无碱玻纤胎基的应用研究

无碱玻纤胎基的应用研究美国佳斯迈威公司RubenG.Garcia早在二十世纪九十年代初期，中国就已经开始了以新型防水材料替代传统油毛毡的进程。在过去的十余年间，中国市场上先后出现了各种不同的沥青屋面防水材料，其中一些重要应用的产品与国外的同类产品极其相似。但与其它成熟市场或新兴市场相比，中国防水材料更新进程的一个比较明显的不同点在于以玻纤毡为胎基的品质防水卷材之用量甚低。直到最近，这种情况才开始有所转变。过去十余年间，中国在沥青瓦和防水卷材生产中开始大量采用玻纤毡，目睹中国防水行业的飞速发展，作为一个见证人，我应中国防水材料协会的邀请撰写并发表本论文，对此我深感荣幸。同时，我也愿借此机会，与广大的中国同行分享我过去二十年间在北美地区屋面防水行业的研究成果和工作经验，并将其视为我的责任和义务。正如大家所知，在广阔的全球沥青防水卷材市场上，品质优异的无碱玻纤毡（E-glassMat）被一致公认为是生产优质沥青屋面防水材料的最合适、也是最经济的胎基材料。无碱玻纤毡（E-glassMat）以其良好的加工性能、防水性能和杰出的性价比，奠定了其作为纸胎替代用材的牢固地位。那么，什么是无碱玻纤毡（E-glassMat）？它采用什么材料制成？又有哪些性能？它与有机毡有什么区别？与中碱玻纤毡（Ｃ-glassMat）或高碱玻纤毡（Ａ-glassMat）又有什么区别？这些性能上的差异对于采用不同胎基生产的沥青屋面防水材料有什么影响？无碱玻纤毡（E-glassMat）的用途到底是什么？在回答这些问题之前，一方面让我们来简朴回顾一下世界屋面防水工业的发展历程和现状。一、世界屋面防水工业——历史与现状在世界各地，人们为了保护建筑物自身和建筑物内的设施免遭破坏，习惯于采用各种屋面防水材料作为防水保护层。在长达一百五十年的时间里，从将沥青涂在纸胎上防水，一直发展到今天，耐久性更好的玻纤毡和聚酯毡与SBS或APP改性沥青结合，构成了性能更为先进的优质防水材料。在开始阶段的很长一段时间内，人们使用品有各类纤维素的有机毡来制作沥青屋面防水材料。这种成本低廉的替代产品重要由打坏的木料和纸毡构成。最早的时候，还具有打坏的“旧布”，这也是破布毡这一名称的由来。后来，重要采用纸质材料。今天，虽然在屋面防水材料、衬垫材料和沥青瓦中仍可不时发现有机毡的踪迹，但毕竟已成昨日黄花。玻纤毡和聚酯毡材料正以其经久耐用的显著优点迅速取代并占领传统的屋面防水材料市场。人们对于更优越生活品质的追求呼唤优质的居住环境，这不仅对屋面防水材料的耐久性提出了更高的规定，同时也对沥青防水材料的防水性能寄寓了更大的希望。此外，为了保护人们享受优质居住环境的权利，在今天，广泛采用的沥青屋面系统不再仅仅是为了满足建筑物和屋内设施的防水需要，同时也要满足本地建筑标准的需要。此类标准都规定成品材料有足够的强度以便抵御房屋形变、火灾、风暴和冰雹等灾害的侵袭。许多沥青屋面防水材料都采用品有防水性能的改性沥青涂层，无论是在卷材生产制造过程中，还是在现场直接铺设应用过程中，玻纤毡或聚酯毡都要与这类较粘稠的涂盖料结合。二、无碱玻纤毡（E-glassMat）——制作原料玻璃纤维最早于1935年出现在美国。1942年，玻璃纤维初次使用于航天领域。今天，玻璃纤维的用途得到了极大的拓展，从玻璃钢到沥青屋面防水材料，直至电池隔板和石膏纤维材料等等，不一而足。从世界范围来说，在屋面防水材料中，无碱玻纤是最常见的玻璃纤维成分。这种玻璃是一种“铝-钙硼硅酸盐玻璃”，就其成分而言，其碱性物质(Na2O,K2O,Li2O)的含量最高仅达2%。在某些规定具有良好强度和电阻性能的场合，通常用无碱玻纤。1、玻璃纤维、玻纤毡和沥青屋面防水材料的制造就制造工艺而言，一方面，运用熔化工艺将一定配方的原材料熔化成性状均一的熔融玻璃，然后使熔融玻璃液通过细小的抽丝孔，形成我们所见到的玻璃纤维。当熔融状的纤维流出抽丝孔时，急速冷却并切断（参见图1），供生产玻纤毡用。通过切断的玻璃纤维用作湿法生产玻纤毡的原材料（参见图2）。在生产玻纤毡时，先在切断的玻璃纤维中加入各类粘接剂，充足拌和成网，然后将混和有粘接剂的玻璃纤维网送入烘房干燥。通过烘房干燥工艺，粘接剂被加热并粘结纤维。图1切断的玻璃纤维图2玻纤毡的生产然后，将加工好的玻纤毡送往防水材料厂涂覆各类沥青，制成屋面防水材料（图3所示为典型生产工艺）。图3SBS/APP改性沥青卷材典型生产工艺2、无碱玻璃（E-Glass）、中碱玻璃(C-Glass)和高碱玻璃(A-Glass)之间的差异除了上面介绍的“铝-钙硼硅酸盐玻璃（无碱玻璃）”之外，在玻纤毡生产工艺中所使用的其它玻璃尚有“钙硼硅酸盐玻璃（中碱玻璃）”和“碳酸硅酸盐玻璃（高碱玻璃）”Table1–FiberGlassPropertiesCheck表1玻璃纤维的性能比较

