦可以，但由于产品采用煤焦油等作原料，二甲苯 作稀料，因有毒性、污染施工环境等原因均不符合环境保护发展趋势，产品正在 逐步被市场淘汰。各地均大力开发环保型绿色建材，防水涂料正朝水性化、高固 含量、高弹性等方向发展，以适应新时期工程建设的需要。 目前随着建筑环保节能的要求和各种新材料如纳米材料出现和引入，建筑 防水涂料的新品种越来越多。施永建掣8 】以丙烯酸改性聚氨酯为基础，以纳米级 的a k 0 3 、i t o 和s i 0 2 等为填料，配制成具有良好耐磨性、隔热性和u v 屏蔽 性等特殊功能的水性聚氨酯纳米复合涂料。而这些产品的研究和发展除向水性、 环保节能外，都还呈现向着多功能、复合型的方向发展的趋势。 总之，功能建筑涂料不仅具有保护和装饰建筑物的功能，而且具有其他面 的特殊功能，已成为国际建筑涂料发展的重要方向。随着科学技术的发展及人们 对涂料的功能性认识的不断提高，功能涂料的市场将会被全面开拓1 6 j 。 1 2 2 聚合物水泥防水涂料 1 2 2 1 聚合物水泥防水涂料的发展概况 在传统的防水技术中，水泥用于刚性防水，高分子材料用于柔性防水，往 往两者泾渭分明：水泥基防水材料耐久性好，与基面的相容性，但是不适应变形： 柔性高分子防水材料品种多样，适应变形的能力强，但与基面相容性差，且存在 老化问题，耐久性稍不足。1 9 2 3 年克利森( c r e s s o n ) 把天然橡胶乳液作为填料 加在道路路面建筑材料中，成为聚合物与水泥的最初结合使用。1 9 2 4 年里夫布 尔( l e f e b u r e ) 第一个提出了用聚合物对水泥砂浆及混凝土进行改性的概念。二十 世纪三十至四十年代，研究人员开始把着眼点从天然聚合物材料转到人工合成聚 合物材料上来。二十世纪五十年代后，对聚合物用于水泥砂浆及水泥混凝土改性 的部分研究成果开始在实际工程中试用。n - 十世纪七十年代，聚合物改性水泥 4 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 基材料的研究与应用得到迅速发展，许多研究者对各种聚合物的改性效果进行了 较系统的研究，而且对其改性机理，聚合物与水泥、水泥水化生成物之间的作用 机理也从理论上进行了较深入的分析研究。在这一领域做出重大研究贡献的学者 首推日本的y o h a m a 教授，在他的推动下，日本聚合物改性水泥基材料的研 究达到世界领先水平。随着石化工业的发展，新型聚合物的不断涌现，聚合物改 性水泥混凝土己取得了长足的发展，在美国、日本、德国等国家已实现了商品化。 但其基本一i - 采用刚性思路，虽有一定的韧性，能够克服水泥水化产生的裂缝，但 并不足以抵抗变形。随着聚合物生产技术的成熟，成本降低，聚合物的比例逐渐 加大，于是就产生了一种具有独特概念和性能的新型防水涂料聚合物水泥基 防水涂料。 我国从二十世纪九十年代初开始研制聚合物水泥防水涂料，1 9 9 5 年通过 建设部技术鉴定。产品开发之初，仅有北京金汤、东海等几家厂家小规格生产， 年产量不足几百吨。随着国家对绿色环保型建材产品推广力度的加大，以及该产 品所具有的许多优点逐渐被人们所认识，很快形成了生产和推广热潮。九十年代 后期在上海、浙江、福建、广东、山东等2 0 余个省、市出现了上百家生产厂， 产品每产以3 5 以上的速度递增。2 0 0 0 年实际产量约1 2 万吨，己广泛应用于屋 面、地下室、厨浴间、外墙等上千项建筑防水工程，施工面积约4 0 0 万m 2 。