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聚丙烯腈增強纖維對膩子性能的影響

2012年11月14日

近十年來,建築塗料的産品品種、應用規模和質量水平都有了很大的發展,已經成爲塗料中産量最大的品種,占世界塗料總産量的40%~50%。然而,在施塗過建築塗料的內外牆上,經常會發現有表面粗糙、凹凸不平、龜裂紋、起殼、脫落等現象,並進而影響建築物的使用功能和外觀。大量的事實表明,很多情況下這些問題的出現是由膩子的質量所致。

建築塗裝是一個整體,包括膩子在內的每一塗層的質量都會對其最終性能造成影響。膩子在建築塗裝中的作用有找平、光滑、克服龜裂紋、表現各種風格的花紋和表面質感等。目前,我國成品膩子的品種相對建築塗料而言還很少,絕大部分都是在施工現場配制,各組分之間沒有固定的配比,在客觀上造成了膩子質量的不穩定。

開裂是最常見的膩子缺陷,尤其是外牆膩子。如果可以采取適當的措施以降低膩子的開裂程度,則可以減少甚至消除由其引起的面塗缺陷。混凝土技術的發展給了人們以啓示,在混凝土中摻入纖維可以使得混凝土的性能得到極大的提高,鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維等已經在纖維增強混凝土中得到了廣泛的應用。

衆所周知,纖維起到增強作用的前提是在基材中良好的分散,上述的各種纖維在水性體系中的分散性都欠佳,而聚丙烯腈(PAN)分子結構中的極性腈基CN具有親水性,使得聚丙烯腈纖維可以均勻的分散在水性體系中。

因此,本試驗采用聚丙烯腈纖維作爲增強材料,研究了纖維的添加量和纖維長度對膩子抗裂性能的影響,並且對聚丙烯腈纖維增強膩子的抗沖擊和抗滲性能進行了測試。此外,還考察了纖維的應用對膩子施工性能的影響。

2.試驗部分

試驗采用KNP聚丙烯腈纖維,以此纖維百分百之百聚丙烯腈爲原料,采用了獨特的生産工藝和特殊的表面處理,是一種專用于牆體塗裝材料的增強纖維。KNP纖維共有KNP192、KNP194和KNP196三種規格,長度分別爲2mm、4mm和6mm。

首先按表1稱取相應質量的各組分,加入不同量的纖維,混合均勻。然後在膩子粉中加入適量的水並攪拌均勻,水與膩子粉的重量比約爲30:100,水的具體用量根據膩子的粘度進行調整。

用掃描電子顯微鏡(JEOL-6300)表征纖維增強膩子的微觀結構。由于沒有纖維增強膩子性能測試的相關標准,因此,試驗參照類似物質纖維增強混凝土的測試標准進行了膩子的性能測試。膩子的抗裂性能和抗沖擊性能試驗參照ACI(美國混凝土協會)544委員會推薦的方法進行;膩子的抗滲性能測試參照工程建設國家標准GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行。

3.結果與討論

3.1.抗裂性能膩子産生裂縫的原因有很多種。

對于新施工的體系而言,膩子上牆以後仍有一個幹燥固化的過程,這期間可能局部受到約束,這種約束作用導致在約束部位産生孔隙或縫隙;另一種産生裂縫的原因是塑性收縮,當環境濕度低、溫度高和有風的情況下,膩子表面水分迅速揮發時就會産生塑性收縮裂縫。對于施工一段時間的體系而言,幹縮是産生裂縫的一個常見原因,此外,溫度、風化等作用都可以造成體系中的裂縫。而纖維的應用可以阻止因滲水、離析、塑性收縮、幹縮等各種原因引起的膩子材料原生裂縫的産生,減少裂縫的數量並降低裂縫的尺寸。

試驗用開裂指數來表示膩子的抗裂性能,根據表面上裂縫的寬度,將裂縫分爲5個等級:大于3mm、2~3mm、1~2mm、0.5~1mm和小于0.5mm。定義每一範圍裂縫的度量指數分別爲3、2、1、0.5和0.25,每一度量指數乘以其相應的裂縫長度,將加和的結果折算爲1m2面積的相應數值,即爲該試樣的開裂指數。圖1給出了膩子的開裂指數隨纖維添加量的變化關系,可以看出聚丙烯腈纖維的加入降低了膩子的開裂指數,並且開裂指數隨纖維添加量的增加而減小。

