無機改性瓷磚背膠的橋接效果與粘接強度研究

林杰賜，陳明毅，陳炳耀，黃文靜，李旭，左燕

摘要：為提高瓷磚背膠粘接強度，通過使用硅酸鉀和硅溶膠對普通背膠乳液進行無機改性，在標準、浸水、凍融及熱老化4種養護狀態下研究不同比例的無機改性背膠乳液與瓷磚和水泥砂漿之間的粘接強度的影響。此外還對無機改性背膠乳液的儲存穩定性和無機改性背膠乳液與瓷磚和水泥砂漿之間斷裂面進行分析。結果表明：適量的硅酸鉀或硅溶膠對普通背膠乳液的粘接強度具有一定增強作用，其中25%的以硅溶膠改性的背膠乳液其增強效果較為顯著，且具有良好的儲存穩定性，在現實中有較高的應用前景。

關鍵詞：硅酸鉀；硅溶膠；瓷磚背膠；粘接強度

中圖分類號：TQ437+.1文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0005-04

Research on bridging effect and adhesive strength of inorganic modified ceramic tile adhesive

LIN Jieci1，CHEN Mingyi1，CHEN Bingyao2，HUANG Wenjing1，LI Xu1，ZUO Yan1

（1.GuangdongShunde Sanhe Chemical Co.，Ltd.，Foshan 528325，Guangdong China;2.Guangdong Sanhe Chemical Technology Co.，Ltd.，Zhongshan 528429，Guangdong China）

Abstract：In order to improve the adhesive bonding strength of ceramic tile backing，by using potassium silicate and silica sol，the influence of the bonding strength between different proportions of inorganic modified back emulsion and ceramic tile and cement mortar was studied under four curing states：standard，water immersion，freeze-thaw and thermal aging.In addition，the storage stability of inorganic modified emulsion and the fracture surface between inorganic modified emulsion and ceramic tile and cement mortar were analyzed.The results showed that the appropriate amount of potassium silicate or silica sol had a certain enhanced effect on the bonding strength of ordinary emulsion，among which 25% of the silicone-sol-modified back emulsion had the most significant enhancement effect and good storage stability，which had a high application prospect in reality.

Key words：potassium silicate;silicon sol;ceramic tile back glue;bonding strength

隨著建筑內外墻飾面的快速化發展，出現了大量的低吸水率甚至零吸水率、大尺寸的飾面材料，如陶瓷薄板磚、玻化磚、拋光磚、微晶石、人造大理石等，鋪貼材料也從水泥砂漿，發展到瓷磚膠和瓷磚背膠。由于瓷磚吸水率越來越低，粘貼面也越來越光滑致密，無法提供有效的機械嵌固[1]。采用傳統鋪貼更加無法滿足粘接要求，尤其是玻化磚、拋光磚材質強度較高，對溫度變化敏感，溫差不同步，與水泥的熱膨賬系數不同，大規格瓷磚鋪貼后存在溫差應力，季節性的溫差振蕩．會造成粘接強度降低，破壞磚體和基體的粘接強度，導致了瓷磚與結構層之間就會因粘貼、結合不牢而出現空鼓現象，水泥砂漿屬于剛性材料，其耐久性好但粘接強度不高，也無法抵御因熱脹泠縮或濕胩干縮帶來的脫落。瓷磚背膠是一種新型的瓷磚粘接材料，施工方便，配合水泥砂漿或瓷磚膠使用時，能有效增強對瓷磚與基材的粘接強度，近幾年在瓷磚鋪貼領域得到了大力的發展和推廣。目前的瓷磚背膠大多都是有機聚合物乳液或膠粉組成，其作用機理通常主要是利用聚合物的自身黏性及少量活性基團來增強材料的粘接強度，在浸水和凍融后容易導致聚合物吸水溶脹，自身強度和粘接力下降[2-5]。本文通過使用硅酸鉀和硅溶膠對普通背膠乳液進行無機改性，研究無機硅酸鹽對普通瓷磚背膠在不同條件下的粘接性能的影響，為瓷磚背膠的發展提供支持。

1實驗部分

1.1實驗材料

硅酸鹽水泥：P·O42.5，安徽海螺水泥股份有限公司；河砂：60～120目，廣州志成新材料公司；玻化磚：吸水率小于0.5%，市售；羥丙基甲基纖維素：HPMC100000S，山東赫達股份有限公司；水泥砂漿塊：70 mm×70 mm×20 mm，標格達精密儀器（廣州）有限公司；背膠乳液：工業級；硅酸鉀溶液：工業級；硅溶膠：工業級，南源化工。