【9 j 1 2 2 2 聚合物水泥防涂料的种类和应用 聚合物水泥防水涂料，又称j s 复合防水涂料，有时也称为聚合物水泥基 防水涂料或水泥基聚合物复合防水涂料。它是以聚丙烯酸酯乳液、乙烯醋酸乙 烯酯共聚乳液等聚合物乳液与各种添加剂组成的有机液料和水泥、石英砂及各种 添加剂、无机填料组成的无机粉料通过合理配比、复合制成的双组份、水性建筑 防水涂料。其性质属有机与无机复合型防水材料。 根据聚合物乳液和水泥的不同比例，按行业标准j c t 8 9 4 2 0 0 1 中的分类， 可分为i 型和i i 型两类。i 型是一种高伸长率、高聚灰比的产品，适用于较干燥、 基层位移量较大的部位。型是一种低伸长率、低聚灰比的产品，适用于长期接 触水或潮汽、基层位移量较小的部位。 5 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 1 2 2 3 聚合物水泥防水涂料的特点 聚合物水泥防水涂料是以水性聚合物分散体和水泥为主的双组份防水涂 料；两组份在现场搅拌成均匀、细腻涂料；涂刷或喷涂于基体表面，固化后形成 柔韧、高强的防水涂膜。这种涂料既有水泥类胶凝材料强度，易与潮湿基面粘结， 又兼有聚合物涂膜弹性大、防水性好的优点，尤其是以水作为载体，克服了沥青、 焦油、有机溶剂型防水材料污染环境的弊端，是一种无毒无害、可湿作业、施工 简便的新型绿色环保防水材料。它不仅适用于各种防水工程，还可用于修补工程、 界面处理、混凝土防护、装饰、结构密封等【1 0 1 。 聚合物水泥防水涂料两大类型的产品与其他常用防水涂料的性能对比见 表1 - 1 。 表1 - 1 部分高分子防水涂料的性能比较【1 7 聚合物水泥聚合物乳液 品种聚氨酯防水涂料 防水涂料防水涂料 项目 1 型 i i 型 l 类 i i 类一等品 合格品 固含量 = 6 56 59 4 干燥 表干时间h =444 时间 实干时间h = 881 2 拉伸强度m p = 1 2= 1 8= 1 0= 1 5 断裂伸长率 = 2 0 0= 8 0= 3 0 0= 3 0 0 1 0 1 0 2 0 3 5 一3 0 低温柔性 无裂纹无裂纹无裂纹无裂纹无裂纹 潮湿基面粘结强度 o 51 0 d 口 = 基面干燥程度含水率 2 01 59 ， = 溶剂二甲苯等 双组份，计量要求 双组分，计量要求 使用性单组分，直接使用 一般高 旌工厚度i n l t l 222 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 1 2 2 4 聚合物水泥防水涂料的成膜和防水原理 ( 一) 聚合物水泥防水涂料的成膜原理 聚合物水泥防水涂料是一种兼具挥发固化和反应固化双重特点的涂料。其 成膜机理是在液料和粉料配合搅拌均匀后，聚合物乳液即把水泥颗粒包裹起来。 一方面是乳液中的一部分水分挥发，使高分子微粒脱水而粘连在一起，从而形成 连续的弹塑性薄膜；另一方面是水泥吸收乳液中的其余水分，发生水化反应固化， 并与有机高分子聚合物链共同组成相互穿插网络的防水涂膜结构，从而加快了涂 膜固化成膜的速度。 聚合物与水泥的结合有2 种方式：一种是物理结合，即聚合物成膜后覆盖 于水泥凝胶体表面或水泥水化物填充于聚合物网络之问，有机物和无机物仅为惰 性地、机械式相互填充；另一种是聚合物与水泥之间的化学结合。这2 种结合同 时存在。化学结合通过化学反应而产生，化学反应有2 种形式 “】，一是聚合物之 间( 或聚合物与固化剂之间) 的交联固化反应，形成大分子；另一种是聚合物活 性基团与水泥水化产物之问发生化学反应，形成以化学键结合的界面结构，通过 界面增强使材料性能得到提高。