高性能熱塑性聚烯烴防水卷材的研究進展和展望

王錄吉

（廣州大禹防漏技術(shù)開發(fā)有限公司）

熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）防水卷材是一種新型高分子防水卷材，主要由聚烯烴、橡膠（如乙丙橡膠等）以及各種添加劑復(fù)合而成，其主要成分為碳氫化合物，不含雙鍵和其它化學(xué)元素，兼具了第一代三元乙丙橡膠（EPDM）防水卷材的耐侯性和第二代聚氯乙烯（PVC）防水卷材的可焊接性，綜合性能優(yōu)異。因此，制備高性能耐老化熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）單層屋面防水卷材，進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和延長其使用壽命，發(fā)展其產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，是目前國內(nèi)外建筑防水行業(yè)最新的研究和發(fā)展方向，意義重大[1-3]。

1 熱塑性聚烯烴防水卷材發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 到90 年代，隨著由歐美引進的單層屋面系統(tǒng)在國內(nèi)快速發(fā)展，我國開始引進三元乙丙（EPDM）橡膠防水卷材，其具有優(yōu)異的耐侯性，但由于其搭接縫施工質(zhì)量難以得到保障，許多工程隱患由此產(chǎn)生。隨后，國內(nèi)出現(xiàn)了聚氯乙烯（PVC）防水卷材，采用熱風(fēng)焊接搭接縫，成功解決了卷材搭接的問題。但是PVC 卷材的柔韌性主要依賴增塑劑，長期使用存在著增塑劑遷移老化的問題，從而導(dǎo)致卷材性能迅速降低，最終喪失使用價值，且PVC 卷材含有氯元素、重金屬等污染風(fēng)險。近年來，以熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）防水卷材為代表的第三代單層屋面防水系統(tǒng)開始出現(xiàn)，它結(jié)合了前面兩代產(chǎn)品的優(yōu)勢，能夠有效地解決各種使用環(huán)境的工程滲漏問題，被列為國家建設(shè)部重點發(fā)展對象。與傳統(tǒng)的瀝青防水卷材相比，TPO 防水卷材具有無污染、壽命長、可回收、反射節(jié)能等諸多優(yōu)點，日益引起人們的重視。例如，2008 年北美TPO 屋面系統(tǒng)的市場占有率超過了EPDM屋面系統(tǒng)，已居北美屋面市場第一位（市場占有率約21%）。此后，TPO 防水卷材在市場中繼續(xù)保持上升勢頭，截至2013 年底，其在美國單層屋面市場占比達37%，成為應(yīng)用最廣泛的高分子防水卷材，每年使用面積在1億平方米以上，市場規(guī)模巨大[4]。

TPO 防水卷材由于代表的是一種高端、環(huán)保的新型防水卷材，其優(yōu)異的耐老化性、耐侯性、易焊接性在歐美、日等國被廣泛應(yīng)用于屋面系統(tǒng)。目前，國外著名品牌有：凡士通、西卡、卡萊爾、陶氏、杰斯曼等。在歐美及日本市場，TPO 防水卷材的市場占有率早已超過PVC 及EPDM 防水卷材。在美國市場，2011～2012 年新建平屋面建筑市場中，TPO 是首選材料，占份額為29%，同時在翻新屋面市場中TPO 也成為首選材料，占份額25.6%。在歐洲市場，德國的卷材屋面市場約1 億平方米，其中單層屋面占34%。在34%的單層屋面中PVC 占8%、TPO 占16%，顯然TPO 市場增速快于PVC。在日本市場，2010 年合成高分子卷材產(chǎn)品施工面積達29%，其中2011 年TPO單層屋面市場較2010 年增速提高了2.3%。

然而，目前我國這類高分子防水卷材的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量十分落后，大約僅相當(dāng)于歐美、日等先進國家20～30 年前的水平，TPO 屋面防水卷材的耐老化性、耐侯性、耐開裂性及焊接性等較國外還存在較大差距，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的推廣使用。事實上，相關(guān)技術(shù)在國外一直是被嚴(yán)格保密，在國內(nèi)也沒有公司和研究機構(gòu)能夠掌握。如果這種情況繼續(xù)延續(xù)下去，國內(nèi)的高分子防水卷材將只能長久處于行業(yè)的底端，這對我國建設(shè)創(chuàng)新型大國戰(zhàn)略是很不利的。因此，開展在苛刻環(huán)境條件下高性能防水卷材的技術(shù)研發(fā)具有重大戰(zhàn)略意義、廣泛市場空間和巨大商業(yè)價值。

2 熱塑性聚烯烴防水卷材存在的主要問題

由于戶外工作環(huán)境條件十分惡劣，如何進一步提高熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）防水卷材的耐候抗老化能力，改善相關(guān)產(chǎn)品的施工性能，已成為行業(yè)中這類防水卷材推廣應(yīng)用至關(guān)重要的課題。

熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）防水卷材在使用時，通常是直接鋪設(shè)在建筑物保溫層的表面，之后采用熱焊接的方式均勻牢固地將相鄰的防水卷材焊接在一起，形成一個整體。在實際使用過程中，防水卷材需要經(jīng)受日曬雨淋、嚴(yán)寒酷暑的高低溫和紫外線戶外環(huán)境考驗，同時也需要阻燃以免成為建筑物火災(zāi)的薄弱環(huán)節(jié)。另外，從施工的角度來看，防水卷材的熱焊接工藝既要操作簡單快捷、也要焊接處持久可靠。

