防沉型高強(qiáng)聚氨酯防水涂料的制備及性能研究

韓海軍，段鵬飛，李紅英

（北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京　101309）

防沉型高強(qiáng)聚氨酯防水涂料的制備及性能研究

韓海軍，段鵬飛，李紅英

（北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京101309）

以復(fù)配聚醚多元醇、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和氯化石蠟為原料制備的預(yù)聚體為A組份，以胺類(lèi)固化劑、增塑劑、防沉劑、顏填料、消泡劑、催化劑和潤(rùn)濕分散劑等為B組份，制備了一種雙組份防沉型高強(qiáng)聚氨酯防水涂料，研究了不同的防沉劑、潤(rùn)濕分散劑及其用量對(duì)防水涂料物理性能、貯存性能和防沉性能的影響。結(jié)果表明，在配方中其它組分不變的情況下，選用0.5份防沉劑YH-10和0.4份潤(rùn)濕分散劑時(shí)，制備的防水涂料性能最佳。

防沉型；高強(qiáng)聚氨酯；防水涂料；性能研究

聚氨酯（PU）防水涂料是一種反應(yīng)固化型高分子防水涂料，因其涂膜后具有抗拉強(qiáng)度高，彈性且延伸性好，粘結(jié)力強(qiáng)，防水層連續(xù)、柔韌且無(wú)接縫，體積收縮小，對(duì)基層裂縫伸縮性變形的適應(yīng)性強(qiáng)，耐水、耐磨、耐腐蝕、耐久性和耐低溫柔順性好等特點(diǎn)，可用于建筑不同部位的防水堵漏［1-5］。

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施、市政、交通工程建設(shè)的飛速發(fā)展，防水涂料的需求量巨大，為保證其質(zhì)量，對(duì)防水涂料提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，特別是鐵路用高強(qiáng)聚氨酯防水涂料［6-7］。鐵路線(xiàn)主要是由路基、橋梁及隧道組成，因高鐵和客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的運(yùn)行特點(diǎn)，橋梁占比已超50%。在橋梁混凝土橋面設(shè)防水層，可有效阻隔水滲入橋面板結(jié)構(gòu)內(nèi)部，阻止或減緩混凝土的老化及其橋面板內(nèi)鋼筋銹蝕，進(jìn)而提高混凝土橋面結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，用于鐵路路基防水的高強(qiáng)聚氨酯防水涂料發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［8-9］。

在聚氨酯防水涂料生產(chǎn)和使用過(guò)程中，沉降現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，表現(xiàn)在涂料使用前，底部出現(xiàn)軟沉淀、硬沉淀。使用時(shí)，需要將其攪拌均勻后方可使用，這樣不僅耽誤施工時(shí)間，而且使成膜性能變差，最終影響防水效果。為此，本文根據(jù)TB/T 2965—2011《鐵路混凝土橋面防水層技術(shù)條件》中直接用作防水層的防水涂料技術(shù)指標(biāo)要求，采用復(fù)配聚醚多元醇、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和氯化石蠟為原料制備預(yù)聚體，并配有胺類(lèi)固化劑、增塑劑、防沉劑、顏填料、消泡劑、催化劑和潤(rùn)濕分散劑等，合成了一種雙組份防沉型高強(qiáng)聚氨酯防水涂料，討論了不同的防沉劑、潤(rùn)濕分散劑及其用量對(duì)防水涂料物理性能、貯存性能和防沉性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1主要原料

聚醚多元醇DDL-2000D，相對(duì)分子質(zhì)量2000，羥值56 mgKOH/g，f=2，淄博德信聯(lián)邦化工有限公司；聚醚多元醇HHJ-1，自制；增塑劑，鄰苯二甲酸二丁酯（DBP），優(yōu)級(jí)品，濮陽(yáng)市誠(chéng)意增塑劑有限公司；氯化石蠟-52，氯含量52%，密度1.25 g/cm3，相對(duì)分子質(zhì)量420，黏度（50℃）180 mPa·s，廣州厚載化工有限公司；潤(rùn)濕分散劑RB-1181，密度1.06 g/cm3，黏度（20℃）90 mPa·s，廣州雷邦化工有限公司；鐵棕顏料，市售；超細(xì)滑石粉，600目，淄博市張店盛華精細(xì)化工廠(chǎng)；輕質(zhì)碳酸鈣，1250目，江西省白瑞碳酸鈣有限公司；胺類(lèi)固化劑，自制；催化劑，二月桂酸二丁基錫（T-12），美國(guó)氣體化學(xué)；消泡劑DF-8205，東莞市德豐消泡劑有限公司；增塑劑HHJ-2，自制；高沸點(diǎn)溶劑油，市售；防沉劑YH-10（改性有機(jī)膨潤(rùn)土），自制；防沉劑FCJ-1（氣相二氧化硅），F(xiàn)CJ-2（改性氫化蓖麻油），市售；異氰酸酯，二苯基甲烷二異氰酸酯MDI-50，異氰酸酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)33.2%，f=2，煙臺(tái)萬(wàn)華聚氨酯有限公司。

