不同硅基防水涂料性能的比較研究

姜廣明，丁曉晨，焦 昌，胡 水，劉昊北，謝麗麗

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.凡士通（上海）貿易有限公司，上海 201512；3.中國合格評定國家認可中心，北京 100062；4.北京化工大學，北京 100029；5.中國建筑材料聯合會，北京 100831；6.北京東方雨虹防水技術股份有限公司，北京 100123）

0 引言

以聚硅氧烷為主要成膜物，與顏料、填料和助劑等配制而成的硅基防水涂料，也被稱作有機硅彈性防水涂料。這種防水涂料的性能優異，具有耐高溫、耐低溫、耐候、高彈性、高固含等優點，壽命可以維持 20 年以上。

本文比較了 3 種白色硅基防水涂料的力學性能，研究了這 3 種硅基防水涂料的微觀性能的差異，對熱處理后的硅基防水涂料進行了評價。結果表明這 3 種硅基防水涂料的成膜成分均為聚二甲基硅氧烷，成膜物含量有高有低；填料的種類和含量也有所差異。在 100 ℃和 150 ℃ 的條件下熱處理 28 d 的硅基防水涂料的力學性能衰減不大，除了其中一款硅基防水涂料的顏色嚴重變黃。

1 原材料

本文收集了 3 種不同的硅基防水涂料，3 個樣品分別編號為 FS-7、FS-8、FS-9。

3 種樣品均為單組分、反應型防水涂料，可屋面外露使用。

開桶后硅基防水涂料表面有結皮，去除結皮，攪拌均勻后制樣。

3 種樣品均為白色黏稠的膏體，固化后涂膜也為白色，具有高反射性能和疏水性能。

2 實驗設備

力學性能使用日本 Shimadz 公司生產的 AG-IC 100 kN 電子萬能材料試驗機。

紅外光譜使用美國 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生產的 Nicolet 6700 傅立葉變換紅外光譜儀測試，掃描范圍為 4000～400 cm-1，分辨率為 4 cm-1。采用ATR方式測試涂膜的紅外光譜。

熱失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生產的 TGA/DSC1 同步熱分析儀（型號 STARe system）測試；氮氣氣氛，測試的溫度范圍為 40～1 000 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

動態力學性能使用德國 Netzsch 公司生產的 DMA 242 C 型動態力學分析儀測試；采用直徑 1 mm 的針入模式，頻率為 10 Hz，測試溫度范圍為 -150～+50 ℃，升溫速度為 3 ℃/min。

X 射線衍射使用日本理學公司生產的 Ultima Ⅳ 型多功能 X 射線衍射儀。涂膜放在標準樣品板上，然后置于 X 射線衍射儀上進行測試。測試條件為：Cu 靶，管壓 40 kV，管流 40mA，掃描范圍為 5°～90°，掃描速度為10°/min，步長為 0.02°。

3 檢測依據

涂膜的制備依據 GB/T 16777－2008《建筑防水涂料試驗方法》（以下簡稱“GB/T 16777－2008”）中反應型涂料的要求。硅基防水涂料的試樣分三道涂覆，每次間隔 24 h。涂膜在標準狀態下養護 96 h，脫模后翻面繼續在標準狀態下養護規定的時間。

力學性能的檢測依據 GB/T 16777－2008 的要求。拉伸性能的拉伸速度為 200 mm/min；撕裂性能采用直角型試樣，撕裂速度為 500 mm/min。

粘結強度的檢測依據 GB/T 16777－2008 中 7.1 A 法的要求。由于聚硅氧烷的表面能較低，不易與其他膠粘劑粘合，故制備粘結強度試樣時采用“濕粘”的方法，即最后一道涂覆后立刻放上拉伸用上夾具，粘結強度試樣帶著上夾具同時養護。

熱處理拉伸性能的檢測依據 GB/T 16777－2008 的要求。熱處理的溫度為 100 ℃ 和 150 ℃，熱處理的時間為 14 d 和 28 d。為了使硅基防水涂料的交聯結構更加完善，熱處理試樣的養護期延長至 28 d 后再進行試驗。

4 結果與討論

4.1 力學性能

首先比較了 3 種硅基防水涂料的力學性能。涂膜和粘結強度試樣經整體養護后的力學性能，如表 1 所示。

表1 不同養護時間的 3 種硅基防水涂料的力學性能

由于硅基防水涂料的固化反應時間較長，還對涂膜和粘結強度試樣分別進行了 7 d 養護（按標準規定）和更長的 28 d 養護。

從表 1 可以看出，3 種硅基防水涂料中 FS-7 的拉伸強度最低；斷裂伸長率最高。FS-8、FS-9 的拉伸強度略高于 FS-7；斷裂伸長率都接近 100 %。FS-7 的耐撕裂性最強，遠高于 FS-8 和 FS-9 兩種硅基防水涂料。FS-9 的粘結強度較高，另外兩種硅基防水涂料 FS-7 和 FS-8 的粘結強度較低，但也≥0.5 MPa。

