羟丙基淀粉醚在水泥基腻子中的应用研究

余欢，张本山，屈哲辉

（1.广州市高士实业有限公司，广东 广州 510450；2.华南理工大学 食品科学与工程学院，广东 广州 510640）

腻子是建筑物墙面涂料施工前必不可少的装修材料，其作用是对墙面基底进行预处理，对不平整的墙面修补、填坑补裂，从而为获得均匀光亮平滑的漆面打好基础。随着我国城镇化进程突飞猛进和建筑业的蓬勃发展，内外墙腻子的需求量也不断增长，而其中添加剂的绿色化使用成为必然趋势[1]。

淀粉是一种可再生的绿色资源，储量丰富，世界多地均有大规模生产。由于其具有较好的粘度和成膜性等加工特性，被广泛应用于工业领域。淀粉醚是在碱催化作用下，淀粉分子中的羟基在醚化试剂作用下，通过醚化反应生成的淀粉衍生物，可分为离子型淀粉醚和非离子型淀粉醚。由于淀粉的醚化作用，淀粉的亲水性增强，同时其膨胀度加大，糊液粘度及其稳定性提高，且在强碱性条件下醚键不易打开。目前，应用于腻子中的淀粉醚，因其醚化方法不同，醚化程度也有差异，对酸碱及盐的耐受性也有明显差距，因此有些产品适用于普通内墙腻子，而有些产品则可应用于石膏基、灰钙基和水泥基等外墙和各种功能性腻子[2]。

目前羧甲基淀粉醚在内墙腻子中应用较广，其可以明显提高腻子的稠度、抗流挂性、抗下垂性和施工性，延长开放时间等，然而由于羧甲基淀粉醚是离子型淀粉醚，与石膏和水泥的相容性差，故其不能用在外墙腻子中，极大地限制了其应用[3]。羟丙基淀粉醚是非离子型淀粉醚，与水泥石膏等胶凝材料相容性优良，过去的工作并没有系统研究羟丙基淀粉醚这一非离子型淀粉醚在腻子中的应用效果，不利于羟丙基淀粉醚的广泛推广。本研究通过试验，将羟丙基淀粉醚以不同添加量添加到基础腻子中，研究其对腻子相关性能的影响，试验结果可供业内相关人士参考，并为羟丙基淀粉醚在建材领域中的广泛应用提供理论支持。

1 试验

1.1 主要原材料及仪器设备

重质碳酸钙：300目，广州鸿创贸易有限公司；白水泥：32.5级，广州穗花水泥厂；羟丙基甲基纤维素（HPMC）：粘度为100 Pa·s（5%水溶液），山东光大科技有限公司；羟丙基淀粉醚（HPS）：采用木薯淀粉自制，摩尔取代度为0.56，粘度为4.3 Pa·s（5%水溶液）。

腻子搅拌机：SJ-15，浙江大剑工贸有限公司；数字旋转粘度仪：DV-I Prime，美国Brookfield公司；砂浆抗压三联试模：70.7mm，上海魅宇仪器设备有限公司；砂浆凝结时间测定仪：ZKS-100普通型，河北精威试验仪器有限公司；扫描电子显微镜：ZEISS Merlin，德国卡尔蔡司公司。

1.2 腻子的基础配方（见表1）

表1 腻子的基础配方

1.3 性能测试与表征

（1）腻子净浆粘度测试：参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，将腻子物料混合，采用净浆搅拌机搅拌，直到腻子变得均匀，观测不到明显的成团后，转移至1 L的高脚烧杯，采用Brookfield粘度计测试其粘度。

（2）腻子流动度和保水性测试：参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行，其中保水性采用失水率的方法进行测试[4]。

（3）腻子粘结强度测试：按JG/T 24—2000《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》进行。

（4）腻子抗压和抗折强度测试：参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法》进行。

（5）腻子扫描电镜分析：将腻子试块经标准条件养护7 d后，压碎取出一部分小块状样品，放入45℃的鼓风烘箱中烘至恒重，然后用样品袋封装，置于干燥皿中。以防止水泥与空气和水分接触而进一步水化，而影响到最终的测试结果。在样品进入观测室前，用双面胶将其粘牢在样品台上，用洗耳球轻轻吹除其表面杂质，接着喷金，然后置于观测室中，选择合适的放大倍数，观测腻子样品的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 HPS掺量对腻子浆体粘度的影响（见图1）