通过适当的改性工艺，可以大大加强聚合物与水 泥水化产物的化学结合。研究表明，经过改性的丙烯酸酯共聚乳液可与水泥水化 生成的c a ( o i ) 2 发生化学反应，且随着水化龄期的延长，水泥水化程度的提高， 这种反应生成物的量就越大。 对聚合物水泥防水涂料涂膜的断面进行电子显微镜下的扫描研究 1 2 _ ”】时， 可以观察到由水泥水化物和聚合物膜形成的互穿网络结构。由于涂膜中聚合物形 成的网络是连续网络，而水泥的硅酸盐网络结构已经不连续，从而涂膜呈现聚合 物膜的性能，具有较高的拉伸强度和柔韧性。因此聚合物水泥防水涂料中，聚合 物对水泥的改性与普通聚合物改性混凝土在水泥改性的原理上有所不同，前者的 改性以聚合物为主，即在涂膜中聚合物形成的网络是连续网络；而后者相反，其 结构中水泥的硅酸盐网络是连续网络【1 斗1 5 。 ( - - ) 聚合物水泥防水涂料的防水原理 目前已有的防水涂料品种来分析，其防水原理可分为两大类型1 6 】：一是 7 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 通过形成完整的涂膜阻挡水的透过或水分子的渗透；另一类则是通过涂膜本身的 憎水作用来防止水分透过。聚合物水泥防水涂料是通过涂膜来阻挡水的透过或水 分子的渗透。许多高分子材料在干燥后能形成完整连续的膜。固体高分子的分子 与分子之间总有一些间隙，其间隙的宽度约为几个纳米，因此单个的水分子是完 全可以从这些间隙中通过，但自然界的水通常是处在缔合状态，几十个水分子之 间由于氢键的作用而形成一个较大的水分子团。这样，水分子实际上就很难通过 高分子之间的间隙，这就是聚合物水泥防水涂料涂膜具有防水功能同时又具有一 定的透汽性的主要原因。 1 2 3 隔热功能涂料 料。 隔热功能涂料目前可分为阻隔性隔热涂料、反射性隔热涂料和辐射性隔热涂 1 2 3 1 阻隔性隔热涂料 热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导三种途径实现的。由于固体物 质的密度一般较大，因此其分子振动热传导能力一般大于相同成分的液态和气态 物质( 水除外) ，导热系数高；对流则是液体和气体实现热交换的主要方式；大部分 非透明固体物质对热辐射的直接传导能力都非常低，而透明度极高的物质( 包括 固体、液体、气体) 也很少吸收热辐射的能量。真空状态虽然能使分子振动热传 导和对流传导两种方式完全消失，但对于阻止热辐射的传导却无能为力。空气相 对于固体来说密度极小，对热辐射电磁波的阻隔作用非常小。 阻隔性隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性实现隔热的涂料。因此，采 用低导热系数的组合物或在涂膜中引入导热系数极低的空气可获得良好的隔热 效果，这就是阻隔性隔热涂料研制的基本依据。材料导热系数的大小是材料隔热 性能的决定因素，导热系数越小，保温隔热性能就越好。 常温下静止空气的导热系数为0 0 2 3 w ( m r e ) ，故认为隔热涂料的常温导 热系数不可能小于0 0 2 3 w ( m - k ) 【1 。”。但这一似乎经典的结论在最近受到了严 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 厉的挑战：当涂膜中气孔的直径小至纳米级时( 如小于5 0 r i m ) ，气孔内的空气分 子不能对流，也不能像一般静止空气中的空气分子那样进行布朗运动，即完全被 吸附在气孔壁上而不能自由运动，这样的气孔实际上相当于真空状态。