高性能热塑性聚烯烃防水卷材的研究进展和展望

王录吉

（广州大禹防漏技术开发有限公司）

热塑性聚烯烃弹性体（TPO）防水卷材是一种新型高分子防水卷材，主要由聚烯烃、橡胶（如乙丙橡胶等）以及各种添加剂复合而成，其主要成分为碳氢化合物，不含双键和其它化学元素，兼具了第一代三元乙丙橡胶（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，综合性能优异。因此，制备高性能耐老化热塑性聚烯烃弹性体（TPO）单层屋面防水卷材，进一步提高产品质量和延长其使用寿命，发展其产业化关键技术，是目前国内外建筑防水行业最新的研究和发展方向，意义重大[1-3]。

1 热塑性聚烯烃防水卷材发展现状

20 世纪80 到90 年代，随着由欧美引进的单层屋面系统在国内快速发展，我国开始引进三元乙丙（EPDM）橡胶防水卷材，其具有优异的耐侯性，但由于其搭接缝施工质量难以得到保障，许多工程隐患由此产生。随后，国内出现了聚氯乙烯（PVC）防水卷材，采用热风焊接搭接缝，成功解决了卷材搭接的问题。但是PVC 卷材的柔韧性主要依赖增塑剂，长期使用存在着增塑剂迁移老化的问题，从而导致卷材性能迅速降低，最终丧失使用价值，且PVC 卷材含有氯元素、重金属等污染风险。近年来，以热塑性聚烯烃弹性体（TPO）防水卷材为代表的第三代单层屋面防水系统开始出现，它结合了前面两代产品的优势，能够有效地解决各种使用环境的工程渗漏问题，被列为国家建设部重点发展对象。与传统的沥青防水卷材相比，TPO 防水卷材具有无污染、寿命长、可回收、反射节能等诸多优点，日益引起人们的重视。例如，2008 年北美TPO 屋面系统的市场占有率超过了EPDM屋面系统，已居北美屋面市场第一位（市场占有率约21%）。此后，TPO 防水卷材在市场中继续保持上升势头，截至2013 年底，其在美国单层屋面市场占比达37%，成为应用最广泛的高分子防水卷材，每年使用面积在1亿平方米以上，市场规模巨大[4]。

TPO 防水卷材由于代表的是一种高端、环保的新型防水卷材，其优异的耐老化性、耐侯性、易焊接性在欧美、日等国被广泛应用于屋面系统。目前，国外著名品牌有：凡士通、西卡、卡莱尔、陶氏、杰斯曼等。在欧美及日本市场，TPO 防水卷材的市场占有率早已超过PVC 及EPDM 防水卷材。在美国市场，2011～2012 年新建平屋面建筑市场中，TPO 是首选材料，占份额为29%，同时在翻新屋面市场中TPO 也成为首选材料，占份额25.6%。在欧洲市场，德国的卷材屋面市场约1 亿平方米，其中单层屋面占34%。在34%的单层屋面中PVC 占8%、TPO 占16%，显然TPO 市场增速快于PVC。在日本市场，2010 年合成高分子卷材产品施工面积达29%，其中2011 年TPO单层屋面市场较2010 年增速提高了2.3%。

然而，目前我国这类高分子防水卷材的生产技术和产品质量十分落后，大约仅相当于欧美、日等先进国家20～30 年前的水平，TPO 屋面防水卷材的耐老化性、耐侯性、耐开裂性及焊接性等较国外还存在较大差距，严重影响了产品的推广使用。事实上，相关技术在国外一直是被严格保密，在国内也没有公司和研究机构能够掌握。如果这种情况继续延续下去，国内的高分子防水卷材将只能长久处于行业的底端，这对我国建设创新型大国战略是很不利的。因此，开展在苛刻环境条件下高性能防水卷材的技术研发具有重大战略意义、广泛市场空间和巨大商业价值。

2 热塑性聚烯烃防水卷材存在的主要问题

由于户外工作环境条件十分恶劣，如何进一步提高热塑性聚烯烃弹性体（TPO）防水卷材的耐候抗老化能力，改善相关产品的施工性能，已成为行业中这类防水卷材推广应用至关重要的课题。

热塑性聚烯烃弹性体（TPO）防水卷材在使用时，通常是直接铺设在建筑物保温层的表面，之后采用热焊接的方式均匀牢固地将相邻的防水卷材焊接在一起，形成一个整体。在实际使用过程中，防水卷材需要经受日晒雨淋、严寒酷暑的高低温和紫外线户外环境考验，同时也需要阻燃以免成为建筑物火灾的薄弱环节。另外，从施工的角度来看，防水卷材的热焊接工艺既要操作简单快捷、也要焊接处持久可靠。

