CN115257075A - 一种铜胎基耐根穿刺防水卷材 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，属于防水卷材技术领域，包括铜胎基，铜胎基的表面两侧涂覆有改性沥青层，改性沥青层的另一表面覆有聚乙烯膜，改性沥青层包括如下原料：基质沥青100份、软化剂7‑9份、SBS弹性体12‑15份、改性碳纳米管0.5‑0.6份、抗氧剂0.2‑0.3份。本发明的防水卷材以长纤聚酯胎和镀铜毡的复合物作为胎基，具备高密度以及高力学强度，实现机械阻根；并在胎基的两侧覆有改性沥青层，改性沥青层以基质沥青为基料，并加入SBS弹性体和改性碳纳米管，能够从物理以及化学多个层面实现耐根穿刺；得到的防水卷材具备优异的耐根穿刺性能，适用于有植被种植情况下防水、防渗漏、耐根穿刺的要求。

Description

一种铜胎基耐根穿刺防水卷材
技术领域
本发明属于防水卷材技术领域，具体地，涉及一种铜胎基耐根穿刺防水卷材。
背景技术
随着城市建设的不断扩大，如何合理化地运用屋顶面积已成为人们积极探索的一个领域。合理化运用屋顶面积包括在屋顶上构建花园、种植花卉、蔬菜、小灌木等绿色植物，可有效净化空气、改善和美化环境。构建屋顶花园首先需要解决防水问题，目前使用较多的是改性沥青防水材料，但其在使用中容易被植物的根系穿透，造成屋顶渗漏，严重的甚至会影响建筑物的结构。此外，在高速铁路、地铁、隧道、水利工程等大型高难度防水工程中，也往往容易由于植物根系的穿刺而出现防水层破损、强度不够、粘结不牢等安全事故和质量事故。
使用改性沥青作为主防水层的防水卷材，中间加有无纺布作为增强层，其防水性能较好，成本低，但是却不耐根刺，普通的改性沥青层容易被遗留在建筑物表面的颗粒刺穿，导致防水效能下降甚至丧失，造成渗漏。另外，传统的高分子防水卷材的耐根穿刺能力差，不能适应有植被种植情况下防水、防渗漏、耐根穿刺的特殊要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种铜胎基耐根穿刺防水卷材。
本发明的防水卷材以长纤聚酯胎和镀铜毡的复合物作为胎基，具备高密度以及高力学强度，从物理层面，实现机械阻根的效果；并在胎基的两侧覆有改性沥青层，改性沥青层以基质沥青为基料，并加入SBS弹性体和改性碳纳米管作为改性增强剂，其中的改性碳纳米管为表面化学接枝有有机分子链的碳纳米管，不仅能实现在基质沥青中的均匀分散，而且能够与SBS以及沥青分子相互作用，提升改性沥青层的稳定性和韧性；并且，碳纳米管表面接枝的有机分子链属于2-甲-4-氯丙酸-P衍生物，对植物根系生长具有一定的抑制作用，能够从化学层面起到阻根效果，使获得的改性沥青层能够从物理以及化学多个层面实现耐根穿刺效果；本发明获得的防水卷材具备优异的耐根穿刺性能，适用于有植被种植情况下防水、防渗漏、耐根穿刺的特殊要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，包括铜胎基，铜胎基的表面两侧涂覆有改性沥青层，改性沥青层的另一表面覆有聚乙烯膜；
其中，铜胎基是采用长纤聚酯胎和镀铜毡复合而成的胎基，它在力学性能方面的表现比长纤聚酯胎优异，因为在承受同样的外力的情况下，复合铜胎基是两种胎体共同受力，其也克服了单独采用以金属铜箔为胎基时导致的低温弯折引发裂口的问题；复合铜胎基具备高密度以及高力学强度，从物理层面，实现机械阻根的效果。
进一步地，所述改性沥青层包括如下重量份原料：基质沥青100份、软化剂7-9份、SBS弹性体（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）12-15份、改性碳纳米管0.5-0.6份、抗氧剂0.2-0.3份。
进一步地，所述软化剂为环烷油、芳烃油、石蜡油、机油、橡胶油中的一种或几种的组合。
进一步地，所述抗氧剂为抗氧剂1010。
进一步地，所述改性碳纳米管通过如下步骤制备：
S1、将碳纳米管置于锥形瓶中，然后加入混酸，于50℃水浴中超声处理6h，待混合物冷却至室温后加入去离子水稀释，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3-4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，研磨过200目筛，得到预处理碳纳米管；混酸为质量分数98%的浓硫酸与质量分数37.5%的浓盐酸按照体积比5:1复配得到的混合物；碳纳米管、混酸的用量之比为1g:12mL；
通过强酸对碳纳米管进行超声剪切和氧化处理，可以在碳纳米管表面引入羧基活性基团，为后续化学反应奠定反应位点；
