不同硅基防水涂料性能的比较研究

姜广明，丁晓晨，焦 昌，胡 水，刘昊北，谢丽丽

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.凡士通（上海）贸易有限公司，上海 201512；3.中国合格评定国家认可中心，北京 100062；4.北京化工大学，北京 100029；5.中国建筑材料联合会，北京 100831；6.北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京 100123）

0 引言

以聚硅氧烷为主要成膜物，与颜料、填料和助剂等配制而成的硅基防水涂料，也被称作有机硅弹性防水涂料。这种防水涂料的性能优异，具有耐高温、耐低温、耐候、高弹性、高固含等优点，寿命可以维持 20 年以上。

本文比较了 3 种白色硅基防水涂料的力学性能，研究了这 3 种硅基防水涂料的微观性能的差异，对热处理后的硅基防水涂料进行了评价。结果表明这 3 种硅基防水涂料的成膜成分均为聚二甲基硅氧烷，成膜物含量有高有低；填料的种类和含量也有所差异。在 100 ℃和 150 ℃ 的条件下热处理 28 d 的硅基防水涂料的力学性能衰减不大，除了其中一款硅基防水涂料的颜色严重变黄。

1 原材料

本文收集了 3 种不同的硅基防水涂料，3 个样品分别编号为 FS-7、FS-8、FS-9。

3 种样品均为单组分、反应型防水涂料，可屋面外露使用。

开桶后硅基防水涂料表面有结皮，去除结皮，搅拌均匀后制样。

3 种样品均为白色黏稠的膏体，固化后涂膜也为白色，具有高反射性能和疏水性能。

2 实验设备

力学性能使用日本 Shimadz 公司生产的 AG-IC 100 kN 电子万能材料试验机。

红外光谱使用美国 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生产的 Nicolet 6700 傅立叶变换红外光谱仪测试，扫描范围为 4000～400 cm-1，分辨率为 4 cm-1。采用ATR方式测试涂膜的红外光谱。

热失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生产的 TGA/DSC1 同步热分析仪（型号 STARe system）测试；氮气气氛，测试的温度范围为 40～1 000 ℃，升温速度 10 ℃/min。

动态力学性能使用德国 Netzsch 公司生产的 DMA 242 C 型动态力学分析仪测试；采用直径 1 mm 的针入模式，频率为 10 Hz，测试温度范围为 -150～+50 ℃，升温速度为 3 ℃/min。

X 射线衍射使用日本理学公司生产的 Ultima Ⅳ 型多功能 X 射线衍射仪。涂膜放在标准样品板上，然后置于 X 射线衍射仪上进行测试。测试条件为：Cu 靶，管压 40 kV，管流 40mA，扫描范围为 5°～90°，扫描速度为10°/min，步长为 0.02°。

3 检测依据

涂膜的制备依据 GB/T 16777－2008《建筑防水涂料试验方法》（以下简称“GB/T 16777－2008”）中反应型涂料的要求。硅基防水涂料的试样分三道涂覆，每次间隔 24 h。涂膜在标准状态下养护 96 h，脱模后翻面继续在标准状态下养护规定的时间。

力学性能的检测依据 GB/T 16777－2008 的要求。拉伸性能的拉伸速度为 200 mm/min；撕裂性能采用直角型试样，撕裂速度为 500 mm/min。

粘结强度的检测依据 GB/T 16777－2008 中 7.1 A 法的要求。由于聚硅氧烷的表面能较低，不易与其他胶粘剂粘合，故制备粘结强度试样时采用“湿粘”的方法，即最后一道涂覆后立刻放上拉伸用上夹具，粘结强度试样带着上夹具同时养护。

热处理拉伸性能的检测依据 GB/T 16777－2008 的要求。热处理的温度为 100 ℃ 和 150 ℃，热处理的时间为 14 d 和 28 d。为了使硅基防水涂料的交联结构更加完善，热处理试样的养护期延长至 28 d 后再进行试验。

4 结果与讨论

4.1 力学性能

首先比较了 3 种硅基防水涂料的力学性能。涂膜和粘结强度试样经整体养护后的力学性能，如表 1 所示。

表1 不同养护时间的 3 种硅基防水涂料的力学性能

由于硅基防水涂料的固化反应时间较长，还对涂膜和粘结强度试样分别进行了 7 d 养护（按标准规定）和更长的 28 d 养护。

从表 1 可以看出，3 种硅基防水涂料中 FS-7 的拉伸强度最低；断裂伸长率最高。FS-8、FS-9 的拉伸强度略高于 FS-7；断裂伸长率都接近 100 %。FS-7 的耐撕裂性最强，远高于 FS-8 和 FS-9 两种硅基防水涂料。FS-9 的粘结强度较高，另外两种硅基防水涂料 FS-7 和 FS-8 的粘结强度较低，但也≥0.5 MPa。