图1 HPS掺量对腻子粘度的影响

由图1可以看出，随着HPS掺量增加，腻子浆体的粘度逐渐增大，当HPS用量大于0.06%时，粘度增长幅度减缓。HPS的增稠机理是淀粉经过羟丙基醚化改性后，获得了亲水基团羟丙基，其在水中的膨胀度增加，并且其亲水分子链与疏水分子链相互缠绕，增大了腻子体系流体的体积，压缩了重钙和水泥凝胶颗粒分散流动的空间，从而使腻子浆体的粘度增大[5]。这说明HPS可以显著提高腻子浆体的粘度，提高其和易性，方便施工。

2.2 HPS掺量对腻子浆体流动度的影响

腻子的流动度可以反映其可塑性，通过测试腻子浆体与标准试件之间的摩擦力，推断出腻子粉实际使用时的需水量。腻子的流动度越大，说明其需水量越少，在实际施工中，就越有利。HPS掺量对腻子流动度的影响见图2。

图2 HPS掺量对腻子流动度的影响

由图2可见，随着HPS掺量的增加，腻子浆体的流动度先减小后增大。HPS当掺量超过0.04%时，其流动度快速增大，直至超过不添加HPS的腻子浆体。这是因为，当HPS掺量较少时，其在体系中主要起增稠增粘作用；但当达到一定用量时，由于HPS分子极性较HPMC强，其链长也较HPMC更短，其能在水泥颗粒表面形成稳定的膜，使原本互相吸附聚集在一起的水泥颗粒和重钙颗粒被分散，并使这些颗粒之间的摩擦力减弱，从而起到了对HPMC聚合物的保护，以及克服胶凝材料聚沉的作用，最终使腻子的流动性增大[6]。

2.3 HPS掺量对腻子表干时间和保水性的影响（见图3）

图 3 HPS掺量对腻子表干时间和保水率的影响

由图3可以看出：随着HPS掺量的增加，腻子的表干时间越来越长。当HPS掺量从0.02%增加到 0.06%时，保水率显著提高；当HPS掺量大于0.06%时，保水率增加幅度减小。

其原因主要是：（1）由于HPS的保水作用，HPS分子结构上的羟丙基是亲水基团，其与水分子结合，使自由水变成结合水，起到良好的保水作用。（2）掺入HPS使腻子浆体变稠，同时在机械搅拌作用下，HPS的一部分螺旋链结构被拉直，大量的这种链和原本支链，以及腻子体系中的胶凝颗粒粘接，交错相连，形成牢固的三维结构，使水分子被牢牢地束缚在腻子浆体中，不易挥发，从而使表干时间延长，起到了保水作用。（3）掺入HPS使腻子浆体变稠，体系中的一些气体难以排出，这些气体形成微小起泡，起到“滚珠效应”，使腻子的施工性得到改善，并且在腻子硬化后，这些小气泡仍然彼此独立存在，会阻隔毛细孔道，减缓游离水挥发速度，因此提高了腻子的保水率，延长了腻子的表干时间。（4）HPS与水泥之间的相互作用，HPS具有良好的成膜性，其在腻子浆体中包裹住水泥，会延缓水泥的水化动力学进程，同时HPS被吸附在C-S-H凝胶和氢氧化钙的水合物中，降低了体系各种离子（Na+、Ca2+和SO42-等）在孔液中的活动力，从而进一步延缓了水化进程，最终的结果是表干时间延长，保水性增加[7]。

2.4 HPS掺量对腻子粘结强度的影响

粘结强度是在标准养护条件下，腻子试块在持续增加的拉力下，腻子表面出现裂痕时，砂浆单位面积所承受的拉力。腻子粘结强度过低易出现墙面掉粉、脱裂等问题。HPS掺量对腻子粘结强度的影响见图4。

图 4 HPS掺量对腻子粘结强度的影响

从图4可以看出，随着HPS掺量增加，腻子的粘结强度逐渐提高。这是因为HPS分子链上的羟丙基与铝离子和钙离子吸附缠绕在一起，形成较为紧密的胶凝小颗粒，并且由于HPS增加了浆体的流动度，这些颗粒更容易自由流动，最后填充在腻子的浆孔之间，增强了腻子的柔韧性，同时HPS具有良好的成膜性，其糊液包裹住腻子凝胶材料，与HPMC同时形成聚合物薄膜，具有封闭效果，减缓腻子水分挥发[8]，同时又形成了立体弹性网状结构，使腻子内聚力提高，可以很好的满足收缩变形，加强机械韧性，使得腻子拥有较高的粘结强度和抗滑移能力。