S2、将3-氨基丙醇加入MES缓冲溶液中，并加入EDC（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）和NHS（N-羟基琥珀酰亚胺），充分振荡溶解，得反应溶液；按照固液比1g:10mL将预处理碳纳米管置于反应溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌反应6h，离心分离、并用去离子水洗涤3-4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，得到中间产物1；MES缓冲溶液的浓度为50mmol/L，3-氨基丙醇、MES缓冲溶液、EDC、NHS的用量之比为7.5g:250mL:0.96g:0.58g；
由于氨基的亲核性能强于醇羟基，因此，在EDC和NHS作用下，预处理碳纳米管表面的-COOH与3-氨基丙醇分子上的-NH2发生化学反应，获得中间产物1，具体反应过程如下所示（反应方程式中的
Figure DEST_PATH_IMAGE001
指代碳纳米管）：
Figure 57171DEST_PATH_IMAGE002
S3、将中间产物1超声分散于二氯甲烷中，加入对甲苯磺酸（催化剂）和环己烷（带水剂），搅拌混合均匀，然后加入乳酸，回流反应2h，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3-4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，得到中间产物2；中间产物1、二氯甲烷、对甲苯磺酸、环己烷、乳酸的用量之比为1g:20mL:52mg:0.05g:0.3g；
中间产物1分子上含有的-OH与乳酸分子上的-COOH发生酯化反应，获得中间产物2，反应过程如下所示：
Figure 36628DEST_PATH_IMAGE004
S4、向装有机械搅拌装置的三口烧瓶中加入中间产物2和甲苯，室温下超声分散10min后，加入对甲苯磺酰氯，继续室温下搅拌分散均匀，缓慢滴入三乙胺，滴加完成后，在室温下搅拌反应2h，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3-4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，获得中间产物3；中间产物2、甲苯、对甲苯磺酰氯、三乙胺的用量之比为100g:550mL:19.1g:16.8mL；
中间产物2分子上的-OH与对甲苯磺酰氯发生磺化反应，获得中间产物3；
Figure 878682DEST_PATH_IMAGE006
S5、向装有机械搅拌装置的三口烧瓶中加入中间产物3和DMF，室温下超声分散10min后，缓慢滴入4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液，于室温下搅拌反应2h，反应结束后离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3-4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，获得改性碳纳米管；中间产物3、DMF、4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液的用量之比为100g:50mL:100mL；4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液由4-氯-2-甲基苯酚、NaOH和DMF按照比例18.5g:5.2g:100mL混合后，在室温下搅拌1h制得；
在碱性条件下，中间产物3与4-氯-2-甲基苯酚发生醚化反应，获得改性碳纳米管，反应过程如下所示：
Figure 273892DEST_PATH_IMAGE008
获得的改性碳纳米管，其表面通过化学键合作用引入了有机分子链，能够改善碳纳米管与基质沥青的界面相容性，促进碳纳米管在改性沥青层中的均匀分散，使其更好的发挥力学增强、耐高低温性能增强等作用；改性碳纳米管表面引入的有机分子链，属于2-甲-4-氯丙酸-P衍生物，对植物根系生长具有一定的抑制作用，因此，其随着碳纳米管均匀分布于改性沥青层中，在化学层面起到阻根作用，提高改性沥青层的耐根穿刺性能；需要进一步说明的是，引入的有机分子链中含有氮杂原子、芳环，易于与沥青分子发生作用（氢键与偶极-偶极作用），使沥青分子的支链缠绕在碳纳米管上，进一步增强改性碳纳米管与基质沥青的相互作用，此外，碳纳米管与SBS也具有较强的相互作用，碳纳米管会围绕着或插入SBS分子中，从而增强SBS与沥青基质之间的相互作用力，提升沥青层的稳定性和韧性，稳定性和韧性越高，从物理层面来讲，耐根穿刺性能越高。
本发明的有益效果：