如果保持 涂膜的体积密度及其中的气孔直径足够小，则可以使涂膜的分子振动热传导和对 流热传导率接近于o ；另一方面，众多足够小的微孔使得涂膜中界面的数量趋向 于无穷多，可以使材料内部有非常多的反射界面，从而使辐射热传导的效率趋近 于o 。因此，从理论上说存在着导热系数趋近于0 的隔热涂膜，获得比静止空气 导热系数更小的涂膜是完全可能的。这既是机遇，也是挑战。 阻隔性隔热涂料大致可分为复合聚合物隔热涂料和复合硅酸盐隔热涂料 两类。 1 ) 复合聚合物隔热涂料为了将环保、利废和高效保温材料紧密结合， 近年出现了以废聚苯乙烯泡沫塑料为原料的隔热涂料。聚苯发泡材料一般在 1 2 。1 6 k g m 3 ，导热系数一般在0 0 4 w ( m t o ) 以下，具有良好的保温性能，利用其 常温下化学性能稳定的特性，将其破碎后作为保温材料骨料使用，既利用废料又 降低成本，同时生产出的保温材料保温性能也比较突出。 2 ) 复合硅酸盐隔热涂料复合硅酸盐隔热涂料是应用最广泛的阻隔性隔 热涂料。这类涂料是2 0 世纪8 0 年代末发展起来的一类新型隔热材料。我国有上 百家研究单位和企业进行过保温材料的研究工作，各生产厂的产品名称也不相 同，如“复合硅酸镁铝隔热涂料”、“稀土保温涂料”、“涂覆型复合硅酸盐隔热涂 料”等，涂料配方、施工方法等各式各样，性能如快干快硬、防水憎水等也各不 相同，但均属硅酸盐系列涂料【1 8 】，均主要由海泡石、蛙石、珍珠岩粉等无机隔 热骨料、无机及有机粘结剂及引气剂等助剂组成。国家质量技术监督局于1 9 9 8 年5 月发布了硅酸盐复合隔热涂料国家标准b t1 7 3 7 1 1 9 9 8 ) ，这为硅酸盐隔 热涂料的生产和应用提供了一个可供参照的技术标准。 目前，阻隔性隔热涂料正在经历一场由工业隔热保温向建筑隔热保温为主 的转变。但是，由于受附着力、耐候性、耐水性、装饰性等多方面的限制，其主 要用作工业隔热涂料，如发动机、铸造模具等的隔热涂层等。这类隔热涂料较少 用于外墙的涂装。 9 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 1 2 3 2 反射型隔热涂料 任何物质都具有反射或吸收一定波长的太阳光的性能。由太阳光谱能量分 布曲线可知，太阳能绝大部分处于可见光和近红外区，即4 0 0 - 1 8 0 0 n m 范围。在 该波长范围内，反射率越高，涂层的隔热效果就越好。因此通过选择合适的树脂、 金属或金属氧化物颜填料及生产工艺，可制得高反射率的涂层，反射太阳热，以 达到隔热的目的 1 9 - 2 0 。反射隔热涂料是在铝基反光隔热涂料的基础上发展而来 的，其涂层中的金属一般采用薄片状铝粉；为了强化反射太阳光效果，涂层一般 为银白色。 反射隔热涂料研究报道较多。n m n a h a r 等 2 1 2 2 】对干旱地区太阳光的冷却 技术进行研究发现，涂有反射涂层的温度比未涂反射层的温度低得多。刘先春【2 3 1 以改性丙烯酸醇酸树脂为主要成膜物质，并与颜料、溶剂及助剂配合使用而制得 的表面隔热涂料，这种涂料具有优异的物理化学性能及极强的亮度，对太阳热的 反射率高，可明显降低房屋表面温度。由于金属薄片在溶剂型涂料中能够较长时 间稳定存在，而在水性体系中则不能，因此大多数反射隔热涂料为溶剂体系，但 水性涂料是建筑涂料的发展趋势和必然归宿，因此将金属薄片进行特殊处理或不 采用金属薄片的水性反射隔热涂料己成为国内外水性反射隔热涂料研究的热点 之一。