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耐低温面砖胶粘剂的研究进展
浏览: 发布日期:2014-05-21

    摘要:介绍了耐低温面砖胶粘剂的研究进展(包括改性水泥砂浆型耐低温面砖胶粘剂、环氧树脂型耐低温面砖胶粘剂、丙烯酸酯型耐低温面砖胶粘剂和聚氨酯型耐低温面砖胶粘剂等)。依据我国实际情况对耐低温面砖胶粘剂的发展前景进行了展望。

    ·前言

    随着经济持续增长及建筑业的快速发展,人们的日常工作、生活和学习等对建筑装饰装修材料的要求日益提高,从美化环境和提高建筑物的装饰性、耐久性、耐污染性等出发,建筑物内外墙面多采用瓷砖、面砖、马赛克、陶瓷软瓷、花岗岩和聚合物贴面板等饰面材料。传统饰面材料的粘贴多采用水泥砂浆作为胶粘剂,但其粘接强度欠佳,并且受环境因素影响较大,尤其在北方寒冷季节不能使用,这将间 接延长施工周期,增加投资成本。因此,对面砖胶粘剂的要求之一是必须具备一定的耐低温性。通常,耐低温面砖胶粘剂除具有传统面砖胶粘剂的优点(如粘接强度 高、粘接时间可任意调节、耐水性好和价格低廉等)外,其本身还具有独特的优势(如可在负温条件下施工、抗冻性好、在北方寒冷的冬季仍可使用、缩短建筑耗时 和降低工程成本等)。有关专家预测[1],建筑行业高效、耐久、无污染的耐低温面砖胶粘剂的新品种需求量将逐渐增加,开发相关新产品的市场潜力巨大。

    近年来我国耐低温面砖胶粘剂市场发展迅速,产品销量持续增长,国家产业政策鼓励其向高技术产品方向发展,国内企业新增投资逐渐增多。图1为2007~2010年耐低温面砖胶粘剂的市场容量/市场规模统计[2]。

    目前常用的耐低温面砖胶粘剂有干混砂浆、丙烯酸酯乳液胶粘剂、环氧树脂(EP)乳液和聚氨酯(PU)胶粘剂等,另外还包括不同胶粘 剂共混、改性等。其中干混砂浆应用较早,但其低温粘接性能较差;EP和PU作为八大合成胶粘剂中的重要品种,在耐低温面砖胶粘剂中的应用越来越广泛;丙烯 酸酯乳液胶粘剂是一种新型的耐低温面砖胶粘剂,并且常与上述胶粘剂混合使用。

图1 耐低温面砖胶粘剂的市场规模

    1·耐低温面砖胶粘剂的研究现状

    1.1改性水泥砂浆耐低温面砖胶粘剂

    耐低温面砖胶粘剂是随着胶粘剂、建筑行业和装饰行业的发展而不断完善的。早在20世纪人们就已通过在墙面上涂上厚厚的泥土来粘贴瓷 砖。1961年芬兰PartekCorporation公司生产出陶瓷胶粘剂———干混砂浆[3-4],不仅降低了原材料耗量和施工时间,而且还可有效解 决传统砂浆粘接力低、瓷砖易脱落等安全隐患,但其对原料种类、产地质量的依赖性较高,并且受当地气候施工环境影响也很大。因此,在投产干混砂浆生产线之 前,必须对其制备工艺和性能参数进行优化研究[5-8]。

    针对干混砂浆受地理和环境因素影响较大、耐低温性差、需现配现用、保存时间短和耐久性差等问题,朱伶俐等[9]以可再分散乳胶粉作 为砂浆的改性剂,有效提高了干混砂浆的稠度和耐低温性,但砂浆的耐久性随可再分散乳胶粉含量增加呈先降后升态势。因此,可再分散乳胶粉对提高砂浆耐久性的 作用不显著。中国建筑科学研究院早在20世纪90年代已研制成功一种无机双组分新型低温早强型面砖建筑胶粘剂[10]:该胶粘剂具有早期强度高、粘接时间 可任意调节、可低温施工(-5~-10℃)、抗冻性优和耐水性好等优点,不仅适用于室内外墙(地)面砖、各种装饰石板材的粘贴,而且还可用于抢修、补修等 工程。米勒[11]研制的面砖胶粘剂主要由碱性反应性水硬性胶粘剂、纤维素醚和推进剂填料等组成,另外还添加了少量阻滞剂、消泡剂和聚合物分散体粉末等。 该面砖胶粘剂不仅具有较高的内聚强度,而且还对面砖、基底等具有足够的复合强度和拉伸强度。

