防水卷材作为一种常用的建筑防水材料,被广泛应用于各种建筑工程中。其中,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性沥青防水卷材是当前研究较广的建筑防水材料,其以高强度无纺布作为胎基层,采用SBS热塑性弹性体改性沥青作为浸涂材料,所制得的防水卷材具有优异的不透水性、耐高低温性、高延展性、强拉伸性以及便于施工等优点,在复杂环境下也能发挥出良好的防水效果。

对于防水卷材而言,潮湿条件下防水卷材在混凝土基面的粘接性能是非常重要且亟待突破的性能指标。由于沥青基的高分子防水卷材在成型过程中常常加入增塑剂、残留单体和降解物等很容易使得表面变得极性较小,从而导致材料的润湿性、极性变小,难以粘接。

等离子处理是近年来发展得很快的一种材料表面改性技术。等离子体由电子、离子和中性粒子等组成,被称为第四态,由于其正负电荷相等因此称为等离子体。通过高能电场产生带电粒子、激发态粒子、自由基等高能等离子体,轰击材料表面,使材料表面的物理化学性质发生改变,同时不改变材料的内部性质。该方法常常被用于改变材料官能团、比表面积等性质,进而改善材料表面的粘接性、亲水性等,拓展材料的适用范围。

本文以反应粘结型防水卷材为研究对象,利用等离子体处理技术系统研究了不同等离子体氛围、处理时长下防水卷材表面的化学官能团改性情况,利用XPS、红外光谱以及接触角等仪器观察其表面的极性、亲疏水性以及官能团情况的变化。

等离子体处理改性

利用等离子体处理技术,对防水卷材表面进行氮气、氧气和空气3种气氛,及10~90s处理时长的化学改性,并对处理后防水卷材的表面进行表征及剥离强度测试。

扫描电镜表征(见图1)

由图1可见,空气和氧气等离子体处理90s后的防水卷材表面无明显变化,但经过轰击力较强的氮气等离子体处理90s后,防水卷材表面出现明显的褶皱。

图1 不同等离子气氛90 s处理时长后防水卷材的微观表面

X射线光电子能谱(见图2)

由图2可见,不同气氛等离子体处理过后的防水卷材表面呈现不同特点,氮气等离子体处理后,399eV和401eV处的特征峰,证明N—H键和N—O键的出现;氧气等离子体处理后,531eV的羰基氧特征峰及532.5eV的羟基特征峰表明包括—OH、—COOH等在内含氧极性官能团的存在,这将有利于防水卷材表面亲水性和粘接性能的提高。空气等离子体处理后同时出现的氨基、羰基和羟基特征峰,证明了空气等离子体的全面性。等离子体处理后防水卷材表面出现不同的功能性化学基团,为后续其在混凝土表面粘接性能的提高奠定了基础。

图2 不同等离子气氛处理后防水卷材表面X射线光电子能谱

红外光谱(见图3)

由图3可见,氮气等离子体处理的防水卷材表面3400cm-1左右处的吸收峰有一定的增强,这表明—NH2官能团的增多,与XPS数据相吻合;氧气等离子体处理的防水卷材表面的红外吸收光谱在1090、1050、881、1760cm-1处波段吸收峰的增强,即—C—O—的伸缩振动、—C—O—的弯曲振动,及C=O的伸缩振动峰强度的提高,证明相应羟基及羧基等极性基团增多。空气等离子体处理的防水卷材表面—OH、—COOH、—NH2等基团的特征吸收强度均有提高。因此,再次证明了等离子体气氛处理后的防水卷材表面出现了新的化学基团。

图3 不同等离子气氛及处理时长后防水卷材表面的红外吸收光谱

接触角(见图4)

由图4可见,3种气氛处理后,防水卷材表面的亲水性相较于未处理前均有提高,且处理时间越长,亲水性提升越大。空气等离子体处理后的接触角变化最明显,处理90s后样品表面的接触角从95°减小至15°,表明防水卷材表面由轻微疏水变为处理后的十分亲水。氧气等离子体处理90s后样品表面的接触角为50°左右,表明防水卷材表面变得较为亲水。而经氮气等离子体处理90s后样品表面的接触角为72°,亲水性相较于未处理样品有轻微提高,变得轻微亲水。因由氧气或空气等离子体处理后,可带来较多的—OH和—COOH,故防水卷材表面的亲水性有较明显的提高;氮气处理以物理轰击为主,同时带来一定—NH2官能团的增加,因此亲水性提高程度有限。

图4 不同等离子气氛及处理时长后防水卷材表面的接触角

等离子体表面处理后剥离性能的变化

由表1可见,与无处理相比,3种气氛等离子体处理后防水卷材与混凝土均有所提高。其中,空气气氛处理后的防水卷材与混凝土的最大剥离力提高最明显,由未处理的142N提高至184N;氮气气氛处理后的防水卷材与混凝土的最大剥离力提高至168N;氧气气氛处理后的防水卷材与混凝土的最大剥离力提高有限,仅提高至153N。

利用等离子体对反应粘结型防水卷材进行多种气氛条件及多种时长下的处理,通过SEM、XPS、接触角及红外光谱,从宏观、微观以及分子层面验证了处理后卷材表面出现新的化学基团,且采用剥离试验证明了等离子体处理后的防水卷材与混凝土表面粘接力提高,印证了对缺少官能团及极性较小的防水卷材表面进行等离子处理后所带来的高极性、亲水性以及富官能团特点,是提高防水卷材粘接性的关键所在。