1.2主要設(shè)備與儀器

懸臂式攪拌器，RW-20型，德國(guó)IKA公司；旋片式真空泵，2XZ-2型，臨海市譚氏真空設(shè)備有限公司；四口燒瓶，1000 ml，泰興市華科實(shí)驗(yàn)儀器廠(chǎng)；調(diào)溫電熱套，KDM型，山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；智能恒溫控溫儀，ZNHW-IV型，上海越眾儀器設(shè)備有限公司；壓力真空表，YZ-150型，測(cè)壓范圍-0.1～0 MPa，上海儀川儀表廠(chǎng)；天子天平，ME2002E，最大量程2200g，精確0.01g，梅特勒-托利多公司；旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，NDJ-1B型，測(cè)量范圍10～2×106mPa·s，武漢格萊莫檢測(cè)設(shè)備有限公司；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，CMT4104型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司。

1.3制備方法

A組份：按設(shè)計(jì)配方將聚醚多元醇加入四口燒瓶中，在轉(zhuǎn)速1000 r/min、溫度105～115℃、-0.095～-0.1 MPa的真空條件下脫水3～5 h，然后降溫至60℃，加入二苯基甲烷二異氰酸酯，攪拌20 min，升溫至80～85℃，反應(yīng)3 h，最后降溫至50℃，加入氯化石蠟，在-0.095～-0.1 MPa真空條件下脫氣泡30 min，即可出料，得到預(yù)聚體作為A組份。

B組份：按設(shè)計(jì)配方比例將增塑劑HHJ-2、二丁酯、氯化石蠟、聚醚多元醇和潤(rùn)濕分散劑加入四口燒瓶中，在轉(zhuǎn)速800 r/min、溫度80～100℃的條件下，加入胺類(lèi)固化劑、超細(xì)滑石粉、輕質(zhì)碳酸鈣、防沉劑和顏料，然后將轉(zhuǎn)速和溫度分別升至1200 r/min、105～115℃，并且在-0.095～-0.1 MPa的真空條件下脫水4 h，之后除去真空度，降溫至60℃，加入溶劑油、催化劑和消泡劑，然后在-0.095～-0.1 MPa真空條件下脫氣泡30 min，即可出料，得到B組份。

防沉型高強(qiáng)聚氨酯防水涂料A、B組份的基本配方見(jiàn)表1。

表1　防沉型高強(qiáng)聚氨酯防水涂料的基本配方

1.4貯存穩(wěn)定性測(cè)試

按照上述基礎(chǔ)配方合成的防水涂料，取出一部分進(jìn)行涂膜性能測(cè)試，包括物理性能、表干時(shí)間、實(shí)干時(shí)間、黏度等，將剩余部分在常溫下存放，用于其它性能測(cè)試。

1.5性能測(cè)試

將制備的防水涂料按照設(shè)計(jì)質(zhì)量配比，并攪拌5 min，使其混合均勻后，刮涂在聚四氟乙烯板上，制成1.5 mm厚的膜，放在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件：（23±2）℃，相對(duì)濕度（50±10）%，養(yǎng)護(hù)7 d后，制樣，測(cè)試相關(guān)性能。涂料的表干時(shí)間、實(shí)干時(shí)間、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率按GB/T 16777—2008《建筑防水材料試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；撕裂強(qiáng)度按GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測(cè)定》中直角形試件進(jìn)行測(cè)試。