1.2實驗儀器

萬能拉力試驗機（東莞天誠）；DHL7-9053A電熱鼓風干燥箱（上海精宏）；SFJ-400高速分散機（上海現代）；LRH-100CA低溫培養箱（上海一恒）；SGS-350B砂漿干縮養護箱（獻縣鵬翼）；NDJ-8 s旋轉黏度計（上海軒澄）。

1.3實驗步驟

1.3.1無機改性瓷磚背膠的制備

在燒杯中加入背膠乳液，在轉速300～600 r/min條件下緩慢分別加入質量分數為5%、10%、15%、20%、25%的硅酸鉀，所得無機改性背膠乳液分別記為G1、G2、G3、G4、G5；緩慢加入質量分數分別為5%、10%、15%、20%、25%的硅溶膠，所得無機改性背膠乳液分別記為G1′、G2′、G3′、G4′、G5′；未加硅酸鉀或硅溶膠的純背膠乳液記為G0。

1.3.2粘接強度的測試

首先清理好的瓷磚背面，去除灰塵、脫模劑等雜物，再將上述瓷磚背膠薄刷一層瓷磚背面，然后晾置3～4 h，待其干燥后，用基準水泥砂漿（m（水泥）∶m（石英砂）∶m（纖維素）：m（水）=1 000∶1 000∶4∶200）進行粘貼。然后按照 JC/T 547—2017有關原粘接強度、浸水后、熱老化和凍融后的粘接強度的相關養護要求進行養護，養護結束后進行粘接強度測試。

1.3.3儲存穩定性測試

熱儲穩定性：取適量樣品與容器中，在50 ℃烘箱中放置15 d，然后觀察其狀態及黏度變化情況。

凍融穩定性：按照GB/T 9268—2008中的A法進行3次循環測試，然后觀察其狀態變化情況。

2結果與討論

2.1標準養護下的粘接強度

硅酸鉀與硅溶膠的含量與粘接強度關系曲線如圖1所示。

由圖1可知，在標準養護狀態下，當背膠乳液中加入硅酸鉀，改性后瓷磚背膠的粘接強度得到了一定幅度的提高。無機改性瓷磚背膠的粘接強度隨硅酸鉀添加量的增加呈先增加后下降的趨勢；當添加量達20%硅酸鉀時，粘接強度增至最大1.187 MPa，與不含硅酸鉀的瓷磚背膠相比，其粘接強度提升了60.8%。在加入硅溶膠之后，瓷磚背膠的粘接強度隨硅溶膠添加量的增加而增加，當硅溶膠的添加量達25%時，粘接強度高達1.413 MPa，與未改性的瓷磚背膠相比，強度提升了約91.5%。

硅酸鉀/硅溶膠之所以能夠提高瓷磚背膠乳液的粘接強度，其原因可能是納米級的硅酸鉀/硅溶膠可以滲透到瓷磚表面的孔隙中，且與瓷磚發生化學鍵合，生成的產物沉積在孔隙中和瓷磚牢固結合，即改性后的瓷磚背膠與瓷磚的結合不僅有有機聚合物提供的物理粘接力，還有牢固的化學結合，能夠使背膠與瓷磚間產生更大的附著力[6]。此外，硅酸鉀/硅溶膠也為硅酸鹽水泥提供了化學結合的活性點，相較于單純以有機樹脂為主要成分的瓷磚背膠，通過硅酸鉀/硅溶膠改性的瓷磚背膠更能在瓷磚與水泥砂漿之間起到良好的橋接作用。隨著硅酸鉀/硅溶膠添加量的增加，瓷磚背膠的橋接效果更為明顯，粘接強度的增效更加顯著[7-8]。

2.2浸水養護條件下的粘接強度

圖2為經過浸水養護后各試樣的粘接強度。

由圖2可知，對比圖1可以發現，浸水之后，未經無機改性的瓷磚背膠的粘接強度較標準養護試樣的粘接強度下降了28%；而由5%硅酸鉀/硅溶膠改性的瓷磚背膠的粘接強度則分別下降了18%和19%。當瓷磚背膠中硅酸鉀/硅溶膠的添加量達10%，浸水后的粘接強度與標準狀態下的粘接強度基本持平。隨著瓷磚背膠中硅酸鉀/硅溶膠含量的增加，浸水后的粘接強度開始從下降逐漸轉為增強。這是由于瓷磚背膠主要是利用聚合物的自身粘性及少量活性基團來增強材料的粘接強度，當其受到水的入侵，提供粘接作用的聚合物膜的形態發生了溶脹，聚合物強度下降，化學與物理粘接力下降[9-12]，進而粘接強度下降。通過無機改性的瓷磚背膠能與瓷磚與水泥砂漿之間形成良好的化學結合，同時水泥在浸水環境條件下充分水化，從而粘接強度增強；這在一定程度上彌補了聚合物遇水溶脹造成的缺陷，整體上提高了粘接強度。