經 28 d 長時間養護后，3 種硅基防水涂料的拉伸強度和撕裂強度都提高了，斷裂伸長率略有降低；粘結強度也有小幅提高。這是因為聚硅氧烷的反應速度較慢，養護 7 d 后還能繼續反應提高交聯密度，使樣品的力學性能提高。

與丙烯酸類［1，2］、聚氨酯類［3，4］等高強度的防水涂料相比，硅基防水涂料的力學性能較低，特別是抗撕裂性不高。不耐撕裂是硅橡膠的特點。因此硅基防水涂料在施工時，可以鋪設聚酯無紡布等胎體增強材料以提高硅基防水涂料的強度，并且在硅基防水涂料固化后盡量減少上人以防破壞。

4.2 紅外分析

3 種硅基防水涂料涂膜的紅外光譜分析的結果，如圖 1 所示。

圖1 3 種硅基防水涂料涂膜的紅外光譜

從圖 1 的紅外光譜可以看出，這 3 種硅基防水涂料涂膜的紅外光譜幾乎一致，都是聚二甲基硅氧烷。其中 2 960 cm-1是 CH3的伸縮振動峰，800、860 和1 260 cm-1為 Si-（CH3）2的吸收峰，1 020～1 090 cm-1為 Si-O-Si 的吸收峰。

FS-7 樣品的紅外光譜在 1 456 cm-1處有一處較強的峰，這是較強的 CO32-反對稱伸縮振動峰。這說明 FS-7 中含有較多的碳酸鈣，而 FS-8 和 FS-9 樣品中沒有碳酸鈣。

4.3 熱失重分析

4.3.1 硅基防水涂料膏體的熱失重分析

3 種硅基防水涂料膏體的熱失重分析的結果，如圖 2 所示。

從圖 2（a）可以看出，FS-7 膏體的聚二甲基硅氧烷的含量最低，填料含量最高，而且含有碳酸鈣填料。FS-8 膏體的聚二甲基硅氧烷的含量居中，沒有碳酸鈣填料。FS-9 膏體的聚二甲基硅氧烷的含量最高，也沒有碳酸鈣填料。

圖2 3 種硅基防水涂料膏體的熱失重曲線

從圖 2（b）可以看出，FS-7 為一種溶劑型的硅基防水涂料，其中約有 20 % 左右的溶劑。第 1 種溶劑的最大揮發速率溫度為 106 ℃，第 2 種溶劑的最大揮發速率溫度為 177 ℃。FS-8 和 FS-9 中無溶劑，它們兩個為無溶劑型的硅基防水涂料，揮發性有機物含量更低、更加環保。

4.3.2 硅基防水涂料涂膜的熱失重分析

3 種硅基防水涂料涂膜的熱失重分析的結果，如圖 3 所示。

從圖3（a）和力學性能的結果可以看出，硅基防水涂料涂膜的力學性能與熱失重性能有一定的相關性。FS-7 的聚二甲基硅氧烷的含量最低，所以 FS-7 的拉伸強度最低。FS-9 的聚二甲基硅氧烷的含量最高，所以FS-9 的粘結強度最高。

從圖 3（b）可以看出，FS-7 涂膜的最大分解速率溫度最低、為 450 ℃，FS-8 涂膜的最大分解速率溫度居中、為 467 ℃，FS-9 涂膜的最大分解速率溫度最高、為487 ℃。這說明這 3 種硅基防水涂料的聚硅氧烷結構或者其交聯程度還是有一定的差別。

圖3 3 種硅基防水涂料涂膜的熱失重曲線

4.4 動態熱機械分析

3 種硅基防水涂料涂膜的動態熱機械分析的結果，如圖 4 所示。3 種硅基防水涂料涂膜的玻璃化轉變溫度和損耗因子最大值的結果，如表 2 所示。

圖4 3 種硅基防水涂料涂膜的動態熱機械分析曲線

表2 3 種硅基防水涂料的玻璃化轉變溫度和損耗因子最大值

從圖 4 和表 2 可以看出，3 種硅基防水涂料的玻璃化轉變溫度都低于 -90 ℃。這說明這 3 種硅基防水涂料的成膜物質的低溫柔性極好，優于其他任何種類的防水涂料。