1.6防沉機(jī)理

在聚氨酯防水涂料中，防沉劑加入后可在整個(gè)體系中構(gòu)成弱交聯(lián)且疏松的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能賦予涂料良好的觸變特性，使顏填料懸浮不聚集結(jié)塊且防沉，并能改善防水涂料性能，保持優(yōu)良的流平性等。其作用機(jī)理是：在高速剪切速率的作用下，外力大于該觸變值的屈服值，防沉劑形成的弱交聯(lián)結(jié)構(gòu)作用被破壞，導(dǎo)致防水涂料黏度很低且流動(dòng)性較好，便于工地涂膜施工；在撤去剪切力后，弱交聯(lián)結(jié)構(gòu)作用又重新恢復(fù)，防水涂料黏度以適當(dāng)?shù)臏笮曰厣?，使其具有良好的流平性和抗流掛性能，最終防水涂料會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的觸變效果，進(jìn)而起到了防止分散顏填料顆粒沉降凝結(jié)的作用，避免了防水涂料的沉降而出現(xiàn)軟沉淀或硬沉淀。

1.7反應(yīng)成膜原理

防沉型高強(qiáng)聚氨酯防水涂料是一種雙組份反應(yīng)型高分子防水涂料，由A、B組份組成，其中A組份是復(fù)配聚醚和異氰酸酯反應(yīng)而成的預(yù)聚體，B組份由胺類(lèi)固化劑、增塑劑、顏填料、催化劑、消泡劑、防沉劑和潤(rùn)濕分散劑等混合而成。使用時(shí)，將A、B組份按照比例混合，預(yù)聚體A組份中的—NCO與B組份中的—NH2發(fā)生固化反應(yīng)形成防水膜。

2　結(jié)果與討論

2.1不同防沉劑對(duì)防水涂料性能的影響

對(duì)于雙組份高強(qiáng)聚氨酯防水涂料而言，其中，A組份（預(yù)聚體）為淡黃色黏稠且透明的液體，長(zhǎng)期貯存不會(huì)發(fā)生沉降；但是B組份中有液料和粉料（顏填料），在貯存過(guò)程中會(huì)發(fā)生粉料沉積到容器底部，使防水涂料變成一個(gè)不均一的分散體系，給施工和防水涂料的性能帶來(lái)不利的影響。防水涂料中粉料產(chǎn)生沉降的原因比較復(fù)雜，根據(jù)斯托克斯（Stokes）法則，顏填料粒子沉降的速度與粒子半徑及兩相密度差成正比，與分散體系的黏度成反比。

本實(shí)驗(yàn)采用的顏填料不變，故粒子半徑為定值，通過(guò)添加防沉劑使體系產(chǎn)生弱交聯(lián)結(jié)構(gòu)，以適當(dāng)提高防水涂料黏度，賦予其觸變性，來(lái)解決涂料的防沉型問(wèn)題。選用幾種不同的防沉劑：YH-10、FCJ-1、FCJ-2，其中YH-10為改性有機(jī)膨潤(rùn)土，并具有獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CJ-1為氣相二氧化硅，F(xiàn)CJ-2為改性氫化蓖麻油。為了短時(shí)間內(nèi)明顯觀(guān)察其防沉效果，將等量的液料、填料和防沉劑混合均勻后，放置48 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

其它組份不變，采用等量（0.3質(zhì)量份）不同的防沉劑考察其對(duì)防水涂料性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1　不同防沉劑的防沉效果對(duì)比

表2　不同防沉劑對(duì)防水涂料性能的影響

由圖1可見(jiàn)，防沉劑的防沉效果依次為YH-10＞FCJ-1＞FCJ-2＞空白樣。由表2可知，貯存前，防沉劑YH-10和FCJ-1制備的防水涂料拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度較好，而FCJ-2制備的產(chǎn)品和空白樣相對(duì)較差；貯存后，產(chǎn)品性能均有衰減，其中FCJ-2產(chǎn)品、空白樣衰減較大，其次為FCJ-1和YH-10產(chǎn)品，但采用YH-10產(chǎn)品的成膜反應(yīng)速度基本不變，即表干、實(shí)干時(shí)間變化較小。分析原因：YH-10有機(jī)膨潤(rùn)土是采用季銨鹽改性的優(yōu)質(zhì)黏土，呈片狀結(jié)構(gòu)，其邊緣含有氧和氫氧基團(tuán)，分散在涂料中借助這些基團(tuán)能夠形成氫鍵，并形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予防水涂料一種結(jié)構(gòu)黏度；FCJ-1氣體二氧化硅粒徑小、比表面積大、吸附力強(qiáng)、分散性好，且含有硅醇基團(tuán)，可形成氫鍵產(chǎn)生三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大分散體系黏度；FCJ-2改性氫化蓖麻油在防水涂料中膨潤(rùn)溶脹后，粒子間可形成微弱的氫鍵，使防水涂料產(chǎn)生觸變性。以上3種防沉劑相對(duì)空白樣而言，均提高了防水涂料的觸變性能，起到了一定的防沉作用，成膜性能相對(duì)較好。另外，考察了相對(duì)性能較好的防沉劑YH-10和FCJ-1在B組份中常溫貯存12個(gè)月后的防沉效果（見(jiàn)圖2）。