2.3熱老化養護條件下的粘接強度

圖3是經過熱老化養護后各試樣的粘接強度。

由圖3可知，在高溫養護下，未改性的瓷磚背膠的粘接強度在標準狀態下增強了66.8%。隨著瓷磚背膠中硅酸鉀/硅溶膠的增加，聚合物含量減少，粘接強度呈現先減弱后增強的趨勢，對比15%硅酸鉀/硅溶膠改性的瓷磚背膠在熱老化后和標準狀態下的粘接強度，分別下降了10%和4%，這可能是由于高溫狀態下水泥干燥過快，水化不充分導致其強度減弱。根據JC/T 547—2017關于熱老化養護的規定，試件先在標準條件下養護14 d，之后高溫養護14 d。在最初的14 d，水泥砂漿的強度快速的增長，之后強度增長速率緩慢[15-16]。這表明在進行高溫養護時，水泥砂漿已具有較高的強度，加之瓷磚背膠中的聚合物和硅酸鉀/硅溶膠的增效，所以后續高溫所導致的水化不充分對試件的整體粘接強度影響并不嚴重。

2.4凍融養護條件下的粘接強度

圖4為經過凍融養護后各試樣的粘接強度。

由圖4可知，在經過浸水、凍結和解凍的多次循環之后，各試樣的粘接強度都有明顯的下降。這是由于凍融環境下晶體膨脹和收縮的反復作用，降低了聚合物膜的柔韌性，此時粘接強度比浸水時粘接強度略低[17]。同時，在降溫過程中，加劇瓷磚與砂漿的相對變形、加速界面損傷的萌生和擴展，使得損傷面積和脫粘面積分別增加[18]。

2.5無機改性瓷磚背膠的穩定性

因為硅酸鉀、硅溶膠等無機成膜物質具有較高的反應活性[19]，儲存穩定性一直以來都是其一項至關重要的指標。表1為無機改性瓷磚背膠的儲存穩定性測試情況。

定性無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常由表1可知，隨著瓷磚背膠中硅酸鉀/硅溶膠的增加，熱儲后黏度變化幅度呈現先增加后減少的趨勢。相較于硅酸鉀，硅溶膠與所用的背膠乳液之間有更好的相適性，復配后具有良好的儲存穩定性。而硅酸鉀活性比硅溶膠更高，在經過15 d的熱儲之后有一定程度的增稠，且當硅酸鉀達到15%時，增稠最明顯。

2.6無機改性瓷磚背膠的斷裂面分析

圖5為無機改性瓷磚背膠在拉伸斷裂面的形態。

由圖5可知，未改性的瓷磚背膠的拉伸斷裂面是比較干凈的，背膠固化形成聚合物薄膜較為完整的粘接在水泥砂漿層。而隨著無機硅酸鹽的加入，拉伸斷裂面逐漸發生變化，從未改性的背膠-瓷磚之間的界面破壞逐漸變成水泥砂漿層的內聚破壞以及水泥砂漿層與水泥砂漿塊之間的界面破壞。由此可見，經過無機硅酸鹽的改性之后，瓷磚背膠與瓷磚的粘接力逐漸增加，慢慢大過水泥砂漿自身的內聚力和水泥砂漿層與水泥砂漿塊之間粘接力。

3結語

通過使用硅酸鉀和硅溶膠對普通背膠乳液進行無機改性發現，硅酸鉀/硅溶膠改性的瓷磚背膠更能在瓷磚與水泥砂漿之間起到良好的橋接作用，且隨著添加量的增加，瓷磚背膠的橋接效果更為明顯，粘接強度的增效更加顯著。這在一定程度上彌補了聚合物遇水溶脹、高溫下水化不充分以及凍融下造成的缺陷，整體上提高了粘接強度。此外，硅溶膠改性瓷磚背膠較之硅酸鉀有更好的增強效果和儲存穩定性，在實際應用中具有良好的前景。

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