二苯基甲烷二異氰酸酯含量對(duì)聚氨酯防水涂料性能的影響

王宏偉 趙 麗

吉林建筑大學(xué)吉林省建筑節(jié)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室（130016）

0 前言

聚氨酯防水涂料常用的兩種生產(chǎn)原料分別是MDI 和TDI， 其中TDI 不但具有極強(qiáng)的刺激性氣味，還是劇毒危險(xiǎn)品，運(yùn)輸和加工過(guò)程都存在著很大的風(fēng)險(xiǎn)性，并且近年來(lái)TDI 的價(jià)格不斷上升，因此在聚氨酯防水涂料的生產(chǎn)過(guò)程中越來(lái)越多地使用MDI 代替TDI 作為原材料，因?yàn)镸DI 的毒性和氣味都較小[1]，價(jià)格低廉，并且生產(chǎn)出來(lái)的聚氨酯防水涂料在性能上還要略微優(yōu)于TDI 材料生產(chǎn)的聚氨酯防水材料。 因此研究MDI 對(duì)聚氨酯防水涂料的性能影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，尤其是研究MDI加入量對(duì)聚氨酯防水涂料的性能影響，對(duì)今后聚氨酯防水涂料的生產(chǎn)工藝改進(jìn)和技術(shù)進(jìn)步都具有積極的推動(dòng)作用。

1 MDI 和聚氨酯防水涂料的概念

1.1 MDI 的概念

MDI 是生產(chǎn)聚氨酯防水涂料的重要原材料，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為4，4-二苯基甲烷二異氰酸酯。 MDI 是異氰酸酯的一種，被廣泛地用于聚氨酯涂料的生產(chǎn)制造。此外，MDI 還具有非常多樣化的用途，包括生產(chǎn)防水材料、密封材料、陶器材料等。

MDI 的制備是以苯胺為原料，與甲醛反應(yīng)，在酸性溶液中縮合，用堿中和，然后蒸餾，可制得二氨基二苯甲烷，然后與碳酰氯反應(yīng)可制得，再精餾精制。

MDI 是現(xiàn)代化工生產(chǎn)中的重要材料，這也和聚氨酯材料的廣泛使用有關(guān)。 同TDI 相比，MDI 最主要的優(yōu)勢(shì)就是毒性小。 在化工生產(chǎn)過(guò)程中，盡管采用了大量的機(jī)器設(shè)備，并且生產(chǎn)大多都是在密封環(huán)境下進(jìn)行的，但是由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，還是會(huì)有化工原材料從反應(yīng)器皿中進(jìn)入空氣，從而對(duì)從事生產(chǎn)的工人造成長(zhǎng)期潛在的危害，所以在化工生產(chǎn)中采用毒性和刺激性氣味較小的MDI 材料，也是對(duì)工人生命安全和身體健康的一種保障。

此外，MDI 材料制成的聚氨酯防水涂料在性能上并不比TDI 材料制成的差，甚至在某些方面還要優(yōu)于TDI 材料制作的聚氨酯防水涂料，并且在價(jià)格上也比TDI 更有優(yōu)勢(shì)。 隨著國(guó)際油價(jià)的變化，這些由石油加工分餾而來(lái)的材料價(jià)格也不斷變化，但是我國(guó)的MDI 的進(jìn)出口數(shù)量依舊保持在一個(gè)相對(duì)經(jīng)濟(jì)健康的水平。

1.2 聚氨酯防水涂料的概念

聚氨酯防水涂料是聚氨酯材料中的一種， 聚氨酯材料作為第五大新型塑料，具有非常優(yōu)越的性能，同時(shí)具備了橡膠和塑料的優(yōu)點(diǎn):一方面，聚氨酯具有橡膠的優(yōu)秀彈性； 另一方面又具有塑料的強(qiáng)度和易于加工的優(yōu)點(diǎn)[2]。聚氨酯防水涂料繼承了聚氨酯材料的優(yōu)秀性能，除了具備高強(qiáng)度、延伸率大、耐水性能好等特點(diǎn)以外， 還擁有對(duì)于建筑物外墻起到溫度保持的作用，尤其是以MDI 為材料制作的聚氨酯防水涂料，接觸空氣中的濕氣固化，形成一層致密的防水膜。 這層防水膜耐高溫，耐磨損，性能好，強(qiáng)度高，保持時(shí)間久。聚氨酯防水涂料整體防水效果優(yōu)異，性能穩(wěn)定可靠，可適用于建筑物的不同部位等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[3]。

1.3 聚氨酯防水涂料的分類

聚氨酯防水涂料按組份可分為單組份與雙組份兩種類型。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)根據(jù)不同的固化機(jī)理將單組份聚氨酯防水涂料分為濕固化型、潛固化型、水固化型，三者外觀無(wú)明顯差別。

雙組份聚氨酯防水涂料一般分為焦油型、 非焦油型和聚醚型。

單組份聚氨酯防水涂料中濕固化單組份聚氨酯防水涂料的機(jī)理是涂料體系中-NCO 直接與空氣中的濕氣進(jìn)行反應(yīng)形成固化；潛固化型單組份聚氨酯防水涂料是體系先吸收濕氣，之后與潛固化劑反應(yīng)，形成-NH2H 和-OH，然后與體系中的-NCO 反應(yīng)形成脲基和氨基甲酸酯；水固化型單組份聚氨酯防水涂料是由使用時(shí)外加的一部分水與-NCO 反應(yīng)形成固化。