    聚合物乳液改 性水泥砂浆常用的聚合物主要有丁苯胶乳、氯偏乳液等,不同胶乳具有不同的改性效果(如丁苯胶乳改性砂浆的抗折强度较高,氯偏乳液改性砂浆的抗渗性较好) [12]。EP乳液与水泥基材具有良好的粘接性,并且EP本身具有优良的力学性能和耐腐蚀性能,故水性EP在无机-有机复合材料方面具有突出的优势。通过 物理或化学方法将双组分EP制成双组分高分子乳液复合体系[13],并以此作为水泥砂浆的改性剂,则改性体系具有良好的耐低温性、压缩强度、抗折强度和耐 腐蚀性能。

    1。2EP耐低温面砖胶粘剂

    EP是一类重要的热固性树脂,具有较高的力学性能、电气性能和耐热性能,其作为高性能复合材料的树脂基体,在建筑、机械、电子、航 空航天和船舶工业等领域中得到广泛应用[14]。EP是一种使用较早、强度较高的建筑胶粘剂[15-16],其固化温度通常为室温或更高温度;然而,北方 地区的秋冬季往往在零度以下,故低温施工需要使用低温(-10~0℃)固化型建筑胶,即低毒、低黏度、低固化温度和高力学性能的建筑胶。杨欣华等[17] 选择6种低温固化剂(包括脂肪族多胺类固化剂、脂环族多胺类固化剂、改性酚醛胺类固化剂和聚硫醇类固化剂等)[18-20],并研究了不同固化剂对体系固 化反应速率、压缩强度以及钢-钢剪切强度等影响,确定了适合在-12~0℃范围内使用的低温建筑胶配方。研究结果表明:改性脂环胺类固化剂(MS- 002)和聚硫醇类固化剂(QS-H2033)的低温固化速率非常快;MS-002黏度非常低,相应建筑胶在-12~0℃/6d条件下即可固化,其压缩强度为 62。56MPa、剪切强度为15。23MPa,符合冬季建筑胶的施工要求。

    EP乳液与水泥基材料具有良好的粘接性,并且EP本身优良的力学性能和耐腐蚀性能,均使水性EP在无机-有机复合材料方面具有突出 的性能优势[21]。李芝华等[22]以EP-有机硅树脂为原料,优选合适的固化剂、增韧剂和偶联剂,研制成一种可室温固化、耐低温、耐高温型EP-有机 硅胶粘剂。研究结果表明:增韧剂在胶粘剂中的质量分数为25%时,体系固化反应比较完全,有机硅与EP之间相容性良好,相应胶粘剂具有良好的耐低温性和粘 接强度。

    1.3丙烯酸酯乳液耐低温面砖胶粘剂

    近几年新兴的丙烯酸酯乳液胶粘剂,由于具有良好的耐候性、耐老化性、断裂伸长率、粘接强度、耐水性和环保性等优势[23],故其在 陶瓷、水泥、木材、塑料和金属等材料的粘接密封和固定中得到广泛应用。另外,由于该胶粘剂制备工艺简单、产品类型丰富多样,故已成为发展非常快的胶种之一。 然而,丙烯酸酯乳液胶粘剂仍存在下列不足之处:①低固含量、低黏性、高MFT(非常低成膜温度)和高残余单体含量;②耐水性差、低温变脆和高温变黏等 [24]。因此,有关丙烯酸酯乳液胶粘剂的改性研究报道较多[25-27],主要分为聚合方法的改进、有机硅改性、EP改性、有机氟改性和PU改性等 [28]。