本发明的防水卷材以长纤聚酯胎和镀铜毡的复合物作为胎基，具备高密度以及高力学强度，从物理层面，实现机械阻根的效果；并在胎基的两侧覆有改性沥青层，改性沥青层以基质沥青为基料，并加入SBS弹性体和改性碳纳米管作为改性增强剂，其中的改性碳纳米管为表面化学接枝有有机分子链的碳纳米管，不仅能实现在基质沥青中的均匀分散，而且能够与SBS以及沥青分子相互作用，提升改性沥青层的稳定性和韧性；并且，碳纳米管表面接枝的有机分子链属于2-甲-4-氯丙酸-P衍生物，对植物根系生长具有一定的抑制作用，能够从化学层面起到阻根效果，使获得的改性沥青层能够从物理以及化学多个层面实现耐根穿刺效果；本发明获得的防水卷材具备优异的耐根穿刺性能，适用于有植被种植情况下防水、防渗漏、耐根穿刺的特殊要求。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
制备改性碳纳米管：
S1、将10g碳纳米管置于锥形瓶中，然后加入120mL混酸（100mL质量分数98%的浓硫酸与20mL质量分数37.5%的浓盐酸），于50℃水浴中超声处理6h，待混合物冷却至室温后加入去离子水稀释，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，研磨过200目筛，得到预处理碳纳米管；
S2、将7.5g的3-氨基丙醇加入250mL的MES缓冲溶液（50mmol/L）中，并加入0.96g的EDC（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）和0.58g的NHS（N-羟基琥珀酰亚胺），充分振荡溶解，得反应溶液；将10g预处理碳纳米管置于100mL反应溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌反应6h，离心分离、并用去离子水洗涤3次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，得到中间产物1；
S3、将10g中间产物1超声分散于200mL二氯甲烷中，加入0.52g对甲苯磺酸（催化剂）和0.5g环己烷（带水剂），搅拌混合均匀，然后加入3g乳酸，回流反应2h，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，得到中间产物2；
S4、向装有机械搅拌装置的三口烧瓶中加入10g中间产物2和55mL甲苯，室温下超声分散10min后，加入1.91g对甲苯磺酰氯，继续室温下搅拌分散均匀，缓慢滴入1.68mL三乙胺，滴加完成后，在室温下搅拌反应2h，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，获得中间产物3；
S5、向装有机械搅拌装置的三口烧瓶中加入10g中间产物3和5mL的DMF，室温下超声分散10min后，缓慢滴入10mL的4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液，于室温下搅拌反应2h，反应结束后离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，获得改性碳纳米管；4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液由18.5g的4-氯-2-甲基苯酚、5.2g的NaOH和100mL的DMF混合后，在室温下搅拌1h制得。
实施例2
制备改性碳纳米管：
S1、将20g碳纳米管置于锥形瓶中，然后加入240mL混酸（200mL质量分数98%的浓硫酸与40mL质量分数37.5%的浓盐酸），于50℃水浴中超声处理6h，待混合物冷却至室温后加入去离子水稀释，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，研磨过200目筛，得到预处理碳纳米管；
S2、将15g的3-氨基丙醇加入500mL的MES缓冲溶液（50mmol/L）中，并加入1.92g的EDC（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）和1.16g的NHS（N-羟基琥珀酰亚胺），充分振荡溶解，得反应溶液；将20g预处理碳纳米管置于200mL反应溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌反应6h，离心分离、并用去离子水洗涤4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，得到中间产物1；
