低溶劑型單組份聚氨酯防水涂料的制備

孫建，段鵬飛，韓海軍

（北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京 101319）

聚氨酯防水涂料因其優(yōu)異的物理性能和獨(dú)特的防水性能，現(xiàn)已成為建筑防水應(yīng)用領(lǐng)域中一種重要的建筑涂料[1-2]。目前市場上的絕大部分聚氨酯防水涂料都是溶劑型[3]，尤其是單組份聚氨酯防水涂料，涂料體系中加入各類有機(jī)溶劑使涂料的黏度降低，達(dá)到方便施工的效果，但是有機(jī)溶劑的揮發(fā)又不可避免的造成了VOC的污染。

隨著國家對環(huán)保要求的不斷提高，對VOC含量的控制也是越發(fā)嚴(yán)格，聚氨酯防水涂料未來將會向低溶劑以至無溶劑方向發(fā)展[3-4]。2017年京津冀地區(qū)和深圳地區(qū)首先出臺了聚氨酯涂料VOC地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，京津冀地區(qū)要求聚氨酯涂料需符合VOC≤100 g/L，深圳地區(qū)要求聚氨酯涂料需符合VOC≤150 g/L，而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)是要求符合VOC≤200 g/L，單靠降低溶劑用量來達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)又會導(dǎo)致涂料黏度上升，對施工不利。本文通過控制聚醚配比、增加低黏度增塑劑、控制填料用量等方法降低體系的黏度，減少溶劑的用量，來達(dá)到降低體系VOC的目的，使其符合GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》A級標(biāo)準(zhǔn)（VOC≤50 g/L），同時(shí)制備的單組份聚氨酯防水涂料具有較低的黏度和良好的施工效果。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原料

聚醚二元醇2000D、聚醚三元醇330N：上海高橋化工股份有限公司；分散劑BYK-180，畢克化學(xué)有限公司；乙酰檸檬酸三丁酯：珠海飛揚(yáng)化工有限公司；滑石粉：北京昌國利科貿(mào)有限公司；重鈣：歐米亞鈣業(yè)有限公司；甲苯二異氰酸酯（TDI）：拜耳聚氨酯有限公司；炭黑：三菱化學(xué)株式會社；聚酰胺蠟粉（SLX）：阿科瑪化學(xué)有限公司；潛固化劑：YH-88，自制；溶劑油：天津石油化工股份有限公司。均為工業(yè)級。

1.2 主要儀器設(shè)備

AGS-J拉力試驗(yàn)機(jī)，美國Instron公司；攪拌機(jī)，廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司；加熱控溫儀，上海越眾儀器設(shè)備有限公司。

1.3 合成與制備

將聚醚多元醇、分散劑、增塑劑、滑石粉、重鈣加入四口瓶中，在110～120℃、0.085～0.095 MPa真空度下脫水3 h，然后降溫，加入TDI，在80～85℃反應(yīng)3 h，降溫，加入潛固化劑及其他助劑，攪拌均勻后出料。

1.4 性能測試方法

按照GB/T 19250—2013進(jìn)行試樣制備和性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑用量對聚氨酯防水涂料VOC的影響

在單組份聚氨酯防水涂料體系中，溶劑是整個(gè)體系中VOC的主要來源，溶劑用量越高，VOC值越大，所以降低涂料體系的VOC值，必須要降低涂料體系中溶劑的用量。

本試驗(yàn)通過采用同一配方體系，分別加入不同用量的溶劑，同一溶劑用量的實(shí)驗(yàn)平行重復(fù)2次，分別測試其VOC值，結(jié)果如表1所示。

