環(huán)保型單組分聚氨酯防水涂料的制備及性能研究

韓海軍 王小雪 劉金景 劉操 段鵬飛 胡偉

(北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司 特種功能防水材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 101309)

聚氨酯(PU)防水涂料是以異氰酸酯、聚醚多元醇為主要原料,并配以多種助劑和填料，經(jīng)聚合反應(yīng)配制而成。通常將其涂覆在基層上使用,反應(yīng)固化后形成連續(xù)、柔韌、無接縫的橡膠狀彈性防水膜[1-5]。PU涂膜強(qiáng)度高,彈性好,粘結(jié)力強(qiáng)。PU防水涂料廣泛應(yīng)用于建筑屋面、外墻、地鐵、地下室、廚衛(wèi)間、橋梁等防水工程,受到防水界的青睞。

傳統(tǒng)單組分濕固化PU防水涂料是通過空氣中的水分直接與涂料中的異氰酸酯基反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體,濕氣過大或環(huán)境溫度過高會導(dǎo)致涂膜有針孔和氣泡,強(qiáng)度降低,影響材料防水性能[6-7]。單組分PU防水涂料中配入潛固化劑,其固化機(jī)理與濕固化不同,水分先與潛固化劑反應(yīng)生成氨基，氨基再與NCO基反應(yīng)而交聯(lián)固化,這從根本上消除了CO2氣體,解決材料的針孔、氣泡等缺陷[8]。

本研究采用聚醚、增塑劑、二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、分散劑、消泡劑、粉料、催化劑、潛固化劑、低有害物質(zhì)含量的環(huán)保溶劑及其他助劑,制備低有機(jī)揮發(fā)物含量的環(huán)保型單組分聚氨酯防水涂料,討論了聚醚、環(huán)保溶劑、固化劑對防水涂料性能的影響,并在建筑防水工程中考察了施工應(yīng)用性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料與設(shè)備

聚醚二醇HLM(Mn=3 000)、聚醚三醇HLY(Mn=5 000),市售;消泡劑DF-8205,東莞市德豐消泡劑有限公司;二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI-50),萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司;增塑劑DINCH,優(yōu)級品,德國巴斯夫公司;潤濕分散劑RB-1181,廣州雷邦化工有限公司;炭黑MA-100,日本三菱化學(xué)公司;超細(xì)滑石粉(600目)、超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣(1 250目)、芳香烴類環(huán)保溶劑HW,市售;流變助劑、復(fù)配催化劑M、潛固化劑X,自制。

RW-20型懸臂式攪拌器,德國IKA公司;CMT4104型萬能試驗(yàn)機(jī),美特斯有限公司;氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(TRACE 1300型氣相色譜儀、TSQ 7000型質(zhì)譜儀),賽默飛世爾公司。

1.2 單組分聚氨酯防水涂料的制備

單組分聚氨酯防水涂料基本配方見表1,其中聚醚多元醇總量為100份。

表1 環(huán)保型單組分聚氨酯防水涂料的基礎(chǔ)配方

按配方將聚醚、消泡劑、增塑劑和潤濕分散劑先加入四口燒瓶中,攪拌加熱至100～110 ℃,加入炭黑、填料和流變助劑,然后在110～120 ℃、表壓-0.095～-0.1 MPa的條件下真空脫水4～6 h,除去真空,降溫至60～65 ℃,加入MDI-50,攪拌35 min,隨后升溫至80～85 ℃反應(yīng)3～4 h,最后降溫至50～60 ℃,加入催化劑、潛固化劑和溶劑,在-0.095～-0.1 MPa真空脫氣泡45 min之后得PU防水涂料。

1.3 制樣及性能測試

將涂料刮涂在聚四氟乙烯板上,放在(23±2)℃、相對濕度(50±10)%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d,制成厚1.5 mm的膜,測試相關(guān)性能。按照GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》的方法進(jìn)行測試,其中不透水性指0.3 MPa壓力120 min的情況。

1.4 聚氨酯合成及固化機(jī)理

固化劑優(yōu)先與H2O反應(yīng)釋放出含有2個(gè)氨基的化合物,再與含有NCO基預(yù)聚體反應(yīng)成膜。具體化學(xué)反應(yīng)如下:

2 結(jié)果與討論

2.1 聚醚多元醇對防水涂料性能的影響

為了保證單組分聚氨酯防水涂料滿足一定的強(qiáng)度和彈性,選用聚醚二醇HLM和聚醚三醇HLY進(jìn)行復(fù)配。當(dāng)潛固化劑X和環(huán)保溶劑HW的添加量分別為6份和15份、聚醚總量為100份時(shí),考察聚醚HLM/聚醚HLY的質(zhì)量比對防水涂料涂膜性能的影響,結(jié)果見表2。