2.5 HPS掺量对腻子抗压和抗折强度的影响（见图5）

图5 HPS掺量对腻子抗压和抗折强度的影响

从图5可以看出，随着HPS掺量的增加，腻子的抗压强度和抗折强度均呈下降趋势，但当HPS掺量超过0.06%时，腻子强度的下降趋缓。其原因有以下几点：一方面是当加入HPS后，腻子在搅拌时，会混入更多的起泡，由于腻子变稠，且HPS具有较好的成膜性，包裹住气泡的膜的强度较高，这些气体不易排出，增大了腻子中的空隙数量，腻子密度减小，内部结构不如原来紧实；另一方面是HPS有良好的吸水性，其吸水膨胀后，扩大了腻子的体积，腻子胶凝材料中的间隙增大，而对腻子的硬度无实质贡献，这两方面原因都导致了腻子强度的下降[9]。

2.6 SEM分析

图6分别为未添加HPS和添加0.06%HPS腻子试件表面的SEM照片。

图6 腻子的扫描电子显微照片

从图6（a）、（b）可以看出，未掺HPS的腻子有很多小颗粒简单地堆积在一起，表面粗糙，这是因为构成腻子层主体骨架的水泥在水化过程中，大部分空间位置被水分占据，而其他胶凝材料在腻子骨架中填充的不够均匀，随着水分挥发后，大量无规则地聚积在一起。从图6（c）、（d）可以看到，掺入HPS后，腻子的凝胶颗粒表面平整性好，整体骨架连接光滑，这是由于HPS的成膜性好，会在腻子的颗粒表面形成紧密的膜，将其包裹住，使填料充分接触，整合在一起。同时还可以看出，加入HPS 的腻子试件表面[图 6（c）、（d）]出现了许多分布较为均匀的孔洞，这是由于掺加HPS后腻子变稠，在搅拌中混入较多的空气，这些空气较难排出，最终腻子成型后形成孔洞，这也解释了掺加HPS后腻子的保水性增强，而抗压、折强度降低的原因[10]。

3 结论

（1）掺入羟丙基淀粉醚会增大水泥基腻子浆体的粘度，且随着掺量的增加腻子浆体的粘度先增大后趋于稳定。

（2）随着HPS掺量的增加，水泥基腻子浆体的流动度先减小后增大。选择适当的掺量可以改善腻子的施工性，满足实际工程施工需要。

（3）羟丙基淀粉醚会提高水泥基腻子浆体的保水性和粘结强度，延长表干时间，且随着添加量的增加，影响效果越明显。因此，在空气干热的地区也较为适用。但掺量过高会降低腻子的抗压和抗折强度，应根据实际施工情况，适量添加。

[1] 舒国志，谢贤军，李荣炜.建筑腻子应用现状及发展方向[J].广东建材，2012，28（4）：9-10.

[2] 张朝辉，张菁燕，杨江金，等.内墙耐水型干粉腻子的研究[J].涂料技术与文摘，2009（4）：16-18.

[3] 潘传章，卢泳.TA-600增稠剂的性能及其在建筑腻子中的应用[J].中国建材科技，2008（1）：60-60.

[4] 任秀全.聚合物改性水泥基复合材料及其在建筑中的应用[D].天津：天津大学，2007

[5] 王东.淀粉醚改性纤维素在保温砂浆中的应用研究[J].新型建筑材料，2013（7）：72-74.

[6] Feng X U.Development of new environmental friendship building putty powdered adhesive and its application[J].New Building Materials，2007（11）：72-74.

[7] 卞亚洲.高取代度羧甲基淀粉钠制备及其在砂浆中的应用[D].上海：华东理工大学，2011.

[8] 刘文斌，鞠宇飞.有机添加剂对黏结砂浆性能的影响[J].粉煤灰，2011，23（2）：35-37.

[9] Metalssi O O，Aït-Mokhtar A，Turcry P，et al.Consequences of carbonation on microstructure and drying shrinkage of a mortar with cellulose ether[J].Construction and Building Materials，2012，34：218-225.

[10] Wang P，Zhao G，Zhang G.Research progress on microstructure of polymer cement concrete[J].Journal of The Chinese Ceramic Society，2014，42（5）：653-660.