由于热塑性聚烯烃弹性体TPO 防水卷材对产品的性能、品质要求很高，并需要原材料、压延、施工工艺等几个方面有很好的配合，才能制造出合格的产品。此类产品制造技术一直为欧美和日本等少数国外公司垄断，并作为国家重要战略技术优势，设置了高度的保密性。长期以来，我国国内使用的热塑性聚烯烃弹性体TPO 防水卷材材料基本都依靠进口，且价格昂贵。国内部分厂家生产的产品质量差、性能不达标，批次稳定性差，应用受限。

近年来，由于国内经济、技术的快速发展，以及产业链大转移的趋势所致，国内热塑性聚烯烃弹性体TPO 防水卷材制造产业开始逐渐能够进行资源整合，从而迈入快速发展的阶段，但由于此类产品的制造技术本身的技术难度较高，虽然相关生产设备可以购买得到，但要能够生产出质量好、性能稳定、可以与国外高端产品媲美的产品，还需要艰苦的努力探索。目前，国内仍然处于产品研发、制造的初级探索阶段，而最大的制约因素表现为产品的长期使用抗老化能力不足。

基于这一点，开发性能稳定，价格适中的高性能耐老化热塑性聚烯烃弹性体TPO 防水卷材产品，已迫在眉睫，一旦开发成功，不仅具有很高的商业价值，同时还对促进建筑防水行业的发展起到至关重要的推动作用。

3 热塑性聚烯烃防水卷材关键技术

热塑性聚烯烃TPO 防水卷材的主要组成是：TPO 树脂、填料、抗氧剂、抗紫外线剂、阻燃剂、颜料、增强织物等，其中抗氧剂、抗紫外线剂、阻燃剂对最终产品的耐候性和阻燃性起决定性作用，然而众多助剂的加入，由于相容性问题，会降低高分子材料的加工性能和产品的力学性能，同时部分小分子助剂会随使用时间的延长而迁移至产品表面。因此，设计过程中可将各种阻燃剂、抗氧剂、抗紫外线剂进行包裹，一方面提高各种助剂在高分子材料基体中的分散以及增加它们与基体大分子的接触几率，有利于发挥功效，提高效率，减少助剂实际用量，另一方面可以极大限制助剂的迁移、增加使用稳定性。

热塑性聚烯烃防水卷材中TPO 树脂的主体大分子组成决定了防水卷材的基本性能，目前国内防水卷材生产厂家所用TPO 树脂的主体结构均由树脂生产厂家确定，这就导致生产出来的防水卷材性能的可调性太差。因此，要想实现应用性能的提高和突破，必须从源头上对TPO 树脂进行特定的设计和加工。

热塑性聚烯烃防水卷材需通过螺杆挤出机熔融塑化共混加工而成，而螺杆挤出机中的螺杆组合设计对塑化效果、混合分布分散效果等影响较大，如对螺杆组合剪切力的大小设计，会影响材料的混炼效果及TPO 负载型功能助剂的分散分布效果。输送混合的合理设计和使用，可以使TPO 混合物料沿螺杆挤出方向产生有效更迭，形成较好的几何流型，物料获得更加充分的分散和分布混合，因此，有必要对螺杆组合设计展开系统的研究，确定最佳的组合工艺。

4 总结与展望

近年来，建筑防水行业在“低碳”这一全球化发展趋势的推动下，正朝着“节能、节材、绿色、减排”的目标迈进，建筑防水关系到建筑安全、民生工程、环境保护等方方面面，如何让建筑物的防水做得更好，已成为各界十分关注的课题。

整体来说，建筑防水材料行业单纯的营收数据较好，增长平稳，这都与大环境的经济快速增长密切相关。由于工业建筑的大兴建以及钢结构的快速发展，建筑物寿命及质量要求不断提高，高端、环保的TPO 防水卷材即将迎来大繁荣时期，同时汽车、烟草、造纸、食品、电子、医药、纺织、化工、物流、仓储及航空航天等领域的厂房和构筑物的排水构造复杂，对屋面防水要求极高，正是TPO 防水卷材的市场份额提高的良好时机。

建筑防水材料作为一项直接涉及建筑节能的产品和技术，在节能降耗方面将带来重要的发展变革。未来防水材料的发展将趋向“多功能一体化”或“功能系统化”。高性能热塑性聚烯烃弹性体TPO 防水卷材，主要应用于一般工业与民用建筑屋面及各类基础设施，特别适用于各类单层屋面、暴露屋面，如彩钢、压型钢板屋面、大型场馆屋顶等，直接暴露于外表，成果推广和产业化前景十分广阔。