高分子材料在建筑行業中的應用

張恩寧

（上海第二工業大學，上海 浦東 201209）

0 引言

建筑材料的種類非常豐富，從使用歷史最悠久的天然材料（木材、石材）以及無機材料（水泥、砂漿、磚塊）到有百年歷史的有機材料，都在建筑材料領域得以廣泛的應用，建筑業的進步與多樣化的建筑材料密不可分。高分子材料的應用使得建筑材料的功能不斷擴展和完善。

1 高分子材料的基本特性

高分子材料也稱為聚合物材料，它是一類以高分子化合物為基體，再配以其他添加劑所構成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復合材料。高分子材料相對于小分子，具有顯著的特征，一是分子量大，一般在10000以上，二是分子量分布具有多分散性，高分子化合物在聚合過程后，變成了不同分子量大小的許多高聚物的混合物。高分子材料具有防水、隔音、質量輕、耐磨、耐腐蝕、易加工等特點，同時在美觀性、抗酸堿腐蝕性、電絕緣性等實用性能上表現優異。因此高分子材料在建筑材料領域得以廣泛應用。

2 建筑行業中常用的高分子材料

建筑行業中常用的高分子材料包括塑料、涂料等。通常塑料由合成樹脂、填料、增塑劑、固化劑、著色劑、穩定劑等組成[1]。聚合物建筑涂料可用于建筑材料各個局部，如外墻、內墻、地板、天花板和屋頂，使得建筑產品表層得到連續致密的涂膜，起到保護材料產品、美化環境的功能。常見用于建筑的涂料可以分為阻燃性涂料（阻燃功能型）、防水性涂料（防水外漆）、隔熱性涂料（保溫功能）、殺菌涂料、防冰涂料。還可以應用于砂漿改性、瀝青粘結劑、混凝土聚合物、纖維增強復合材料。

涂料等高分子材料在建筑材料中的應用量非常巨大，即使在建筑不景氣的年份里仍然有1300萬噸以上的應用量。根據Global Market Insights 公司發布的最新市場研究報告，全球建筑復合材料市場規模將在2025年突破650億美元。

3 高分子材料的應用選擇

3.1 防火涂料的選擇

防火涂料在建筑材料的應用中發揮了重要功能[2]。城市的規模在快速發展，住宅及商業大廈高層化趨勢明顯，發生火災的隱患不斷增長，因此人們對于建筑物的阻燃設計關注度越來越高[3]。防火涂料的應用可以提高建筑物材料的耐火性，減緩火勢的蔓延，從而為滅火提供時間。

常見的防火涂料可分為非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料。非膨脹型防火涂料，通常以聚合物合成樹脂摻雜鹵素、磷、氮等不可燃物質，這種涂料的使用不會使基體產生膨脹現象，在高溫下會發生化學反應，并分解出不活潑氣體稀釋助燃氣體，同時產生大量的煙塵；這種防火涂料熱導率較低，能承受較大的火勢；但厚度較厚，會影響施工的成本，有礙美觀，同時也對涂料的粘結能力提出了更高的要求。膨脹型防火涂料的阻燃結構常見體系是P-N-C的阻燃結構體系，P是指聚磷酸銨，N是指三聚氰胺，C是指季戊四醇。膨脹型防火涂料對燃燒的阻礙是分步進行的，首先膨脹碳層自身是難燃結構，在高溫下會對燃燒起到阻礙作用，同時碳層也阻礙了在燃燒過程產生的熱量和顆粒物擴散，隔絕了可燃氣體，最終在成碳反應中產生水分，水分進行蒸發吸熱，也會阻礙燃燒反應的進行。

3.2 高分子防水涂料的選擇

高分子防水涂料[4]是廠房屋頂或隧道道路等建筑經常使用的一種重要防水材料。防水涂料中的膜基體可以在建材表面形成致密連續的層結構，從而達到防水的要求。

高分子防水涂料主要包括合成高分子類防水涂料、聚合物水泥類防水涂料、改性瀝青類防水涂料等。合成高分子類防水涂料主要為聚氨酯防水涂料，具有環境適應性強，操作便捷，涂料成膜后粘接性能好，防水性能好，耐酸堿侵蝕及抗老化性能好等特點，擁有成熟的行業標準，滿足大部分場所的防水性能要求。

聚合物水泥類防水涂料是由聚合物乳液、水泥和無機填料等組成，聚合物乳液的百分含量會依據使用場景不同略有差異。

改性瀝青類防水涂料的產生，是由于瀝青具有優異的防水性能和耐久性能。聚合物瀝青密封材料是瀝青、礦物填料和聚合物的混合物[5]，幾乎所有的聚合物都是用彈性體或塑性體改性的，其中彈性體通常是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，塑性體通常是無規聚丙烯聚合物。

建筑防水材料除具有建筑防水功能之外，還有耐沾污性、防粘附性、防腐蝕性和自清潔性等功能。將丙烯酸、氟化材料等單體制成聚合物材料，利用其制備具有這些性能的涂料是最有效和最廉價的方法。