由于熱塑性聚烯烴彈性體TPO 防水卷材對產(chǎn)品的性能、品質(zhì)要求很高，并需要原材料、壓延、施工工藝等幾個方面有很好的配合，才能制造出合格的產(chǎn)品。此類產(chǎn)品制造技術(shù)一直為歐美和日本等少數(shù)國外公司壟斷，并作為國家重要戰(zhàn)略技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)置了高度的保密性。長期以來，我國國內(nèi)使用的熱塑性聚烯烴彈性體TPO 防水卷材材料基本都依靠進口，且價格昂貴。國內(nèi)部分廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差、性能不達標(biāo)，批次穩(wěn)定性差，應(yīng)用受限。

近年來，由于國內(nèi)經(jīng)濟、技術(shù)的快速發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)鏈大轉(zhuǎn)移的趨勢所致，國內(nèi)熱塑性聚烯烴彈性體TPO 防水卷材制造產(chǎn)業(yè)開始逐漸能夠進行資源整合，從而邁入快速發(fā)展的階段，但由于此類產(chǎn)品的制造技術(shù)本身的技術(shù)難度較高，雖然相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備可以購買得到，但要能夠生產(chǎn)出質(zhì)量好、性能穩(wěn)定、可以與國外高端產(chǎn)品媲美的產(chǎn)品，還需要艱苦的努力探索。目前，國內(nèi)仍然處于產(chǎn)品研發(fā)、制造的初級探索階段，而最大的制約因素表現(xiàn)為產(chǎn)品的長期使用抗老化能力不足。

基于這一點，開發(fā)性能穩(wěn)定，價格適中的高性能耐老化熱塑性聚烯烴彈性體TPO 防水卷材產(chǎn)品，已迫在眉睫，一旦開發(fā)成功，不僅具有很高的商業(yè)價值，同時還對促進建筑防水行業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的推動作用。

3 熱塑性聚烯烴防水卷材關(guān)鍵技術(shù)

熱塑性聚烯烴TPO 防水卷材的主要組成是：TPO 樹脂、填料、抗氧劑、抗紫外線劑、阻燃劑、顏料、增強織物等，其中抗氧劑、抗紫外線劑、阻燃劑對最終產(chǎn)品的耐候性和阻燃性起決定性作用，然而眾多助劑的加入，由于相容性問題，會降低高分子材料的加工性能和產(chǎn)品的力學(xué)性能，同時部分小分子助劑會隨使用時間的延長而遷移至產(chǎn)品表面。因此，設(shè)計過程中可將各種阻燃劑、抗氧劑、抗紫外線劑進行包裹，一方面提高各種助劑在高分子材料基體中的分散以及增加它們與基體大分子的接觸幾率，有利于發(fā)揮功效，提高效率，減少助劑實際用量，另一方面可以極大限制助劑的遷移、增加使用穩(wěn)定性。

熱塑性聚烯烴防水卷材中TPO 樹脂的主體大分子組成決定了防水卷材的基本性能，目前國內(nèi)防水卷材生產(chǎn)廠家所用TPO 樹脂的主體結(jié)構(gòu)均由樹脂生產(chǎn)廠家確定，這就導(dǎo)致生產(chǎn)出來的防水卷材性能的可調(diào)性太差。因此，要想實現(xiàn)應(yīng)用性能的提高和突破，必須從源頭上對TPO 樹脂進行特定的設(shè)計和加工。

熱塑性聚烯烴防水卷材需通過螺桿擠出機熔融塑化共混加工而成，而螺桿擠出機中的螺桿組合設(shè)計對塑化效果、混合分布分散效果等影響較大，如對螺桿組合剪切力的大小設(shè)計，會影響材料的混煉效果及TPO 負載型功能助劑的分散分布效果。輸送混合的合理設(shè)計和使用，可以使TPO 混合物料沿螺桿擠出方向產(chǎn)生有效更迭，形成較好的幾何流型，物料獲得更加充分的分散和分布混合，因此，有必要對螺桿組合設(shè)計展開系統(tǒng)的研究，確定最佳的組合工藝。

4 總結(jié)與展望

近年來，建筑防水行業(yè)在“低碳”這一全球化發(fā)展趨勢的推動下，正朝著“節(jié)能、節(jié)材、綠色、減排”的目標(biāo)邁進，建筑防水關(guān)系到建筑安全、民生工程、環(huán)境保護等方方面面，如何讓建筑物的防水做得更好，已成為各界十分關(guān)注的課題。

整體來說，建筑防水材料行業(yè)單純的營收數(shù)據(jù)較好，增長平穩(wěn)，這都與大環(huán)境的經(jīng)濟快速增長密切相關(guān)。由于工業(yè)建筑的大興建以及鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，建筑物壽命及質(zhì)量要求不斷提高，高端、環(huán)保的TPO 防水卷材即將迎來大繁榮時期，同時汽車、煙草、造紙、食品、電子、醫(yī)藥、紡織、化工、物流、倉儲及航空航天等領(lǐng)域的廠房和構(gòu)筑物的排水構(gòu)造復(fù)雜，對屋面防水要求極高，正是TPO 防水卷材的市場份額提高的良好時機。

建筑防水材料作為一項直接涉及建筑節(jié)能的產(chǎn)品和技術(shù)，在節(jié)能降耗方面將帶來重要的發(fā)展變革。未來防水材料的發(fā)展將趨向“多功能一體化”或“功能系統(tǒng)化”。高性能熱塑性聚烯烴彈性體TPO 防水卷材，主要應(yīng)用于一般工業(yè)與民用建筑屋面及各類基礎(chǔ)設(shè)施，特別適用于各類單層屋面、暴露屋面，如彩鋼、壓型鋼板屋面、大型場館屋頂?shù)?，直接暴露于外表，成果推廣和產(chǎn)業(yè)化前景十分廣闊。