r n e i l 等【2 4 彩墚用马来酸二丁酯一乙酸乙烯共聚物为成膜物质，通过加入 一种c e r a m i cs i3 2 珠光隔热剂制得了隔热性能优良的水性隔热涂料。张敏【z 6 1 采 用鳞片状铝粉为颜料制得了一种综合性能优良的水性反光隔热罩面涂料，经实体 测定，当气温高达3 5 3 7 。c 时，涂层内部可降温1 1 1 3 。但总的说来，我国目 前高性能水性反射隔热涂料尚处于研究开发阶段，尚需厂一大科研工作者进一步 努力。 1 2 3 3 辐射型隔热涂料 通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空 气中，从而达到良好隔热降温效果的涂料称为辐射隔热涂料。 由于辐射隔热涂料是通过使抵达建筑物表面的辐射转化为热反射电磁波 l o 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 辐射到大气中而达到隔热的目的，因此，此类涂料的关键技术是制备具有高热发 射率的涂料组分。研究表n t 2 7 - 2 8 ，多种金属氧化物如f e 2 0 3 ，m n 0 2 ，c 0 2 0 3 ，c u o 等掺杂形成的具有反型尖品石结构的物质具有热发射率高的特点，因而广泛用作 隔热节能涂料的填料。红外气象学的研究表明，在波长8 1 3 5 岬的区域内，地 面上的红外辐射可以直接辐射到外层空间。在此波段内，太阳辐射和大气辐射能 远低于地面向外层空间的辐射能，因此如果在此波段内使涂料的发射率尽可能 高，那么在辐射体表面，热量就能以红外辐射的方式高效地发射到大气外层，达 到建筑物隔热目的。沃群鸣 2 9 】详细研究了红外辐射的原理，并通过在硅酸盐结 晶相中加入a 1 2 0 3 ，t i 0 2 等金属氧化物细粉作为填料而研制出的红外辐射涂料辐 射5 1 5i n n 波段内的红外线的能力在8 5 以上。 辐射隔热涂料不同于用玻璃棉、泡沫塑料等多孔性低阻隔性隔热涂料或反 射隔热涂料，因这些涂料只能减慢但不能阻挡热能的传递。白天太阳能经过屋顶 和墙壁不断传入室内空间及结构，一旦热能传入，就算室外温度减退，热能还是 困陷其中。而辐射隔热涂料却能够以热发射的形式将吸收的热量辐射掉，从而促 使室内以室外同样的速率降温。 1 2 3 4 隔热涂料的发展趋势【5 】 1 ) 目前广泛应用的硅酸盐隔热涂料般干燥较漫，需厚层涂装，且耐候 性和装饰性尚有待于进一步改善，往往需在其涂覆罩面清漆，这使得施工复杂， 限制了其在建筑隔热保温中的应用。因此，应充分利用我国在这方面所取得的技 术优势，花大力气提高此类涂料的综合性能，使之用于建筑外墙或其他物件的涂 装。目前这方面的研究尚不多见。 2 ) 对于建筑隔热保温而言，用于采暖和空调的能耗的4 0 5 0 是由于门 窗热传递而引起的。因此，除了广泛采用塑料门窗代替金属材料之外，在门窗上 涂覆隔热涂料也是一种有效的隔热保温方法。现代建筑中广泛采用大面积玻璃窗 及豪华气派的玻璃幕墙，因此具有热反射及热吸收性能玻璃表面涂层对于建筑节 能有着十分重要的意义。但目前玻璃反射膜和吸收膜的形成需要特殊的工艺和设 备，且很多是与玻璃的形成同步进行的。所以，有必要研究开发新型的、使用方 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 面的、导热系数小的反射和辐射涂料，并使之容易用于玻璃表面的隔热保温。目 前这方面的研究尚有待于深入。 3 ) 现在所有的隔热涂料都是根据材料的导热系数或根据各种物质对光、 热的反射、吸收、辐射来选用合适的原料，配制隔热涂料，实现对建筑物的隔热 保温的目的。