圖2　防沉劑YH-10和FCJ-1對(duì)防水涂料B組份貯存性能的影響

由圖2可知，常溫貯存12個(gè)月后，YH-10制備的B組份比較均一，無(wú)分層無(wú)沉降現(xiàn)象；而FCJ-1制備的B組份相對(duì)較差，出現(xiàn)明顯的分層，采用玻璃棒攪拌時(shí)，底部有軟沉淀，從長(zhǎng)期貯存效果來(lái)看，YH-10的防沉效果優(yōu)于FCJ-1。

根據(jù)以上采用不同防沉劑產(chǎn)品的物理性能、貯存性能和防沉性能等綜合分析，在配方中其它組份不變的情況下，防沉劑YH-10制備的產(chǎn)品性能相對(duì)較好，可應(yīng)用在該配方體系中。

2.2防沉劑用量對(duì)防水涂料性能的影響

在聚氨酯防水涂料中，防沉劑作為一種助劑，可提高分散體系的均一性，防止防水涂料中顏填料的沉降。但是，防沉劑用量并非多多益善，用量少則防水涂料會(huì)出現(xiàn)軟沉淀或硬沉淀，用量多則防水涂料黏度大、防沉性好、流平性差，還會(huì)影響產(chǎn)品性能和施工性能。因此，防沉劑用量需適當(dāng)，使得防水涂料的流平性與防沉性（或觸變性）達(dá)到一個(gè)平衡值。

本實(shí)驗(yàn)選用相對(duì)防沉效果較好的防沉劑YH-10。配方中各組份以質(zhì)量份為基準(zhǔn)，其它組份不變，考察改性有機(jī)膨潤(rùn)土YH-10用量對(duì)防水涂料性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、表3。圖3中黏度測(cè)試條件是選用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的4號(hào)轉(zhuǎn)子，料溫25℃，轉(zhuǎn)速30 r/min。

圖3　防沉劑YH-10用量對(duì)涂料性能的影響

表3　防沉劑YH-10用量對(duì)涂料觸變性和防沉性能的影響

從圖3可以看出，隨著防沉劑YH-10用量增加，涂料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而黏度逐漸增大。因?yàn)榉莱羷℡H-10的加入，可在體系中形成微交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其顏填料及其它各組份分散較為均一，有效防止了沉降，涂膜質(zhì)量較好，最終提高涂料的性能。YH-10的用量過(guò)多時(shí)，氫鍵形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加，會(huì)導(dǎo)致涂料的黏度升高，進(jìn)而使A組份和B組份混合攪拌較為困難，不能均勻性成膜聚合反應(yīng)，導(dǎo)致涂膜性能有所降低。另外，涂料的黏度過(guò)大，不利于現(xiàn)場(chǎng)刮涂或輥涂施工。市場(chǎng)上黏度較高的涂料在冬季施工時(shí)，為了方便刮涂或輥涂，可加入2%～5%的稀釋劑，但是劣質(zhì)稀釋劑中含有醇、酸、硝基等，導(dǎo)致—NCO被封端，無(wú)法交聯(lián)形成大分子，使其涂層發(fā)黏不成膜，給防水帶來(lái)諸多隱患。為此，涂料的黏度不宜過(guò)大。

由表3可知，同一防水涂料在不同轉(zhuǎn)速（剪切力）時(shí)黏度不同，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，黏度均有所下降，YH-10用量越多，降低的程度越大。空白樣的觸變性很小，防沉效果也最差，進(jìn)而說(shuō)明，配方中防沉劑YH-10的用量增大，涂料的觸變性和防沉效果均明顯提高。另外，結(jié)合涂料的物理性能、施工性能和防沉性能綜合分析，配方中其它組份不變，當(dāng)防沉劑YH-10用量為0.5份時(shí)，制備的涂料性能最佳。此時(shí)其拉伸強(qiáng)度7.34 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率758%，撕裂強(qiáng)度39 N/mm，常溫貯存12個(gè)月后防沉效果良好。