S3、将20g中间产物1超声分散于400mL二氯甲烷中，加入1.04g对甲苯磺酸（催化剂）和1g环己烷（带水剂），搅拌混合均匀，然后加入6g乳酸，回流反应2h，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，得到中间产物2；
S4、向装有机械搅拌装置的三口烧瓶中加入20g中间产物2和110mL甲苯，室温下超声分散10min后，加入3.82g对甲苯磺酰氯，继续室温下搅拌分散均匀，缓慢滴入3.36mL三乙胺，滴加完成后，在室温下搅拌反应2h，离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3-4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，获得中间产物3；
S5、向装有机械搅拌装置的三口烧瓶中加入20g中间产物3和10mL的DMF，室温下超声分散10min后，缓慢滴入20mL的4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液，于室温下搅拌反应2h，反应结束后离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重，获得改性碳纳米管；4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液由9.25g的4-氯-2-甲基苯酚、2.6g的NaOH和50mL的DMF混合后，在室温下搅拌1h制得。
实施例3
制备改性沥青层料：
改性沥青层包括如下重量份原料：基质沥青100g、环烷油7g、SBS弹性体12g、改性碳纳米管0.5g、0.2g抗氧剂1010；
首先加入基质沥青、环烷油，充分搅拌并加热至170℃后，加入SBS弹性体、改性碳纳米管和抗氧剂1010，混合搅拌50min，获得改性沥青层料。
实施例4
制备改性沥青层料：
改性沥青层包括如下重量份原料：基质沥青100g、芳烃油8g、SBS弹性体13.5g、改性碳纳米管0.55g、0.25g抗氧剂1010；
首先加入基质沥青、芳烃油，充分搅拌并加热至175℃后，加入SBS弹性体、改性碳纳米管和抗氧剂1010，混合搅拌55min，获得改性沥青层料。
实施例5
制备改性沥青层料：
改性沥青层包括如下重量份原料：基质沥青100g、石蜡油9g、SBS弹性体15g、改性碳纳米管0.6g、0.3g抗氧剂1010；
首先加入基质沥青、石蜡油，充分搅拌并加热至180℃后，加入SBS弹性体、改性碳纳米管和抗氧剂1010，混合搅拌60min，获得改性沥青层料。
实施例6
一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，包括铜胎基，铜胎基的表面两侧涂覆有实施例3制得的改性沥青层料，形成改性沥青层，改性沥青层的另一表面覆有聚乙烯膜；
铜胎基是采用长纤聚酯胎和镀铜毡复合而成的胎基。
实施例7
一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，包括铜胎基，铜胎基的表面两侧涂覆有实施例4制得的改性沥青层料，形成改性沥青层，改性沥青层的另一表面覆有聚乙烯膜；
铜胎基是采用长纤聚酯胎和镀铜毡复合而成的胎基。
实施例8
一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，包括铜胎基，铜胎基的表面两侧涂覆有实施例5制得的改性沥青层料，形成改性沥青层，改性沥青层的另一表面覆有聚乙烯膜；
铜胎基是采用长纤聚酯胎和镀铜毡复合而成的胎基。
对比例1
将实施例6中的铜胎基换成长纤聚酯基，其余原料及制备过程不变，获得的防水卷材。
对比例2
将实施例6中的改性沥青层料换成普通沥青料，其余原料及制备过程不变，获得的防水卷材。
对实施例6-8和对比例1-2获得的防水卷材，进行如下性能测试：
防水性能测试按国家标准GB 18242-2008《弹性体改性沥青防水卷材》的测试方法进行；
阻根性能测试采用JC/T 1075-2008《种植屋面用耐根穿刺防水卷材》规定的考察植物根系是否穿透卷材的方法进行；
参照GB/T 328.8-2007《建筑防水卷材试验方法第8部分：沥青防水卷材拉伸性能》进行拉伸性能测试；
测得的结果如下表所示：
实施例6 实施例7 实施例8 对比例1 对比例2
不透水性（30min） 0.60MPa，不透水 0.60MPa，不透水 0.60MPa，不透水 0.45MPa，不透水 0.55MPa，不透水
耐根穿刺性能 根系少，无穿透点 根系少，无穿透点 根系少，无穿透点 根系少，出现少量穿透点 根系正常，出现少量穿透点
横向最大拉力/N·50mm<sup>-1</sup> 1335 1366 1348 1080 1260