经 28 d 长时间养护后，3 种硅基防水涂料的拉伸强度和撕裂强度都提高了，断裂伸长率略有降低；粘结强度也有小幅提高。这是因为聚硅氧烷的反应速度较慢，养护 7 d 后还能继续反应提高交联密度，使样品的力学性能提高。

与丙烯酸类［1，2］、聚氨酯类［3，4］等高强度的防水涂料相比，硅基防水涂料的力学性能较低，特别是抗撕裂性不高。不耐撕裂是硅橡胶的特点。因此硅基防水涂料在施工时，可以铺设聚酯无纺布等胎体增强材料以提高硅基防水涂料的强度，并且在硅基防水涂料固化后尽量减少上人以防破坏。

4.2 红外分析

3 种硅基防水涂料涂膜的红外光谱分析的结果，如图 1 所示。

图1 3 种硅基防水涂料涂膜的红外光谱

从图 1 的红外光谱可以看出，这 3 种硅基防水涂料涂膜的红外光谱几乎一致，都是聚二甲基硅氧烷。其中 2 960 cm-1是 CH3的伸缩振动峰，800、860 和1 260 cm-1为 Si-（CH3）2的吸收峰，1 020～1 090 cm-1为 Si-O-Si 的吸收峰。

FS-7 样品的红外光谱在 1 456 cm-1处有一处较强的峰，这是较强的 CO32-反对称伸缩振动峰。这说明 FS-7 中含有较多的碳酸钙，而 FS-8 和 FS-9 样品中没有碳酸钙。

4.3 热失重分析

4.3.1 硅基防水涂料膏体的热失重分析

3 种硅基防水涂料膏体的热失重分析的结果，如图 2 所示。

从图 2（a）可以看出，FS-7 膏体的聚二甲基硅氧烷的含量最低，填料含量最高，而且含有碳酸钙填料。FS-8 膏体的聚二甲基硅氧烷的含量居中，没有碳酸钙填料。FS-9 膏体的聚二甲基硅氧烷的含量最高，也没有碳酸钙填料。

图2 3 种硅基防水涂料膏体的热失重曲线

从图 2（b）可以看出，FS-7 为一种溶剂型的硅基防水涂料，其中约有 20 % 左右的溶剂。第 1 种溶剂的最大挥发速率温度为 106 ℃，第 2 种溶剂的最大挥发速率温度为 177 ℃。FS-8 和 FS-9 中无溶剂，它们两个为无溶剂型的硅基防水涂料，挥发性有机物含量更低、更加环保。

4.3.2 硅基防水涂料涂膜的热失重分析

3 种硅基防水涂料涂膜的热失重分析的结果，如图 3 所示。

从图3（a）和力学性能的结果可以看出，硅基防水涂料涂膜的力学性能与热失重性能有一定的相关性。FS-7 的聚二甲基硅氧烷的含量最低，所以 FS-7 的拉伸强度最低。FS-9 的聚二甲基硅氧烷的含量最高，所以FS-9 的粘结强度最高。

从图 3（b）可以看出，FS-7 涂膜的最大分解速率温度最低、为 450 ℃，FS-8 涂膜的最大分解速率温度居中、为 467 ℃，FS-9 涂膜的最大分解速率温度最高、为487 ℃。这说明这 3 种硅基防水涂料的聚硅氧烷结构或者其交联程度还是有一定的差别。

图3 3 种硅基防水涂料涂膜的热失重曲线

4.4 动态热机械分析

3 种硅基防水涂料涂膜的动态热机械分析的结果，如图 4 所示。3 种硅基防水涂料涂膜的玻璃化转变温度和损耗因子最大值的结果，如表 2 所示。

图4 3 种硅基防水涂料涂膜的动态热机械分析曲线

表2 3 种硅基防水涂料的玻璃化转变温度和损耗因子最大值

从图 4 和表 2 可以看出，3 种硅基防水涂料的玻璃化转变温度都低于 -90 ℃。这说明这 3 种硅基防水涂料的成膜物质的低温柔性极好，优于其他任何种类的防水涂料。