3 種硅基防水涂料的損耗因子最大值都介于 0.07～0.11，差距不大。這說明這 3 種硅基防水涂料的配方都非常接近，這也與熱失重分析的結果比較一致。

4.5 XRD 分析

3 種硅基防水涂料涂膜的 XRD 分析的結果，如圖 5 所示。

圖5 三種硅基防水涂料涂膜的 XRD 譜圖

FS-7 的 XRD 譜圖顯示，其中的填料主要是金紅石型二氧化鈦。FS-7 在 2θ=29.759°還有一個非常強的峰，這個峰是碳酸鈣的衍射峰。

FS-8 和 FS-9 的 XRD 譜圖顯示，這兩個硅基防水涂料的填料只有金紅石型二氧化鈦。

XRD 分析出 FS-7 的配方中含有碳酸鈣，FS-8和FS-9 的配方中沒有碳酸鈣，這個結果與熱失重分析的結果也一致。

4.6 熱處理的性能分析

4.6.1 熱處理拉伸性能

3 種硅基防水涂料涂膜的 100 ℃ 熱處理拉伸性能的變化，如圖 6 所示。

從圖 6 可以看出，100℃ 熱處理后，3 種硅基防水涂料的拉伸強度略有增加，斷裂伸長率略有下降。這說明硅基防水涂料在 100℃ 時以分子鏈交聯為主，分子鏈斷裂不明顯，耐老化較強。

圖6 3 種硅基防水涂料的拉伸性能與 100 ℃ 熱處理時間的關系

3 種硅基防水涂料涂膜的 150 ℃ 熱處理的拉伸性能的變化，如圖 7 所示。

圖7 3 種硅基防水涂料的拉伸性能與 150 ℃ 熱處理時間的關系

從圖 7 可以看出，150℃熱處理后，3 種硅基防水涂料的拉伸強度增加不多，斷裂伸長率下降的趨勢更加明顯。以 FS-9 為例，經 150 ℃ 熱處理 28 d 后，FS-9 的拉伸強度僅提高 5 % 左右，斷裂伸長率降低 33 % 左右。

這說明硅基防水涂料在 150 ℃ 時以分子鏈斷裂為主，性能衰減較快。通過 3 種硅基防水涂料在不同熱處理溫度和不同熱處理時間的拉伸性能的變化，可以推斷出室溫條件下或者在略高于室溫環境下使用，3 種硅基防水涂料均有較長的壽命。

4.6.2 熱處理的紅外分析

為了研究熱處理后硅基防水涂料的結構變化，對熱處理后的硅基防水涂料進行了紅外測試，并與未處理的樣品進行了比對。FS-7 和 FS-9 熱處理后外觀沒有明顯變化，僅測試了最高溫度、最長時間，即 150 ℃ 熱處理 28 d 的紅外光譜；FS-8 熱處理后外觀顏色有明顯改變，測試了 2 個熱老化溫度和 2 種熱處理時間的 4 個老化后樣品的紅外光譜。

3 種硅基防水涂料涂膜熱處理后的紅外光譜，如圖 8 所示。

圖8 3 種硅基防水涂料涂膜熱處理的紅外光譜

從圖 8（a）～（c）的紅外光譜可以看出，熱處理后的硅基防水涂料的紅外光譜與未處理前幾乎沒有任何變化。這說明聚硅氧烷的結構非常穩定，150 ℃ 以下的熱處理溫度對分子鏈結構的影響很小，熱氧斷鏈發生的幾率不高。

4.6.3 熱處理的顏色分析

熱處理后，FS-7 和 FS-9 的顏色幾乎無變化；FS-8的顏色有較大變化，逐漸黃變。不同條件下，FS-8 的顏色和色差的結果（不包含鏡面反射），如表 3 所示。

表3 硅基防水涂料FS-8熱處理后的顏色和色差

從表 3 可以看出，經熱處理后，硅基防水涂料FS-8 迅速變黃。2 個熱處理溫度下經 14 d 的時間，FS-8 的色差就已經達到了 10 左右，黃變明顯。

這種黃變情況在硅基防水涂料中是較少見到的。FS-8 的成膜物質是聚硅氧烷，填料為金紅石型鈦白粉，這兩種成分都不太可能發生熱處理后的黃變現象。因此推測可能是因為 FS-8 硅基防水涂料中含有某種不太穩定的助劑等，它的分解造成了白色硅基防水涂料 FS-8 的明顯黃變。

5 結論

本文對 3 個硅基防水涂料的力學性能和微觀性能進行了研究，通過對硅基防水涂料的微觀結構以及成分的分析解釋了 3 種產品的力學性能的差異和使用性能的區別。同時對 3 個硅基防水涂料進行了不同溫度的熱處理，證明了硅基防水涂料具有極高的穩定性和長期的壽命。并評價了熱處理過程對硅基防水涂料顏色的影響，并分析了易黃變的產品的原因。Q