高分子防水卷材的研究进展_张涵.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期113高分子防水卷材的研究进展张 涵1,2，胡 清1，朱光宇1，张振莉1，高岗岗3，张颖鑫4，杜 斌1，陈商涛1（1 中国石油石油化工研究院，北京 102206；2 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；3 中国石油庆阳石化公司，甘肃庆阳 745100；4 中国石油华南化工销售分公司，广东广州 510665）摘要：防水材料的质量常影响建筑的使用年限，选择符合要求的防水材料十分重要。基于“双碳”目标，高分子防水卷材迎来了发展机遇，未来将成为防水卷材发展主流。该文从介绍不同种类的高分子防水卷材出发，总结了高分子防水卷材的研究现状，分析了具有较好发展前景的两种防水卷材。如今，屋面光伏发展势头正盛，高分子防水卷材在这一方面也将会有更多的应用。最后，针对高分子防水卷材仍与国外水平存在的差距提出了建议，国家和企业层面需发挥各自作用，使高分子防水卷材向着高质量、绿色环保的方向发展。关键词：防水材料；高分子防水卷材；建筑光伏中图分类号：TU 57+3；TB 324 Research Progress of Polymer Waterproofi ng MembraneZHANG Han1,2,HU Qing1,ZHU Guang-yu1,ZHANG Zhen-li1,GAO Gang-gang3,ZHANG Ying-xin4,DU Bin1,CHEN Shang-tao1(1 PetroChina Petrochemical Research Institute,Beijing 102206,China;2 School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3 PetroChina Qingyang Petrochemical Company,Qingyang 745100,Gansu,China;4 PetroChina South China Chemical Sales Branch,Guangzhou 510665,Guangdong,China)Abstract:The quality of waterproofi ng materials aff ects the service life of buildings,so it is very important to choose waterproofi ng materials that meet the requirements.Based on the goal of“Carbon Peaking and Carbon Neutrality”,polymer waterproofing membranes have ushered in development opportunities and will become the mainstream of waterproofi ng materials in the future.Starting from the introduction of diff erent kinds of polymer waterproofi ng membranes,this paper summarized the research status of polymer waterproofing membranes and analyzed two kinds of waterproofing membranes with good development prospects.Nowadays,the development of photovoltaic roof is fl ourishing,and polymer waterproofi ng membrane will have more applications in this fi eld.Finally,some suggestions were put forward for the gap between our country and the foreign countries.The country and enterprises should exert their respective capabilities to ensure that the development of high quality and green environmental protection of polymer waterproofi ng membrane.Key words:waterproofi ng materials;polymer waterproofi ng membrane;building photovoltaic作者简介：张涵，北京科技大学硕士研究生，从事材料研究工作。防水材料的选择在建设施工中尤为重要，其质量参差在一定程度上决定了施工质量和建筑物的使用寿命。如果使用了低劣的防水材料，甚至会出现屋顶渗漏的情况，严重影响人们正常生活。此外，由于我国大力推进可持续发展战略和倡导绿色低碳的生活方式，建筑行业对防水材料的环保性产生了更高的要求。因此，选择符合施工要求的防水材料对提高建筑物的使用寿命和环境保护十分重要。1 防水材料现状当前，市场中较为常见的建筑防水材料有改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料等1。在这些防水材料中，应用范围最广的非改性沥青防水卷材莫属，但研究发现这种卷材的制作成本较高，生产过程中会造成较大污染，采用热熔法施工时容易引发安全隐患。而且在其生产过程中需要加入改性剂，常用的是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)，从结构上分为线型和星型（如图1 所示）2。