纵向最大拉力/N·50mm<sup>-1</sup> 1315 1345 1332 1055 1250
由上表数据可知，本发明获得的防水卷材具有符合使用要求的防水性能，且具有优异的耐根穿刺性能以及拉伸性能；结合对比例1的数据，本发明选择使用的复合胎基，能够有效提升卷材的拉伸性能，从物理阻隔方面实现耐根穿刺性能；结合对比例2的数据可知，改性沥青层能实现耐根穿刺性能的提升，也能一定程度上提升卷材的防水性能。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，包括铜胎基，铜胎基的表面两侧涂覆有改性沥青层，改性沥青层的另一表面覆有聚乙烯膜，其特征在于，所述改性沥青层包括如下重量份原料：基质沥青100份、软化剂7-9份、SBS弹性体12-15份、改性碳纳米管0.5-0.6份、抗氧剂0.2-0.3份；
其中，所述改性碳纳米管通过如下步骤制备：
S1、将碳纳米管置于锥形瓶中，然后加入混酸，于50℃水浴中超声处理6h，待混合物冷却至室温后加入去离子水稀释，后处理，研磨过200目筛，得到预处理碳纳米管；
S2、将3-氨基丙醇加入MES缓冲溶液中，并加入EDC和NHS，充分振荡溶解，得反应溶液；按照固液比1g:10mL将预处理碳纳米管置于反应溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌反应6h，后处理，得到中间产物1；
S3、将中间产物1超声分散于二氯甲烷中，加入对甲苯磺酸和环己烷，搅拌混合均匀，然后加入乳酸，回流反应2h，后处理，得到中间产物2；
S4、向装有机械搅拌装置的三口烧瓶中加入中间产物2和甲苯，室温下超声分散10min后，加入对甲苯磺酰氯，继续室温下搅拌分散均匀，缓慢滴入三乙胺，滴加完成后，在室温下搅拌反应2h，后处理，获得中间产物3；
S5、向装有机械搅拌装置的三口烧瓶中加入中间产物3和DMF，室温下超声分散10min后，缓慢滴入4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液，于室温下搅拌反应2h，反应结束后，后处理，获得改性碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，其特征在于，后处理具体为：离心分离、并依次用乙醇和去离子水洗涤3-4次，最后于60℃真空烘箱中干燥至恒重。
3.根据权利要求1所述的一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，其特征在于，步骤S1中混酸为质量分数98%的浓硫酸与质量分数37.5%的浓盐酸按照体积比5:1复配得到的混合物；碳纳米管、混酸的用量之比为1g:12mL。
4.根据权利要求1所述的一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，其特征在于，步骤S2中MES缓冲溶液的浓度为50mmol/L，3-氨基丙醇、MES缓冲溶液、EDC、NHS的用量之比为7.5g:250mL:0.96g:0.58g。
5.根据权利要求1所述的一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，其特征在于，步骤S3中中间产物1、二氯甲烷、对甲苯磺酸、环己烷、乳酸的用量之比为1g:20mL:52mg:0.05g:0.3g。
6.根据权利要求1所述的一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，其特征在于，步骤S4中中间产物2、甲苯、对甲苯磺酰氯、三乙胺的用量之比为100g:550mL:19.1g:16.8mL。
7.根据权利要求1所述的一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，其特征在于，步骤S5中中间产物3、DMF、4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液的用量之比为100g:50mL:100mL；4-氯-2-甲基苯酚的DMF溶解液由4-氯-2-甲基苯酚、NaOH和DMF按照比例18.5g:5.2g:100mL混合后，在室温下搅拌1h制得。
8.根据权利要求1所述的一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，其特征在于，所述铜胎基是采用长纤聚酯胎和镀铜毡复合而成的胎基。
9.根据权利要求1所述的一种铜胎基耐根穿刺防水卷材，其特征在于，所述软化剂为环烷油、芳烃油、石蜡油、机油、橡胶油中的一种或几种的组合。
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