雙組份聚氨酯防水涂料是由含有聚醚多元醇或聚酯多元醇與異氰酸酯縮聚而成的-NCO 預(yù)聚體的甲組份和含有-OH 活性集團(tuán)、交聯(lián)劑等的乙組份組成，兩者通過(guò)攪拌混合進(jìn)行反應(yīng)。

1.4 施工工藝介紹

聚氨酯防水涂料對(duì)基層的要求及施工條件:

1）基層處理是聚氨酯防水涂料的關(guān)鍵因素，因此，基層必須穩(wěn)定牢固，表面干凈整潔，無(wú)明顯的缺棱掉角、空鼓、裂縫、凹坑、倒坡、起砂等缺陷。

2）對(duì)陰陽(yáng)角要進(jìn)行圓弧形處理。

3）嚴(yán)格控制基層含水率。

4）施工環(huán)境符合要求后方可施工，聚氨酯防水涂料適宜的施工環(huán)境溫度為5 ℃~35 ℃；室外施工應(yīng)避免雨、雪、露、霜等潮濕天氣。

5）施工前應(yīng)將基層表面的砂漿殘?jiān)茸屑?xì)清除；對(duì)陰陽(yáng)角、管道根部、地漏和排水口等部位應(yīng)認(rèn)真處理。

6）先進(jìn)行底涂施工，底涂干燥后才能進(jìn)行下一道程序。

2 MDI 加入量對(duì)聚氨酯防水涂料性能的影響

MDI 加入量對(duì)聚氨酯防水涂料性能的影響，主要是通過(guò)MDI 中異氰酸基含量的變化而產(chǎn)生的，因?yàn)镸DI 材料中的異氰酸基是影響聚氨酯防水涂料固化形成防水膜時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素。 異氰酸基含量的多少，對(duì)于聚氨酯防水涂料的物理力學(xué)性能存在著較大的影響。

當(dāng)MDI 含量較低的時(shí)候，所含的異氰酸基自然也相對(duì)較低，這種情況下，對(duì)聚氨酯防水涂料的主要影響在于降低了聚氨酯涂料的固化能力，導(dǎo)致了聚氨酯防水膜不能正常固化，甚至不能固化，并且出現(xiàn)聚氨酯防水膜內(nèi)部易碎、發(fā)脆的情況，使得聚氨酯防水膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都不達(dá)標(biāo)。 這是因?yàn)楫惽杷峄切纬删郯滨シ浪苛瞎袒芰Φ闹饕颍ㄟ^(guò)異氰酸基連接的苯環(huán)是聚氨酯防水涂料能夠遇空氣中的濕氣固化的主要成分。 當(dāng)MDI 含量較少時(shí)，異氰酸基含量不足，它所連接的苯環(huán)等剛性結(jié)構(gòu)也就會(huì)不足，從而影響聚氨酯防水涂料的固化能力。 這個(gè)時(shí)候就需要提高M(jìn)DI 的含量，以增加材料中的異氰酸基。

但是MDI 含量過(guò)高也會(huì)對(duì)聚氨酯防水涂料的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 異氰酸基的含量過(guò)高時(shí)，會(huì)使得聚氨酯涂膜的延展性和柔韌性下降，從而使聚氨酯涂膜的延伸率下降。 這是因?yàn)殡S著異氰酸基的含量不斷增加， 它所連接的苯環(huán)也會(huì)不斷增多，而與苯環(huán)相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)會(huì)在遇到空氣中水分時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了更多新的化學(xué)鍵，從而使得涂膜的固化能力上升，穩(wěn)定性提高，聚氨酯涂膜的強(qiáng)度也就提高了。 但是更多新化學(xué)鍵的產(chǎn)生，在化學(xué)鍵的作用下，原子之間的作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致原子的可移動(dòng)性大大減弱。 聚氨酯涂膜的延伸率主要是通過(guò)原子的自由移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在因?yàn)楫惽杷峄暮窟^(guò)高，導(dǎo)致原子無(wú)法自由移動(dòng)，自然就會(huì)影響聚氨酯涂膜的延展性和柔韌性。

因此，在聚氨酯防水涂料的生產(chǎn)制造過(guò)程中，嚴(yán)格控制MDI 的加入量就顯得非常重要，直接影響著聚氨酯涂膜的物理性能。 根據(jù)上述的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)于MDI 材料，可以適當(dāng)?shù)囟嘣黾?，也不能加入過(guò)少，因?yàn)楸M管MDI 含量過(guò)高會(huì)影響聚氨酯涂膜的延伸率，涂膜還是存在著一定的延伸率和非常好的固化能力與強(qiáng)度，對(duì)于涂膜的實(shí)際運(yùn)用所產(chǎn)生的消極影響處在可以接受的范圍。 MDI 含量過(guò)少，聚氨酯涂膜不能正常固化甚至不能固化，對(duì)涂膜的功能是從根源上影響的，所以MDI 含量過(guò)高的影響并沒(méi)有含量過(guò)低的影響大。 最佳的含量是實(shí)現(xiàn)涂膜最優(yōu)功能的選擇，延伸率不足也會(huì)導(dǎo)致涂膜覆蓋面積小，需要增多聚氨酯防水涂料的用量，導(dǎo)致成本的增加。

3 結(jié)語(yǔ)

MDI 和TDI 是生產(chǎn)制造聚氨酯防水涂料的兩種主要原材料，TDI 因?yàn)槠鋸?qiáng)烈的氣味、劇毒危險(xiǎn)性和居高不下的價(jià)格，漸漸在聚氨酯防水涂料生產(chǎn)中被MDI 取代。 在使用MDI 生產(chǎn)聚氨酯防水涂料的過(guò)程中，MDI 加入量的多少對(duì)聚氨酯防水涂料的性能具有決定性的影響。