KNP聚丙烯腈纖維經過了特殊的表面處理,其與基材的握裹力得到了極大的提高,當膩子于纖維處出現裂縫時,由于纖維與基材之間的粘結力大于裂縫擴展産生的沿纖維方向的剪切應力,從而不會出現纖維從基材中被拔出的情況。當負載進一步加大時,纖維與基材之間的黏結力依然能夠保證纖維不被拔出,如果此時裂縫擴展所産生的沿纖維軸向的拉力大于纖維的強度,則纖維發生斷裂。即KNP聚丙烯腈纖維增強膩子的最終破壞形式是纖維的斷裂,而不是纖維從基材中拔出,如圖2所示,因此,膩子的抗裂性能得到了有效的改善。

圖1不同纖維添加量的膩子的開裂指數

圖2膩子中斷裂的聚丙烯腈纖維的SEM照片

通常認爲,體系的抗裂能力隨體系中纖維間距的減小而增大。根據纖維的平均間距理論,低摻量纖維在膩子中的抗裂效果與纖維的間距有直接的關系。纖維三維亂向分布時,纖維的平均間距S=1.25d/Vf,式中d爲纖維的直徑,Vf爲纖維的體積率,S隨Vf的增加和d的減小而減小。對于給定的纖維來說,其直徑保持不變,纖維加入量越多,纖維的體積含量越大,從而纖維平均間距越小,因此,得到了如圖1所示的膩子開裂指數隨纖維添加量的增加而減小的結果。

從圖1還可以看出,長度不同的三種聚丙烯腈纖維對膩子抗裂性能增強效果的順序爲KNP192>KNP194>KNP196。膩子內部的空隙較小,纖維的長度爲2mm就足以與裂縫兩側的膩子基材有良好的粘結強度。對于重量相同的纖維,長度越短,則纖維數目越多,膩子與纖維的粘結面積越大,從而膩子的抗裂性能隨纖維長度的減短而增大。據此,可以認爲膩子體系中KNP聚丙烯腈纖維的臨界長度爲2mm。

3.2.抗沖擊性能膩子在施工過程中或是施工後,都會受到外力的影響。

任何材料或多或少的都具有一定的彈性,當一個較小的應力施加到材料上時,材料自身會産生一定的應變來抵抗這一應力,而當應力撤去時,材料會恢複其初始狀態。但如果當前一次應力産生的應變還沒有完全恢複時,再次對材料施加應力則會使得材料的應變加劇。多次循環之後,當材料無法再通過自身的應變來抵抗外來的應力時,缺陷就會産生。另外一種情況,第一次施加的外力就可能導致材料內部出現微裂縫,在不斷重複的外力作用下,微裂縫會逐漸生長而最終導致材料的破壞。

抗裂性能測試結果表明,添加了KNP192纖維的膩子具有最好的抗裂性能,由此,對膩子抗沖擊性能和後面的抗滲性能的表征都是針對添加了KNP192纖維的膩子。對于纖維增強的膩子而言,微裂縫緩慢擴展的過程中基體的縱向拉壓會引起其橫向的縮脹,在裂縫尖端的前緣造成基材與纖維的分離。經過一定的應力循環之後,裂縫由橫向改沿纖維和基材的界面縱向擴展。由于體系中分布著大量的纖維,裂縫的擴展需要經曆非常複雜和曲折的路徑,其破壞是從纖維的薄弱環節開始,逐步擴散到界面之上。由于KNP聚丙烯腈纖維與基材之間良好的握裹力,因此,纖維的加入可以提高體系的抗沖擊性能,結果如圖3所示。

圖3不同KNP192纖維添加量的膩子的抗沖擊次數從圖3還可以看出,膩子的抗沖擊次數隨纖維添加量的增加而增大,其原因如下:隨著纖維的增多,纖維與基材界面也就增多,而纖維與基材的界面可以阻緩膩子中裂縫的擴展,因此得到了圖3中膩子抗沖擊次數隨纖維添加量的變化關系。

3.3.抗滲性能

圖4給出了KNP192纖維增強膩子的抗滲性能試驗結果。GBJ82-85中試樣的標准高度爲150mm,而本試驗中的膩子在達到GBJ82-85中規定的時間後,端面沒有出現滲水現象,因此在試驗結束後將膩子試樣剖開,以膩子耐水性與進水端的距離來表示膩子的抗滲性能,並定義爲滲透高度。從圖4中可以看出,纖維的加入有效的改善了膩子的抗滲性能,滲透高度隨纖維添加量的增加而減小。