表1 溶劑用量對聚氨酯防水涂料VOC及黏度的影響

由表1可知，隨著溶劑用量的降低，涂料的VOC值也隨之降低，在溶劑用量降至3%時(shí)，VOC降至40 g/L左右，符合GB/T 19250—2013規(guī)定的A級標(biāo)準(zhǔn)（VOC≤50 g/L）。但是溶劑的降低也帶來了體系黏度的升高，單組份聚氨酯防水涂料的黏度在10 000 mPa·s以內(nèi)時(shí)比較容易施工，溶劑用量降至3%后，黏度上升為18 000 mPa·s，需要對配方其它方面進(jìn)行優(yōu)化。

由于需要符合VOC≤50 g/L的標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)將溶劑用量固定為3%，并對黏度和性能進(jìn)行下一步的研究。

2.2 低溶劑型單組份聚氨酯防水涂料性能和黏度的影響因素

2.2.1 多元醇的影響

聚醚多元醇對單組分聚氨酯的性能至關(guān)重要。本試驗(yàn)采用聚醚二元醇2000D和聚醚三元醇330N或其混合物制備低溶劑型單組分聚氨酯防水涂料。維持其它條件不變，溶劑用量為3%，增塑劑用量為15%，制備預(yù)聚體時(shí)異氰酸酯指數(shù)R值為2.2，填料用量為45%?？疾炀勖阎?30N用量對單組份聚氨酯防水涂料性能和黏度的影響，結(jié)果見表2。

表2 聚醚多元醇用量對聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影響

由表2可知，隨著330N用量的增加，聚氨酯的拉伸強(qiáng)度整體來說先升高后降低，斷裂伸長率則逐漸減小。這是因?yàn)榫勖讯加昧枯^多時(shí)，分子內(nèi)線性結(jié)構(gòu)比例高，使得涂膜的斷裂伸長率相應(yīng)增大；隨著聚醚三元醇用量增加，分子內(nèi)交聯(lián)結(jié)構(gòu)比例增加，拉伸強(qiáng)度相應(yīng)提高，而斷裂伸長率則隨之減小。同時(shí)涂料體系的黏度也隨著聚醚三元醇用量的增加而逐漸增大，這是因?yàn)榫勖讶嫉姆肿淤|(zhì)量大，自身黏度較聚醚二元醇大，同時(shí)聚醚三元醇的增加使得分子內(nèi)的交聯(lián)密度也成比例增加，所以涂料體系的黏度也逐漸增大。綜合聚氨酯防水涂料的拉伸性能與黏度，聚醚中330N的用量在10%～20%為宜。

2.2.2 增塑劑的影響

在單組份聚氨酯防水涂料中，添加增塑劑不僅能降低聚氨酯防水涂料黏度，而且還能提高涂膜性能，如降低涂膜的硬度和脆性，增加涂膜的柔韌性等。維持其它條件不變，溶劑用量為3%，330N占聚醚質(zhì)量的15%，R值為2.2，填料用量為45%?？疾煸鏊軇┯昧繉谓M份聚氨酯防水涂料性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 增塑劑用量對聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影響

由表3可知，隨著增塑劑用量的增加，單組份聚氨酯防水涂料的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，斷裂伸長率逐漸增大。這是由于增塑劑降低了涂膜的硬度，增加了涂膜的柔韌性，從而大大提高斷裂伸長率。但是隨著增塑劑用量的增大，導(dǎo)致聚氨酯內(nèi)部樹脂含量降低，從而拉伸性能也隨之降低，而且低黏度的增塑劑對整個(gè)涂料體系也起到了一定的稀釋效果，所以涂料的黏度也隨著增塑劑用量的增加而逐漸降低。綜合聚氨酯防水涂料的拉伸性能與黏度，增塑劑用量在12%～18%為宜。

2.2.3 異氰酸指數(shù)R的影響

在單組分聚氨酯防水涂料中，甲苯二異氰酸酯和聚醚多元醇是主要的原材料，預(yù)聚體制備時(shí)的R值直接影響到聚氨酯防水涂料的性能。維持其它條件不變，溶劑用量為3%，330N占聚醚質(zhì)量15%，增塑劑用量為15%，填料用量為45%?？疾霷值對單組份聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影響，結(jié)果見表4。