A-GlassC-GlassE-GlassOxide氧化物:%%%SiO263-7264-6852-56Al2O30-63-512-16B2O30-64-65-10MgO0-42-40-5TensileStrength拉伸强度(@23C,MPa)331033103445Durability耐久性(%WeightLossinWaterat166hrs)166h下水重量损失各种工业产品都极其强调材料性能和指标。所以，在比较多种工业产品时都免不了要比较它们的材料成分、物理特性、下道工序的加工性能以及实际使用过程中的应用特点。同样地，在比较无碱玻璃、中碱玻璃和高碱玻璃时，我们也需要从上述这些方面来进行比较。戴维R哈特曼在《玻璃研究——卷5第一册，1995》刊物上发表了“高强度玻璃的演化与应用”一文。表1所示各类数据即引自该文。它比较了三种玻璃的氧化物含量、拉伸强度以及耐水性能。而表2数据引自《玻璃纤维，Auburg&Wolf》一文，它介绍了各种氧化物对玻璃制品物理特性和应用特性的影响。表2所示各种资料从材料科学的角度解释了导致高碱玻璃和中碱玻璃耐久性差的因素。正是由于高碱玻璃和中碱玻璃的耐久性差，使得用高碱玻璃和中碱玻璃制成的玻纤毡也表现为耐久性差——特别是当玻纤毡暴露于潮湿和/或酸性环境中时。3、玻纤毡与有机毡之间的差异在对玻纤毡和有机毡进行比较时，可以对照美国ＡＳＴＭ标准中列出的各种产品比较它们的具体标准。表3给出了不同胎基的ASTM标准数据以及其他性能指标。Table3OrganicFeltsandFiberGlassFelts表3有机毡和玻纤毡OrganicFelts有机毡(ASTMD226)GlassMat玻纤毡(ASTMD2178)AverageBreakingStrength平均断裂强度Lbf/in(kN/m)-MachineDirection纵向-CrossDirection横向30-40(5.35-7.00)15-20(2.63-3.50)44-60(7.7-10.5)44-60(7.7-10.5)AshContent灰分含量10%70-88%LossonHeating@105C105℃4%<1%由于无碱玻纤毡具有良好的加工性能、防水性能以及优越的性价比，所以在世界各地的各大屋面防水材料市场上都成了替代纸胎的首选材料。三、沥青瓦和改性沥青防水材料中所使用的无碱玻纤毡——应用一瞥推动沥青防水材料胎基进一步发展的真正动力来自于世界各地的地方标准。这些标准都无一例外地规定成品防水材料具有更长的保质期、更好的防火、防风、防水以及抗紫外线性能。无论是坡面屋顶还是平面屋顶，随着时间的推移，不仅胎基材料已经逐渐改用更加经久耐用的玻璃纤维毡和聚酯毡，沥青涂层材料也发生了变化。这种以沥青为基本材料的涂层是沥青与SBS或APP的混合体，内含防火剂、紫外线稳定剂和/或填充料。这些涂层材料可以满足最终屋面系统对当今建筑环境的必要防护规定。坡面屋顶无碱玻璃纤维毡几乎是沥青瓦的首选胎基。沥青瓦不仅规定强度高、经久耐用，并且规定具有一定的硬挺度，以保证屋面轮廓挺括美观，又便于安装施工。三片式沥青瓦（参见图4）是屋面材料行业的标准形式，在中心的玻璃纤维毡的上下两面涂沥青，表面覆盖矿物粒料，并裁成三片。此外，为了获得独特的三维外观效果，可以把两层沥青瓦粘合起来，形成叠层瓦（参见图5）。这样做尽管增长了总体重量，但可以提高设计的灵活性，因而也被称为“建筑美”沥青瓦。无碱玻纤毡不仅有助于展现沥青瓦的美学效果，同时也可以提高沥青瓦在各种恶劣环境下的强度和耐久性，从而全面提高沥青瓦的综合性能。2、平面屋顶世界各地的地方标准都对竣工以后的屋面防护系统制订了相应的规定，这些规定又推动着防水材料胎基的创新设计。尽管无碱玻璃纤维毡不具有像聚酯毡那样好的弹性，但它良好的加工性、尺寸稳定性、各种恶劣环境下的耐久性以及杰出的材料强度都使它成为制造经济型优质屋面系统的首选材料。假如与SBS和APP改性材料结合使用，只要施工恰当，无碱玻纤毡制成的防水卷材完全可以保护建筑物免遭漏水侵害。四、用于生产经济、优质屋面防水材料的无碱玻璃纤维毡——前景展望过去150年的历史证明，人们对于民用住宅、商业用房和工业建筑物的品质、舒适和美观正在提出越来越高的规定。对优质建筑物的规定也就是对优质屋面防水材料的规定，而追求优质的屋面防水材料，无疑将提高沥青屋面防水材料产品中所使用胎基材料的质量规定。全球市场的发展趋势正不断证明着这样一个事实：在沥青屋面系统中，成本低廉的有机毡产品（例如破布毡、麻布毡、纸胎和复合胎等）正逐渐被防水性能好、使用寿命长的玻纤毡和聚酯毡产品所代替。尽管这种替代过程在不同的市场合需时间长短不一，但就其趋势而言，已然不可逆转。目前，中国经济一日千里，发展潮流浩浩荡荡。中国政府推广使用优质建筑材料的决心不可动摇。面对这一大好形势，我们完全有理由相信：中国的防水材料市场必将是优质产品的天下。这一天，固然不会一蹴而就，但也决非遥不可期！