2.3分散劑對(duì)防水涂料性能的影響

在聚氨酯防水涂料的合成過(guò)程中，為了便于顏填料在液料中均勻分散，防止產(chǎn)品長(zhǎng)期貯存出現(xiàn)沉降，配方中分散劑作為一種助劑不可或缺。本實(shí)驗(yàn)采用性能較好的潤(rùn)濕分散劑RB-1181。配方中其它組份不變，考察RB-1181用量對(duì)防水涂料的性能影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　潤(rùn)濕分散劑RB-1181用量對(duì)防水涂料性能的影響

從表4可知，聚氨酯防水涂料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度隨著潤(rùn)濕分散劑RB-1181用量的增加而逐漸增大，最后趨于平穩(wěn)。潤(rùn)濕分散劑RB-1181對(duì)顏填料和有機(jī)膨潤(rùn)土的表面潤(rùn)濕，降低了組份之間的界面張力，提高了粉料粒子的運(yùn)動(dòng)性，防止了顏填料團(tuán)聚的發(fā)生，保持涂料黏度和細(xì)度的穩(wěn)定，使得體系均勻，懸浮性能增加，不沉降，因此提高了涂料的性能。但是RB-1181用量大于0.4份后，防水涂料性能并沒(méi)有明顯提升，反而趨于穩(wěn)定，因潤(rùn)濕分散劑價(jià)格昂貴，考慮價(jià)格因素，在符合TB/T 2965—2011的前提下，潤(rùn)濕分散劑RB-1181用量以0.4份較為合適。

3　結(jié)論

（1）防沉劑的防沉性：YH-10＞FCJ-1＞FCJ-2＞空白樣。防沉劑YH-10和FCJ-1制備涂料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度較好。常溫貯存12個(gè)月后，在B組份中防沉效果YH-10優(yōu)于FCJ-1。根據(jù)以上不同防沉劑產(chǎn)品的物理性能、貯存性能和防沉性能等綜合分析可知，在配方中其它組份不變的情況下，防沉劑YH-10制備的產(chǎn)品性能相對(duì)較好，可應(yīng)用在該配方體系中。

（2）隨著防沉劑YH-10用量增加，涂料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而黏度逐漸增大。配方中防沉劑YH-10的用量增大，涂料的觸變性和防沉效果均明顯提高。另外，結(jié)合涂料的物理性能、施工性能和防沉性能綜合分析，配方中在其它組份不變的情況下，當(dāng)防沉劑YH-10用量為0.5份時(shí)，制備的防水涂料性能最佳。

（3）聚氨酯防水涂料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度隨著潤(rùn)濕分散劑RB-1181用量的增加而逐漸增大，最后趨于平穩(wěn)。因潤(rùn)濕分散劑價(jià)格昂貴，考慮價(jià)格因素，在符合TB/T 2965—2011的前提下，在配方中其它組份不變的情況下，潤(rùn)濕分散劑RB-1181用量為0.4份較為合適。

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Preparation and studies on the antisag and high strength waterproof polyurethane coating

HAN Haijun，DUAN Pengfei，LI Hongying
（Beijing Oriental Yuhong Waterproof Technology Co.Ltd.，Beijing 101309，China）

s：The two-component antisag high strength waterproof polyurethane coating was prepared by the prepolymer that was obtained from polyether polyol compound，diphenyl methane diisocyanate（MDI）and chlorinated paraffin，and components B with amine curing agents，plasticizers，antisag agents，fillers，defoamers，catalysts and wetting dispersing agents and so on.It was researched that the effects of the kinds and amounts of antisag agent，wetting dispersing agents on the physical properties，storage and astisag abilities of coating.Results show that the performances are the best when using antisag agent YH-10 0.5 parts，wetting dispersing agent 0.4 parts，and keeping other components unchanged.

antisag type，high strength polyurethane，water proof coating，properties study

TU56+1.65

A

1001-702X（2015）09-0067-05

2015-02-12

韓海軍，男，1983年生，山東菏澤人，碩士，工程師，從事聚氨酯有關(guān)的研究和應(yīng)用。