因此，应大力开展对光、热的反射、吸收及辐射等基本理论的研究， 大力开展在聚合物及无机材料中储存、转换及传递规律的研究，充分发挥阻隔、 反射和辐射之间的协同效应，可有望研制出高隔热性的、可薄层涂装的、具有优 良保护和装饰性能的隔热涂料。 4 ) 含有纳米或纳米以下微孔结构的涂膜及采用纳米材料制得的涂膜将是 下一阶段隔热涂料发展的热点之一。作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技 术，纳米技术的发展为隔热涂料的研究提供了前所未有的机遇和可能性。 1 2 4 隔热防水涂料 近年来隔热防水涂料的研究明显也成为功能涂料的热点之一，各种新产品 时有报道。任秀全等p o j 采用丙烯酸乳液为成膜物质，用空心玻璃微珠等作为隔 热填料，可制得阻隔型隔热涂料。其原理是利用细小空心玻璃微珠( 直径约1 0 0 l a m ) 的无数空腔形成隔热层阻止热传导，据介绍这种涂料的常温导热系数达 o 0 7 2w ( m k ) 。郭声波等m 墚用在微米级的云母粉表面镀上纳米厚度的高折射 率金属氧化物作为反光填料，以丙烯酸改性的丁苯胶乳为基料，制成同时具有隔 热、防水和装饰三个功能的反光隔热防水涂料，据介绍和沥青防水涂料相比，该 涂料具有很好的反射隔热效果。这些涂料的基料都全为聚合物乳液，在建筑工程 会存在着与水泥基材料基面粘结力不强，不能在潮湿的基础上进行施工，长期使 用后，存在着老化后防水效果下降，易起气泡、剥落等缺点。 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 1 3 研究目的和意义 目前现建筑多为框架结构，其填充墙多为新型墙体材料，而这些现代建筑 墙体材料多为空心砖、轻质墙体和多孔材料【引。这些新型墙体材料具有基质吸水 率大、易发生干缩等现象，而传统水泥砂浆或混合砂浆等抹灰材料不具备防水功 能，因此，无论采用何种新型墙体材料作建筑物的围护墙或内间墙，发生开裂， 引起渗漏的现象较普遍。建筑中内外墙的渗漏水问题已经严重影响人们的生活和 工作【3 ”卦。国家于2 0 0 1 年颁布了行业标准聚合物水泥防水涂料) ) ( j c t 8 9 4 - - 2 0 0 1 ) 后，聚合物水泥防水涂料以其优异的性能及众多厂家的推荐经许多工程大量使 用，较好的解决长期困扰人们的墙体渗漏水的问题。证明应用效果理想，价格低、 使用方便安全，适合我国建筑业发展的现状，具有广阔的应用市场【3 4 】。 建筑隔热保温是节约能源、提高建筑物居住和使用功能的一个重要方面。 建筑能耗是能耗大户，它在人类整个消耗中所占比例一般在3 0 4 0 ，且其中 绝大多数是采暖和空调的能耗。节约能源、降低能耗、提高经济效益是科学研究 和技术开发的基本目标之一，涂料也不例外，在原有的装饰、保护、防腐、防水 等功能的基础上，使涂层具有保温功能，例如，在室内外涂上保温隔热涂料可以 保持室内温度恒定，增大室内外的温差，在夏季减少降温能耗，在冬季降低取暖 费用。目前，保温隔热材料正经历一场由工业保温隔热向建筑保温隔热为主的转 变，这也是今后保温隔热材料的主要发展方向之一。故作为一种新型的建筑隔热 材料，建筑保温隔热涂料因经济、使用方便和隔热效果好等优点会越来受到人们 的青睐，发展前景乐观。 针对目前建筑业中的建筑节能和防水的两个热点问题，结合涂料行业的技 术发展方向和市场的需要，本课题通过对隔热涂料的相关理论的探讨，首次提出 以聚合物乳液和水泥为基料，通过这两种基料和隔热填料的复合，研究一种新型 环保功能涂料聚合物水泥基隔热防水涂料。