注：术语Ｅ－glassmat无碱玻纤毡C-glassmat中碱玻纤毡glassmat高碱玻纤毡shingle沥青瓦ragfelt纸胎plasticreinforced玻璃钢roofingmaterial屋面防水材料发言人简介RubenG.Garcia公司：佳斯迈威公司职位：工程产品部门的六西格玛新产品负责人教育背景：化学工程学学士-新墨西哥州立大学，新墨西哥州，1974化学工程学硕士-新墨西哥州立大学，新墨西哥州，1977工商管理学硕士-丹佛大学，1982美国SPRI成员，1990-1994任SPRI董事会成员美国化学工程师协会会员美国防水卷材征询协会会员美国化学工程征询董事会成员美国RURSI大学教员2023年10月成为DFSS六西格玛黑带大师E-GlassMat---TheWorld’sMostPopularEconomicSubstratesforQualityBitumenRoofingProductsJohnsManvilleCorporationRubenG.GarciaChinastarteditsragfeltreplacementprocessintheearly1990s’.Inthepastdozenofyears,differentnewbitumenroofingsubstratematerialsarebecomingavailableinthemarket,andthemajortypespresentarefairlysimilartothoseofothercountries’.HoweveroneremarkabledifferencetomanyotherdevelopedoremergingmarketsisthattheparticipationofGlassMatinthispapercarriersubstitutionprocessismuchlessuntilveryrecently.HavingobservedthechangeoftheChinesewaterproofingindustryinthepastdecade,andseeingincreasingamountofglassmatproductsusedinshingleandroofingsheetsproduction;IfelthonoredtogettheinvitationfromChinaWaterproofingAssociationtowritethispaper,andalsofeltobligatedtosharemy20yearsexperienceinwaterproofingindustryinNorthAmericawithmycolleaguesinChina.Inmanyglobalmarkets,highqualityE-glassMatisunanimouslychosenasthemostsuitableeconomicsubstrateforqualitybitumenroofingproduct.Withitsexcellentprocessibility,resistancetomoisture,andpositiveeconomicposition,E-Glassmatisthebestchoicesubstrateforragfeltreplacement.Beforefurtherstudyon“WhatisE-Glassmat,itsmaterialsandproperties?”,“HowitiscomparedwithorganicsubstratesorwithC-GlassorA-Glassmat?”,“Howthesepropertydifferencesinthematwillinfluencethebitumensheetsprocessbasedonthem?”,or“WhatcanE-Glassmatbeusedfor?”;wewillfirsttakeaquickglanceatthehistoryandstatusofwaterproofingindustryworld-wide.Ⅰ.WorldWaterproofingIndustry–HistoryandStatusRoofingmaterialsareinstalledonbuildingsworld-widetoprovideawater-tightlayertoprotectthebuildingandtheoccupantsfromdamage.Overthelast150years,theseroofingmaterialshaveevolvedfromasphaltcoatingsonpaperorRagFeltcarrierstotoday’smoredurablefiberglassorpolyestermatsusedinconjunctionwithSBSorAPPmodifiedbitumensystems.Formanyyearsatthebeginning,organicfeltscontainingcellulosefibershavebeenusedtomakebitumenroofingproducts.Theselowcostsubstratesweremadefromshreddedwoodandfeltedpaper.Someoftheearliestorganicfeltsalsocontainedshredded“rags”,whichgavetheseproductsthenameofRagFelt.Lateron,theseorganicfeltsaremadeprimarilyfrompaperbasedproducts.Although