圖4不同KNP192纖維添加量的膩子的滲透高度

滲水性能表示水或水蒸汽通過基材的難易程度。膩子中含有大小不同的孔隙,水可以以液體和氣體的形態在壓力作用、或是在毛細管力作用、或是兩者共同作用下進入多孔物體。體系的抗滲性能主要是由基材中連通毛細孔的數量和尺度所決定,而纖維的加入可以有效的減少毛細孔的數量和尺度,從而提高了膩子的抗滲透性能。

4.膩子的施工應用

纖維增強膩子在施工前要進行以下的准備:(1)根據膩子的種類並考慮操作的便利,確定施工面與施工平台間的距離;(2)選用已通過法定質檢機構並出具有效質檢報告的合格産品爲膩子原料;(3)根據選定的品種和工藝要求,結合實際面積及材料單耗和損耗確定備料量;(4)根據現行行業標准JGJ/T29-2003《建築塗飾工程施工及驗收規程》中5.0.8條的規定對原料進行複驗,合格後備用;(5)材料應存放于陰涼幹燥且通風的環境內,其貯存溫度應介于5~40℃之間。

纖維增強膩子的施工對基層的要求如下:(1)基層應牢固,不開裂、不掉粉、不起皮、不空鼓、無剝離、無石灰爆裂點和無附著力不良的舊塗層等;(2)基層應表面平整且無光,立面垂直、陰陽角垂直、方正和無缺棱掉角,分格縫深淺一致且橫平豎直;(3)基層應清潔,表面無灰塵、無浮漿、無油迹、無鏽斑、無黴點、無鹽類析出物和無苔青等雜物;(4)如有空鼓必須予以剔鑿並重新補抹平整,有蜂窩、麻面、凹凸不平、缺棱掉角及抹灰接茬處需用水泥加膠膩子抹平整;(5)基層應幹燥,若面層塗料爲溶劑型塗料,則含水率不大于8%;若面層塗料爲水性塗料,含水率不大于10%。

稱取一定量的膩子粉組分和纖維,纖維添加量一般爲粉體組分重量的0.3~0.4%,對抗裂有特殊要求的體系,最高添加爲0.8%。混合約10min,使得各組分分布均勻。在幹粉中加入重量比爲30~40%的水,混合攪拌15min並調整到適當粘度。用刮刀將調成的膩子刮塗上牆,刮塗要均勻、細致,掌握好平整度。第一遍刮塗完畢幹燥後,用砂紙將接茬和不平整處砂除,並清除砂灰,再進行第二遍刮塗,第二遍刮塗與第一遍刮塗時間間隔在24h。

在施工過程中,發現摻有聚丙烯腈纖維的膩子的批刮阻力更小,膩子不粘刮刀,與不添加纖維的膩子相比,KNP聚丙烯腈纖維增強膩子的施工性能更佳。

由前面的試驗結果可以看出,當纖維的添加量達到0.3%時,膩子的抗裂、抗沖擊和抗滲性能整體上才有較明顯的改善。施工應用結果則表明,當纖維的添加量在0.4%以下時,其對膩子表面平整度和光滑度的影響較小,基本可以忽略。盡管纖維添加量的繼續增大能夠使膩子的抗裂、抗沖擊和抗滲性能進一步提高,但找平是膩子的重要作用之一,對膩子其它性能的改善應該是在其找平作用得以良好實現的基礎上而進行。因此,結合上述各種性能的改善程度,試驗認爲KNP192纖維的最佳添加量爲膩子粉重量的0.3~0.4%。

5.結論

制備了KNP聚丙烯腈纖維增強膩子,纖維與基材良好的握裹力使得膩子的性能得到了有效的改善。

隨著纖維添加量的增加,纖維在基材中的平均間距減小,使得膩子的抗裂性能不斷增大。當纖維的長度減小時,纖維與膩子基材的黏結面積變大,從而膩子的抗裂性能也得到了提升。對于本試驗而言,膩子中纖維的臨界長度爲2mm。根據最佳的抗裂試驗結果,對KNP192纖維增強膩子的抗沖擊和抗滲性能進行了研究,結果表明,纖維的應用明顯的改善了膩子的抗沖擊和抗滲性能。在膩子中加入KNP聚丙烯腈纖維後,其施工性能也得到了一定的改善。

綜合各種性能的改善程度,KNP192聚丙烯腈纖維在膩子中的最佳添加量爲膩子粉重量的0.3~0.4%。