    Gower等[29]在丙烯酸酯总含量不变的前提下,通过改变丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸异辛酯(2-EHA)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)等含量,制得系列丙烯酸酯PSA(压敏胶)。采用丙烯酸酯/PU复合技术制备的聚环氧氯丙烷-PU/PMMA 互穿网络聚合物乳液,可用作复膜胶的基体树脂,其既具有丙烯酸酯的优点(良好的耐水性、耐候性和耐光性等),又具有PU的优点(良好的耐低温性、柔韧性和 粘接强度等),能有效发挥两种物质的协同作用[30]。龚雁等[31]发明了一种改性面砖胶粘剂及其制备方法,该胶粘剂(按质量分数计)主要由 4%~12%柔性共聚物乳液、25%~45%水泥、45%~70%细砂、0.2%~1.0%保水剂、0.1%~1.0%早强剂混合物和适量的水混合而成。 其特色在于通过改进的乳液聚合法制备丙烯酸(AA)-BA-苯乙烯(St)- 丙烯酰胺共聚物乳液,并可通过控制柔性聚合物的链结构及组成、调节柔性聚合物乳液的加入量等来达到改性面砖胶粘剂的目的,使水泥砂浆的粘接性、耐水性、耐 久性、柔韧性和耐低温性等性能明显提高。张文才等[32]在含硅改性水性聚氨酯(WPU)乳液中引入丙烯酸酯单体,制得核/壳结构型有机硅改性PU-丙烯 酸酯共聚乳液。该乳液兼具丙烯酸酯树脂(高光泽、高硬度)、PU(良好的低温性能和优异的力学性能)和有机硅树脂(良好的耐热性、耐水性和附着力等)的优 点,适用于面砖的粘接。

    1。4PU耐低温面砖胶粘剂

    PU分子中含有极性很强、化学活性很高的异氰酸酯基和氨酯基,具有卓越的耐低温性、较高的粘接强度、优良的柔韧性和耐水耐油等性 能,已广泛应用于陶瓷、泡沫塑料和木材等材料的粘接[33]。王平议[34]发明的PU橡胶型胶粘剂,是由PU橡胶颗粒、三氯乙烯、N,N-间苯撑双马来 酰亚胺、碳酸钠、改性松香树脂、炭黑、有机硅偶联剂和对苯二胺等组成,制成的胶粘剂具有耐低温性好(低温粘接强度是常温的3~4倍)、粘接力强和耐冲击性 佳等特点,可用于陶瓷、面砖、橡胶和金属等材料的粘接。李金诺[35]发明的一种柔性饰面板或砖用胶粘剂,是采用PU水性乳液对丙烯酸酯水性乳液进行改性 后制备而成的,其低温柔性极佳(在变温情况下不会发生位移开裂)、粘接力和耐水性良好,并且其使用寿命同饰面砖(板)。高廷敏等[36]发明的EP改性 PU耐超低温胶粘剂,是由PU改性预聚体30%~50%、EP5%~15%、溶剂10%~20%、扩链剂1%~15%及填料30%~50%等组成(以质量 分数计)。该胶粘剂可在-200℃时长期使用,并且其力学性能基本不变(如高粘接强度、高剪切强度和高耐蚀性等)。

    2·结语

    耐低温面砖胶粘剂在生产技术、产品品种和产品性能等方面都得到了不断完善和迅速发展,预计其未来的发展趋势主要体现在以下几个方面。

    (1)从胶粘剂的主体成分考虑,继续使用水泥砂浆系统,利用纳米技术将砂浆粉细微化,制备超细干混砂浆,以提高其耐低温性能和粘接性能。

    (2)从胶粘剂的填料成分相互配合考虑,加入可再分散乳胶粉或聚合物乳液、扩大填料的添加种类,通过物理共混改性、化学共混改性或者保护胶体改性、无皂乳液聚合等方法对水泥砂浆进行改性,以提高耐低温面砖胶粘剂的低温粘接性能、耐候性和力学稳定性等综合性能。

    (3)从环保角度考虑,目前常用的耐低温面砖胶粘剂中常含有挥发性有机化合物(VOC)、游离甲醛和限用溶剂(包括苯、甲苯、乙 苯、二甲苯和乙二醇醚等)等(这些溶剂易燃烧,并且燃烧时易产生大量有毒气体),另外还含有铅、镉、六价铬和汞等重金属,故耐低温面砖胶粘剂的发展趋势应 从固态型向液态型发展、有机溶剂型向水基型发展、从不可降解型向生物降解型发展,以降低有毒物质的含量。总之,耐低温面砖胶粘剂在耐低温性、防水性、防裂 性、防脱落性和保温性等方面的改进空间很大,改进方法很多,并且该胶粘剂将在材料来源更广泛、投入更低廉、对环境污染更小和更有利于室内外装饰安全等方面 得到发展,其市场应用前景非常广阔。


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