3 种硅基防水涂料的损耗因子最大值都介于 0.07～0.11，差距不大。这说明这 3 种硅基防水涂料的配方都非常接近，这也与热失重分析的结果比较一致。

4.5 XRD 分析

3 种硅基防水涂料涂膜的 XRD 分析的结果，如图 5 所示。

图5 三种硅基防水涂料涂膜的 XRD 谱图

FS-7 的 XRD 谱图显示，其中的填料主要是金红石型二氧化钛。FS-7 在 2θ=29.759°还有一个非常强的峰，这个峰是碳酸钙的衍射峰。

FS-8 和 FS-9 的 XRD 谱图显示，这两个硅基防水涂料的填料只有金红石型二氧化钛。

XRD 分析出 FS-7 的配方中含有碳酸钙，FS-8和FS-9 的配方中没有碳酸钙，这个结果与热失重分析的结果也一致。

4.6 热处理的性能分析

4.6.1 热处理拉伸性能

3 种硅基防水涂料涂膜的 100 ℃ 热处理拉伸性能的变化，如图 6 所示。

从图 6 可以看出，100℃ 热处理后，3 种硅基防水涂料的拉伸强度略有增加，断裂伸长率略有下降。这说明硅基防水涂料在 100℃ 时以分子链交联为主，分子链断裂不明显，耐老化较强。

图6 3 种硅基防水涂料的拉伸性能与 100 ℃ 热处理时间的关系

3 种硅基防水涂料涂膜的 150 ℃ 热处理的拉伸性能的变化，如图 7 所示。

图7 3 种硅基防水涂料的拉伸性能与 150 ℃ 热处理时间的关系

从图 7 可以看出，150℃热处理后，3 种硅基防水涂料的拉伸强度增加不多，断裂伸长率下降的趋势更加明显。以 FS-9 为例，经 150 ℃ 热处理 28 d 后，FS-9 的拉伸强度仅提高 5 % 左右，断裂伸长率降低 33 % 左右。

这说明硅基防水涂料在 150 ℃ 时以分子链断裂为主，性能衰减较快。通过 3 种硅基防水涂料在不同热处理温度和不同热处理时间的拉伸性能的变化，可以推断出室温条件下或者在略高于室温环境下使用，3 种硅基防水涂料均有较长的寿命。

4.6.2 热处理的红外分析

为了研究热处理后硅基防水涂料的结构变化，对热处理后的硅基防水涂料进行了红外测试，并与未处理的样品进行了比对。FS-7 和 FS-9 热处理后外观没有明显变化，仅测试了最高温度、最长时间，即 150 ℃ 热处理 28 d 的红外光谱；FS-8 热处理后外观颜色有明显改变，测试了 2 个热老化温度和 2 种热处理时间的 4 个老化后样品的红外光谱。

3 种硅基防水涂料涂膜热处理后的红外光谱，如图 8 所示。

图8 3 种硅基防水涂料涂膜热处理的红外光谱

从图 8（a）～（c）的红外光谱可以看出，热处理后的硅基防水涂料的红外光谱与未处理前几乎没有任何变化。这说明聚硅氧烷的结构非常稳定，150 ℃ 以下的热处理温度对分子链结构的影响很小，热氧断链发生的几率不高。

4.6.3 热处理的颜色分析

热处理后，FS-7 和 FS-9 的颜色几乎无变化；FS-8的颜色有较大变化，逐渐黄变。不同条件下，FS-8 的颜色和色差的结果（不包含镜面反射），如表 3 所示。

表3 硅基防水涂料FS-8热处理后的颜色和色差

从表 3 可以看出，经热处理后，硅基防水涂料FS-8 迅速变黄。2 个热处理温度下经 14 d 的时间，FS-8 的色差就已经达到了 10 左右，黄变明显。

这种黄变情况在硅基防水涂料中是较少见到的。FS-8 的成膜物质是聚硅氧烷，填料为金红石型钛白粉，这两种成分都不太可能发生热处理后的黄变现象。因此推测可能是因为 FS-8 硅基防水涂料中含有某种不太稳定的助剂等，它的分解造成了白色硅基防水涂料 FS-8 的明显黄变。

5 结论

本文对 3 个硅基防水涂料的力学性能和微观性能进行了研究，通过对硅基防水涂料的微观结构以及成分的分析解释了 3 种产品的力学性能的差异和使用性能的区别。同时对 3 个硅基防水涂料进行了不同温度的热处理，证明了硅基防水涂料具有极高的稳定性和长期的寿命。并评价了热处理过程对硅基防水涂料颜色的影响，并分析了易黄变的产品的原因。Q