防水涂料可以構建出一個疏水表面，疏水表面形成的關鍵是低的表面能和表面的微觀結構。聚合物基體與無機納米粒子的結合或原位聚合已被廣泛研究，可以用來促進防水涂料的發展。添加無機納米粒子，可以改善聚合物基體的防水性、機械性、熱性、電性、光學性或粘合性，以及賦予一些其他的功能特性。

3.3 其他功能性高分子材料的選擇

高分子材料不僅可用在防火和防水涂料領域，還有許多其他種類的功能型涂料，如具有自愈合功能涂料、隔熱涂料、抗冰涂料、防侵蝕涂料和防腐涂料，這些涂料也在建筑材料領域發揮了巨大的作用。

（1）砂漿是用來把陶瓷磚固定在不同基材上的傳統材料[6]，高分子聚合物可以顯著改善粘結砂漿的剛度和柔韌性[7]。通過增加高分子聚合物的添加比例可以發現，當粘結砂漿的硬度越低時，柔性越好。高分子聚合物的玻璃化轉變溫度和聚合物的乳化劑會對砂漿的性能產生顯著影響，通常情況下，聚合物玻璃化轉變溫度越低，砂漿的楊氏模量也會越低。此外，高分子聚合物還有助于提高砂漿的使用穩定性，改善諸如保水性、可加工性、機械性能、結合強度和疏水性等性能。

（2）瀝青粘結劑[8]一直作為建筑材料被使用在建筑業的各個領域，全球市場十分巨大。由于道路建設的飛速發展，交通運輸的需要以及環境保護的更高要求，需要對瀝青粘結劑進行改性設計，以適應路面和施工領域的發展。國內外主要使用不同類型的添加劑和改性劑對瀝青結合料進行改性，以提高瀝青的性能。近十年來，高分子聚合物改性技術越來越創造性地應用在瀝青路面領域中，但是改性后瀝青粘結劑會在高溫下變得不穩定，不利于在高溫條件下的長時間儲藏，因此高分子聚合物的添加比例及結構設計成為一個非常迫切的課題。

（3）聚合物混凝土[9]具有優異的耐腐蝕及機械強度，相較于傳統的水泥混凝土具有很多的優勢，例如耐摩擦磨損、耐化學侵蝕、防水性好、電絕緣性高、機械強度高等，也具有更廣泛的應用空間，可以應用在堤壩、水庫、橋面、路面等場景。可以利用聚合物混凝土對地面材料（如水泥）進行處理，從而提升基材的性能，得到綜合性能優秀的聚合物水泥；可以針對聚合物、混凝土兩種材料不同的性能特點及優勢進行結構設計，優化機械性能得到更好的復合基體材料；還可以直接利用聚合物混凝土基體代替瀝青等地面材料。除了普通聚合物制備混凝土，還有團隊在研發生物聚合物混凝土，生物聚合物是指由生物生產得到的聚合物，這種特性決定了它的成本較為低廉，并且具備可降解性，因此具有一定的研究前景。

（4）纖維增強復合材料[10]也在建筑行業中得到了越來越廣泛的應用，纖維增強復合材料是一種由樹脂基體、纖維當作增強體，經過模壓等成型方式制備而成的一種復合材料。基體樹脂材料的選擇有很多種，例如環氧樹脂等。纖維的選擇也是多種多樣的，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。纖維增強復合材料具有模塊化好、耐疲勞、耐腐蝕、抗裂變形好、保溫性高以及設計自由度高等優良性能，可以探索其在國內建筑材料領域的發展空間。目前對于纖維增強復合材料的應用尚處在試驗階段，想要進一步推廣還需要對其結構設計以及性能測試標準進行進一步的研究。纖維增強復合材料也存在一些問題：首先就是相較于混凝土材料易于燃燒，如果加入阻燃劑，又會由于阻燃體系大多含有鹵素，可能會帶來環境污染，同時阻燃劑的大量使用也會增加成本；再者是纖維增強復合材料由于儀器設備及生產線依賴國外進口，采購價格過高導致材料成本上升，不解決市場價格問題，纖維增強復合材料在建筑行業中也不可能得到廣泛應用；最后是質量標準體系并沒有完全確立，國內的纖維增強復合材料相較于國際先進水平差距較大，制備過程、制備工藝、性能研發等環節均需要完善，設計、制備、檢測、評價過程中的質量標準體系仍未建立、健全，這會給工程的建設帶來很大的不安全因素。因此需要盡快建立、健全完善的質量標準體系。在解決了這些問題后，纖維增強復合材料在建筑材料中依然具有廣闊的應用空間。

4 結束語

高分子材料具有設計自由度高、應用范圍廣、輕質高強、加工性能優異、耐酸堿侵蝕性能好等特點。因此，無論是向高分子材料中添加各種類型的添加劑后，作為基材運用在建筑材料領域，還是高分子材料作為功能性添加劑，添加到傳統建筑材料如混凝土和砂漿中，與傳統建筑材料相比，都表現出一定的優勢。本文主要介紹了幾種典型的高分子聚合物在建筑材料中的應用，并簡單分析了其應用場景及發展空間。隨著技術的進步，期望在建筑行業以及高分子材料領域相關人員的共同努力下，研發出更多高分子型建筑材料，促進建筑材料技術及行業的發展。