,youcanstillfindtheseorganicfeltsusedworld–wideinroofingfelts,underlaymentsandshingles,theiruseissignificantlydecliningandtheyarebeingquicklyreplacedbymoredurablefiberglassmatsandpolyestermats.Theneedformoredurablesubstrateshasbeendrivenbypeople’sincreasingdemandonqualityoflifethatrequiresdecentqualityofhome,andthereforegoodperformanceofthebitumenroofingproducts.Furthermore,toprotectthepeople’srighttoqualityliving,today’sbitumenroofingsystemsarerequirednotonlytoprovideawater-tightsystemforthebuildingandit’soccupants,butalsotomeetlocalbuildingcodesaswell.Suchcoderequiresthestrengthofthefinishedmembranetosuchanextentthatitwillsufficientlywithstandbuildingmovement,fire,windandhail,etc..Manybitumenroofingproductsarebeingmadewithwaterresistantmodifiedbitumencoatings,whichrequiresubstrateslikefiberglassandpolyestermatstobeusedwithmoreviscouscoatings,bothinthemanufacturingprocessandinthefieldapplicationsteps.Ⅱ.E-GlassMat–ALookonMaterialFiberglasswasfirstdevelopedin1935inU.S..Thefirstuseforfiberglasswasin1942instructuralaerospaceparts.Today,fiberglassisusedinmanyapplications,fromplasticreinforcementstobitumenroofingproductsubstrates,batteryseparatorsandgypsumfibers–justtonameafew.World-wide,themostcommonfiberglassformulationusedinroofingproductsisE-Glass.Thisglassisan“alumina-calcium-borosilicateglass”withamaximumalkali(Na2O,K2O,Li2O)contentof2%byweight.E-Glassisusedasgeneralpurposefiberswherestrengthandhighelectricalresistivityarerequired.1.TheMakingofGlassFiber,GlassMatandBitumenroofingproductFiberglassfibersarefirstmadebyaprocesswherevariousrawmaterialsareconvertedovertoahomogeneousmelt,whichcanthenbeformedintoafiberasthemoltenglassflowsthroughtinyorifices.Asthemoltenfibersflowoutoftheorifices,theyarequicklycooledandchopped(seepicture1),foruseintheformationofafiberglassmat.Suchchoppedglassfiberwillthenbeusedasrawmaterialforproducing(seepicture2)wetlaidglassmat.Thesechoppedfibersareblendedwithvariousbinderstomakeaweb.Thewebisthenprocessedthroughadrierwherethebinderisheatedandsetontothefiber.Thefinishedmatisthensenttoabitumenroofingproductplantwherethematiscoatedwithvariousasphaltcoatingsforuseinroofingproducts(seepicture3fortypicalprocess).Typically,thecoatingsusedtomakelowsloperoofingmaterialsareeitheroxidizedasphalt(Built-UpRoofingBUR)oramodifiedbitumencoatingwhichconsistsofbitumenblendedwitheitheranSBSorAPPpolymer.Thepolymersinthemodifiedbitumenproductsgivetheasphaltvariousflexibility,lowtemperatureflexibilityorwaterproofingcharacteristics.2.DifferenceamongE-Glass,C-Glass,andA-GlassBesides“alumina-calcium-borosilicateglass”(E-Glass),theothertypesofglassusedinglassmatproductionare“calciumborosilicateglass”(C-Glass)andsodalimesilicateglass(A-Glass).Table1–FiberGlassPropertiesCheck

A-GlassC-GlassE-GlassOxide:%%%SiO263-7264-6852-56Al2O30-63-512-16B2O30-64-65-10MgO0-42-40-5TensileStrength(@23C,MPa)331033103445Durability(%WeightLossinWaterat166hrs)Whilecomparingindustrialproductswherematerialperformanceandpropertiesareemphasized,wealwaysneedtocomparethecompositionofthematerial,itsphysicalproperty,itsprocessibilityduringnextstepproduction,anditsapplicationpropertiesduringactualusage.SameapplieswhenwetrytomakeanobjectivecomparisonamongE-Glass,C-GlassandA-Glass.Table1isquotedfromDavidR.Hartman’s“EvolutionandApplicationofHighStrengthFibers”publishedinthe<<GlassResearch–Vol5no.1,1995>>.IthascomparedthelevelofOxidecontentinthe3differentglasses,aswellastheirTensileStrengthandDurabilityinexposuretowater.WhileTable2isquotedfrom<<GlassFibersAuburg&Wolf>>,andillustratestheimpactofvariousOxidesonthephysicalandapplicationpropertiesofglassproducts.TheinformationincludeinTable2hasexplained,fromthematerialsciencepointofview,thecauseofthelowdurabilityofA-GlassandC-Glass.Andconsequently,glassmatbasedonA-GlassandC-Glasswillhavelowdurabilityaswell,especiallywhenthematisinexposuretowaterand/oracid.3.DifferencebetweenGlassMatandOrganicRagFeltsIntryingtocomparefiberglassfeltstoorganicragfelts,thedetailedcomparisoncanbemadebyreviewingthevariousstandardsforeachoftheproductsaslistedinASTM.Table3illustratessomeofthedatafromthevariousASTMstandardsalongwithotherperformancecriteriaforroofingmembranesusedworld-wide.Table3:OrganicFeltsandFiberGlassFelts