表4 預(yù)聚體制備時(shí)異氰酸酯指數(shù)R對聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影響

由表4可知，隨著R值的逐漸增大，涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率先增大后下降。這是由于隨著—NCO含量的增加，涂膜體系內(nèi)硬鏈段數(shù)量增多，極性基團(tuán)增多，易產(chǎn)生氫鍵，使得涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率也隨之增高。當(dāng)—NCO的含量增加到一定程度時(shí)，涂膜體系內(nèi)部游離—NCO較多，會使涂膜產(chǎn)生氣泡，影響了涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。同時(shí)涂料體系的黏度隨著R值的增加而逐漸降低，這是由于游離TDI的增多使得預(yù)聚體的封端效果更加良好，不會產(chǎn)生其他交聯(lián)效果，游離的TDI也能對黏度起到稀釋作用。綜合聚氨酯防水涂料的拉伸性能與黏度，單組份聚氨酯防水涂料R值在2.0～2.2為宜。

2.2.4 填料的影響

在單組份聚氨酯防水涂料中，填料構(gòu)成了聚氨酯涂料體系的骨架，加入填料會影響整個(gè)聚氨酯防水涂料體系的強(qiáng)度和黏度。本試驗(yàn)維持其它條件不變，溶劑用量為3%，330N占聚醚質(zhì)量的15%，增塑劑用量為15%，R值為2.2，考察填料用量對單組份聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影響，結(jié)果見表5。

表5 填料用量對聚氨酯防水涂料性能和黏度的影響

由表5可知，隨著填料用量的增加，涂膜的拉伸強(qiáng)度也隨之提高，但斷裂伸長率整體呈下降趨勢，這是因?yàn)樘盍系募尤胩岣吡送苛象w系的強(qiáng)度，涂膜由軟變硬，強(qiáng)度也隨之提高，當(dāng)填料用量過多，聚氨酯樹脂無法完全包裹填料，會使得聚氨酯防水涂料的力學(xué)性能下降。同時(shí)聚氨酯防水涂料體系的黏度也隨著填料用量的增加而增大，綜合涂料的拉伸性能與黏度，單組份聚氨酯防水涂料的填料用量在39%～45%為宜。

3 低溶劑型單組份聚氨酯防水涂料的性能測試與應(yīng)用

按溶劑用量為3%、聚醚中330N用量為15%、增塑劑用量為15%、R值為2.2、填料用量為45%的最佳配比，對重復(fù)制得的低溶劑型型單組份聚氨酯防水涂料樣品進(jìn)行性能測試以及應(yīng)用施工涂膜，結(jié)果見表6、圖1。

表6 重復(fù)制樣環(huán)保型單組份聚氨酯防水涂料的性能

由表6可知，制得的環(huán)保型單組份聚氨酯防水涂料的物理性能符合GB/T 19250—2013，而且VOC≤50 g/L，符合A級要求，黏度在 9000～10 000 mPa·s，便于施工。

由圖1可知，由于采用潛固化體系，制得的低溶劑型單組份聚氨酯防水涂料涂膜表面光滑、無氣泡，外型美觀。

圖1 環(huán)保型單組份聚氨酯防水涂料樣品制膜

4 結(jié)語

（1）以聚醚二元醇（2000D）、聚醚三元醇（330N）和異氰酸酯為主要原材料，輔以低黏度增塑劑和填料制得性能優(yōu)良的低溶劑型單組份聚氨酯防水涂料。確定優(yōu)化配合比為：溶劑用量3%、聚醚中330N用量為10%～20%、增塑劑用量12%～18%、R值2.0～2.2、填料用量39%～45%。

（2）研制的環(huán)保型單組分聚氨酯防水涂料黏度低，易于施工，且采用潛固化體系，涂膜美觀，無氣泡。