由于 SBS 的结构，导致它与许多极性材料之间的附着力较差。此外，该分子结构中的 C=C 双键极易被臭氧等物质氧化，导致耐老化性能变差3-4。尤其是在高温、湿热的环境下，制成的自粘防水卷材的粘结强度随着时间延长而减弱，耐老化效果也较差。(a)线型 (b)星型图 1 SBS 的结构Fig.1 Structures of SBS高分子防水卷材是一种新型防水材料，其主体是合成高分子材料，再把适量的化学助剂等物品加入其中，最后经多种工序制得。常见的主要有聚氯乙烯(PVC)防水卷材、热塑性聚烯烃类(TPO)防水卷材、三元乙丙橡胶(EPDM)防水卷材等。20 世纪 8090 年代，我国从日本引进了三元乙丙生产线。在 19811985 年期间，我国DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.038114张 涵 等 高分子防水卷材的研究进展研制出了 PVC 防水卷材等防水材料，不仅丰富了防水卷材的种类，还打破了传统的“三油四毡”的防水施工工艺。90 年代时期，因为原材料价格上涨，生产设备与技术主要依赖国外，导致高分子防水卷材的售价较高，应用市场十分有限。进入 21 世纪以后，国外快速发展的 TPO防水卷材和其他防水涂料等都在国内相继问世，各类高分子防水卷材都在不断发展。因高分子防水卷材优异的防水性能、对环境的污染小（见表 1）、成本相对较低等优势，现已经应用到建筑工程的防水领域。表 1 不同屋面系统采用不同固定方式的 GWP 平均值Table 1 GWP average of different roof systems with different fixing methods屋面系统GWP/(kg CO2 eq/m2)达到碳平衡所需年限/aEPDM27.318.3TPO30.220.2PVC63.442.5SBS81.854.8注：GWP 为全球升温潜能值，以 CO2当量 kg 衡量。根据相关数据调查，高分子防水卷材在发达国家中占比较高，在美国占比达 75%，在日本占比达 32%，但在我国渗透率不高，2019 年高分子防水卷材占比不到15%5，如图 2 所示。与美日等发达国家相比，我国的高分子防水卷材仍无法追赶上国外的总体水平，主要表现在三个方面，卷材的品质、应用体系的配置、施工的综合程度都存在一定的差距。为弥补差距，国内外技术人员针对不同种类的高分子防水卷材的改性问题、老化性能等展开研究。高分子卷材12%SBS/APP卷材34%自粘卷材17%防水涂料28%其他新型6%其他材料2%沥青瓦1%其他防水材料25%高分子卷材75%(a)中国防水材料占比 (b)美国防水材料占比图 2 2019 年中国和美国主要建筑防水材料比例Fig.2 Proportion of major building waterproofing materials in China and the United States in 20192 典型高分子防水卷材2.1 聚氯乙烯(PVC)防水卷材 PVC 防水卷材，其主要原料是 PVC 树脂，在生产过程中加入增塑剂等化学助剂，经多步工序制得。PVC防水卷材原料来源丰富，使其得以大量生产。因为 PVC防水材料的相容性较好，所以能够在其中加入稳定剂，以此达到防老化的目的，提高了防水卷材的性能。PVC防水卷材采用热风焊接，可焊接性良好，施工过程安全环保。此外，PVC 防水卷材还具有其他优异的性能，如抗渗透性好、良好的低温柔性、不易遭受化学侵蚀等6。因其性能优异，PVC 防水卷材被广泛应用于多个领域，如地下室防水7、金属屋面防水8等。PVC 防水卷材也具有一定的缺陷，热稳定性不良，高温下还容易释放有毒气体。此外，增塑剂的加入对PVC 防水卷材有利有弊。一方面能改善产品的粘着力，降低物料的熔融黏度9，另一方面还能提高产品的耐老化性能10。但是，若增塑剂发生迁移，就会引起 PVC卷材的柔性降低，导致产品断裂。在实际使用过程中，PVC 防水卷材容易产生局部鼓起，导致建筑物的屋顶出现鼓包、起边等状况。为减少这种状况的发生，国外使用的增塑剂大多是非挥发性的，以此保证 PVC 防水卷材能够长期使用。如美国一家公司生产出一种增塑剂，即酮乙烯酯，将其加入到 PVC 基料中可以提供长期的柔性。为了提高 PVC 防水卷材的抗撕裂强度，可以选择对聚氯乙烯树脂进行改性，如在其中加入氯化聚乙烯等抗冲改性剂，能有效限制裂纹的扩展，使聚合物由脆性转为韧性。为修复和治理城市的生态环境，绿色建筑的设计理念越来越流行，种植屋面这一建筑方式也慢慢进入大众视野，但一直困扰着施工方和使用方的就是屋面防水问题。对此，美国一企业采用特殊的配合体系，对 PVC 防水卷材进行改性，限制了增塑剂的迁移，使用寿命超过20 年，提高了防水卷材的耐老化性能，很适合种植屋面的防水。国内外的研究人员设计出了不少性能优异的PVC 防水卷材，如：Sika Sarnafil 公司曾推出以聚醋增强，可以现场热焊接的自粘 PVC 防水卷材，最低施工温度可达 1011；牧保文12制备了加入复合改性剂的高聚合度 PVC 防水卷材，部分性能参数优良，而价格与普通 PVC 卷材几乎无差别。2.2 热塑性聚烯烃类(TPO)防水卷材 TPO 防水卷材，其主体为热塑性聚烯烃(TPO)合成树脂，在生产过程中加入抗氧剂等制得。研究人员突破分子结构设计，研发出基于嵌段共聚的 TPO 防水卷材13，除了具有上述 PVC 卷材的优点外，还具有更优良的高温稳定性和低温稳定性。另外，TPO 防水卷材不含增塑剂，收缩变形小，能循环利用，还方便维修修补，同时具备施工快捷、环保等特点14。因 TPO 防水卷材具备众多突出优势，被应用于不同项目的屋面防水上15-16。然而，TPO 材料中属于易燃材料，仅有碳、氢两种元素，其着火点低，而且燃烧过程中释放的热量也较高。为防止使用过程中发生屋面起火，在生产过程中必须添加阻燃剂。TPO 防水卷材主要用于屋面防水，一直处于高温暴露环境下，因此热老化性能是一项严格的指标。针对此类防