同目前市场上常见的纯聚合物乳 液基或硅酸盐基的隔热涂料相比，产品不仅具有成本较低的经济基础，易施工、 粘接好、耐候性好，不易粉化，基底适应性强的特点，且集防水、隔热两种功能 于一身，同时具有水性、无有毒溶剂挥发，对旌工人员和环境无害等环保意义。 产品的研究能为同时解决建筑节能和建筑防水两个建筑热点，特点是旧建筑物改 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 造时所面临的这两个问题，提供一个新的思路和一个新的选择。 1 。4 本论文研究的内容 ( 1 ) 制各隔热涂料的相关理论研究 ( 2 ) 各种隔热填料的选择及其对聚合物水泥基隔热防水涂料的防水性能 的影响 ( 3 ) 聚合物水泥基阻隔型防水涂料的制备和性能研究 ( 4 ) 聚合物水泥基反射型防水涂料的制各和性能研究 1 4 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 第2 章新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料制备的 理论探讨 2 1 前言 本工作主要是针对建筑隔热涂料的理论进行研究，提出了聚合物水泥基隔 热防水涂料的隔热方案，并选择确定合适的隔热填料。同时设计了实验的防水性 能和隔热性能的检测方案。 2 2 热传递理论基础 热量传递人类生活、生产和科学研究活动中存在的最普遍的物理现象之 一。传热是物质在温度梯差作用下所发生的热量传递过程。无论在一个物体内部 或者在一些物体之间，无论物体是以固态形式存在，还是以液态或气态形式存在， 只要存在温度差，热量就以某一种，或同时以某几种方式白发地从高温处向低温 处传递。 热量传递有三个基本方式：热传导( 又称导热) 、热对流和热辐射。 2 2 1 热传导 热传导是一种与原子、分子及自由电子等微观粒子的无序随机运动相联系 的一种扩散过程，也可以把它理解为具有较高能级的粒子向较低能级粒子传递能 量的一种物理过程。当存在温度差异时，所有的物质，不论物质以固相存在、液 相存在还是以气相存在，均具有一定的传导热量的能力，但数值上相差非常悬殊。 现代热传导理论认为，固体中的热量传递是两种相互独立的作用，即自由 电子的迁移和晶格振动相叠加的结果。和固体以及气体相比，液体导热的机理仍 不算清楚，一般认为液体的导热机理主要依靠弹性波的传递作用。气体导热依靠 分子热运动的相互碰撞，而气体分子间的距离比较大，分子的平均自由行程很长， 新型聚合物水泥基隔热防水环保涂料的研究 因此气体是所有物质中导热系数最小的一类。傅立叶定律( f o u r i e r sl a w ) 建 立了物体温度场与导热热流密度之间的数量关系，也可以把它称为导热的热流速 率方程： 击；k a 兰( 2 - 2 1 ) d x 式中巾为热流量，k 是导热系数。导热系数是衡量材料导热能力大小的物 理量，单位为：w ( m - k ) 。 2 2 2 热对流 作为热量传递方式之一，热对流是指在有温差的条件下，伴随流体的宏观 移动而发生的因冷热流体相互掺混导致的热量迁移，显然这是指流体内部相互间 的热量传递方式。由此可知，热对流只存在于单一液相、单一气相或气液两相混 合物质中。对流换热的热流速率方程可以写为： q = 0 l ( t w t f ) f ( 2 - 2 2 ) 该式被称为牛顿公式。它表明对流换热时单位面积的换热量正比于温度 差。系数c c