OrganicFelts(ASTMD226)GlassMat(ASTMD2178)AverageBreakingStrengthLbf/in(kN/m)-MachineDirection-CrossDirection30-40(5.35-7.00)15-20(2.63-3.50)44-60(7.7-10.5)44-60(7.7-10.5)AshContent10%70-88%LossonHeating@105C4%<1%Duetoitsexcellentprocessibility,resistancetomoisture,andpositiveeconomicposition,E-Glassmatisthebestchoicesubstrateforragfeltreplacementinallmajorroofingmarketsintheworld.Ⅲ.E-GlassMatusedinShingleandModifiedBitumenSheets–ALookonApplicationThefutureofbitumenroofingproductsubstratesisbeingdrivenprimarilybylocalcodesworld-wide.Thesecodesarerequiringthematerialstohavelongerwarranties,betterfireandwindresistanceaswellaswaterandUVresistanceofthefinishedwater-proofingmembrane.Forbothsloperoofsandflatroofs,notonlyhavethebitumenroofingproducts’substrateschangedovertimetothemoredurablefiberglassandpolyestermats,sohavethecoatingsthatareusedtocoatthesubstrates.ThesebitumenbasedcoatingsareblendsofbitumenswithSBSorAPPpolymersalongwithfireretardants,UVstabilizersandfillers.Thesecoatingswillprovidethenecessaryprotectionsthefinalroofingsystemisdemandingoftoday’sconstructionenvironment.SlopeRoofsE-Glassmatisalmostthebestchoiceforshingleproducts,whichrequirenotonlygoodstrengthanddurability,butalsoacertainlevelofstiffnesswhichwillprovidegoodvisualaestheticsandeaseatinstallation.Three-tabshingles(seepicture4)aretheroofingindustry'sstandard,consistingoftwolayersofasphaltaroundaglassfibersmatcorecoveredwithceramicmineralgranules,notchedintothreeintegratedpieces,ortabs.Otherthanthat,inordertoachieveadistinctthree-dimensionalappearance,LaminatedShingle(seepicture5)wascreatedbybondingtwoasphaltshinglestogether.Thoughgenerallyheavierinweight,thisproductallowsforgreaterdesignflexibility,andwasthereforecalled“architectural”shingles.E-GlassMatnotonlysupportsgoodaestheticsfortheshingleproducts,butalsoaddsstrengthanddurabilitytomanypremiumandhighperformanceroofingshingles.FlatRoofsSubstratesdesigntodayisdrivenbytherequirementsoffinishedroofmembranesystemasidentifiedinthelocalcodes.ThoughE-Glassmatdoesnotprovidegoodelasticityasdoesbypolyestermats,itsexcellentprocessibility,remarkabledimensionalstability,gooddurability,andstrengthstillmadeitafavoredchoiceforeconomicqualityroofs.UsedinconjunctionwithSBSandAPPmodifiers,E-Glassmatmadeintobitumenroofingmembrane,wheninstalledright,caneffectiveprotectthebuildingfromdamagescausedbywaterleakage.Ⅳ.E-Glassmat