表2 聚醚二醇/聚醚三醇質(zhì)量比對防水涂料性能的影響

從表2可知,隨著聚醚HLM含量的增加,涂料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)度都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,而邵A硬度、與混凝土的粘接強(qiáng)度逐漸減小。這是由于聚醚二醇與二異氰酸酯MDI-50反應(yīng)生成直鏈型分子,對涂膜的延伸性能有明顯貢獻(xiàn),而聚醚三醇與MDI-50反應(yīng)可形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)慕宦?lián)度可提高涂料的強(qiáng)度。當(dāng)聚醚二醇的含量較少時(shí),涂料交聯(lián)度過大,會導(dǎo)致應(yīng)力集中,材料的硬度偏大,強(qiáng)度和延伸率降低,低溫易產(chǎn)生裂紋;當(dāng)聚醚二醇的含量較多時(shí),交聯(lián)度低,涂料的硬度低,膜偏軟,表面發(fā)粘,強(qiáng)度和延伸率低,抗透水性下降。因此適量聚醚二醇和三醇復(fù)配,可平衡涂料的性能,聚醚二醇/聚醚三醇質(zhì)量比為60/40時(shí),制備PU防水涂料的性能最佳。

2.2 環(huán)保溶劑用量對防水涂料性能的影響

本實(shí)驗(yàn)采用的溶劑為環(huán)保型溶劑HW。當(dāng)聚醚二醇和聚醚三醇的用量分別為60份和40份、潛固化劑X的添加量為6份時(shí),考察環(huán)保溶劑的用量對防水涂料性能的影響,結(jié)果見表3。

表3 環(huán)保溶劑HW用量對涂料性能的影響

從表3可知,環(huán)保溶劑HW含量增加,對涂料的表實(shí)干、VOC和萘含量有影響。這是由于環(huán)保溶劑本身不參與任何化學(xué)反應(yīng),其作用是為了降低體系黏度,便于施工。由于溶劑多,成膜慢,涂料的表、實(shí)干時(shí)間長。因溶劑室溫難完全揮發(fā),造成涂料中VOC和萘含量增加,其中萘是溶劑中雜質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)采用氣味低及環(huán)保性相對較高的MDI-50,涂料中無游離TDI。

根據(jù)環(huán)保性能和施工性能綜合考慮,以100份聚醚多元醇為基準(zhǔn),其他組分不變,當(dāng)環(huán)保溶劑HW的添加量在15份時(shí),制備的防水涂料綜合性能較好。

2.3 潛固化劑對防水涂料性能的影響

本研究采用的潛固化劑X不參與前期的預(yù)聚反應(yīng),只參與后期固化成膜反應(yīng),優(yōu)先于預(yù)聚體與水分反應(yīng),避免CO2氣體的產(chǎn)生。聚醚二醇和聚醚三醇的用量分別為60份和40份,環(huán)保溶劑HW的添加量為15份,預(yù)聚體的NCO含量及預(yù)聚體用量固定,考察潛固化劑X的用量對防水涂料性能的影響,結(jié)果見表4。

表4 潛固化劑X用量對涂料性能的影響

由表4可知,隨著潛固化劑X用量增加,涂料的固化時(shí)間縮短,涂膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、撕裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。另外,涂膜表面和截面外觀越來越好。涂料固化隨潛固化劑X增加而變快的原因是潛固化劑X遇水分解的速率及分解產(chǎn)生的氨基與預(yù)聚體NCO基反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于H2O與預(yù)聚體NCO基直接反應(yīng)的速率。

X含量太高,則成膜過快,會導(dǎo)致涂料與基層的浸潤性(滲透性)較差,致使涂料實(shí)干前無充分時(shí)間滲透到基層的毛細(xì)孔中,造成粘接力降低;并且X用量過多,產(chǎn)生的脲鍵會增多,也會封端預(yù)聚體,導(dǎo)致生成PU的分子鏈變短,最終使涂料的綜合性能降低。綜合分析,以100份多元醇為基準(zhǔn),其他組分不變,當(dāng)潛固化劑X的用量為6份時(shí),制備的防水涂料性能最佳。

2.4 環(huán)保型單組分聚氨酯防水涂料的綜合性能

確定聚醚二醇和聚醚三醇的用量分別為60份和40份,環(huán)保溶劑HW的用量為15份,潛固化劑X的用量為6份,制備的防水涂料的物理性能和環(huán)保性能測試結(jié)果見表5。

表5 環(huán)保型單組分聚氨酯防水涂料的性能

從表5可知,PU涂料的性能既滿足國標(biāo)GB/T 19250—2013的要求,同時(shí)也滿足京津冀地方標(biāo)準(zhǔn)DB 113005—2017的VOC含量≤100 g/L的要求。該材料應(yīng)用于建筑防水工程中,固化成膜良好,與基層粘接力良好,未出現(xiàn)起鼓、開裂、脫落等問題。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)聚醚二醇和聚醚三醇用量分別為60份和40份、環(huán)保溶劑HW用量為15份、潛固化劑X用量為6份時(shí),制備的防水涂料的物理性能和環(huán)保性能最佳。

(2)本研究制備的PU防水涂料的性能同時(shí)滿足國標(biāo)GB/T 19250—2013和京津冀地標(biāo)DB 113005—2017的要求,且該材料在建筑防水工程中應(yīng)用效果良好。