使用條件對(duì)水性聚氨酯外墻彈性涂料拉伸性能的影響

胡朋舉, 肖 軍, 劉兵兵, 康全影

(國(guó)家環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 石家莊 050091)

目前很多建筑物的外墻通常采用水泥砂漿抹面、混凝土或凈水泥漿抹面等材料,在環(huán)境因素影響下,長(zhǎng)時(shí)間使用后表面經(jīng)常出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致涂膜開裂[1]。聚氨酯彈性涂料是一種彈性外墻涂料,不僅具有保護(hù)和裝飾作用，還具有防水和遮蓋裂縫的功能，廣泛用于酒店、辦公樓、學(xué)校和醫(yī)院等大型建筑物的外墻面[2-3]。彈性外墻漆涂膜具有高的彈性，因而當(dāng)墻體出現(xiàn)裂縫時(shí)，涂膜受到拉伸變形，可阻止開裂破壞，仍然完整的涂膜保持原有的各種防護(hù)作用，防止開裂的墻體直接暴露于大氣中[4]。我國(guó)已有對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，2005年發(fā)布了JG/T 172-2005《彈性建筑涂料》，2014年對(duì)其進(jìn)行了修訂。拉伸強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率是聚氨酯彈性涂料的兩個(gè)重要力學(xué)指標(biāo)，由于其服役時(shí)長(zhǎng)時(shí)間暴露于不同的環(huán)境中,如降雨、高溫、低溫，因此分析不同環(huán)境條件對(duì)拉伸性能的影響對(duì)水性外墻彈性建筑涂料行業(yè)非常重要。筆者依據(jù)JG/T 172-2014《彈性建筑涂料》，對(duì)比分析了水溶液、溫度、老化時(shí)間等條件對(duì)外墻彈性建筑涂料拉伸性能的影響，以期為建筑涂料行業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料采用水性聚氨酯外墻彈性建筑涂料(簡(jiǎn)稱涂料)，依據(jù)JG/T 172-2014規(guī)定，在尺寸為430 mm×150 mm×3 mm的玻璃板上放置內(nèi)輪廓尺寸為430 mm×150 mm×1 mm的不銹鋼模具，在模具內(nèi)涂覆涂料，涂膜最終成形厚度為(1.0±0.2)mm。在標(biāo)準(zhǔn)條件[溫度(23±3)℃，相對(duì)濕度(50±5)%]下養(yǎng)護(hù)48 h,制成膜后反向放入托盤并置于干燥箱內(nèi)，在溫度(80±2)℃下恒溫96 h后取出，在標(biāo)準(zhǔn)條件下再放置24 h后利用沖擊壓片設(shè)備將涂膜裁成啞鈴狀I(lǐng)型試件。每5個(gè)為1組，共制備14組試件。

1.2 試驗(yàn)方法

將涂膜裁成啞鈴狀I(lǐng)型試件，測(cè)試后得到其平均厚度，采用CTM2020型拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照J(rèn)G/T 172-2014的技術(shù)要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水溶液浸泡對(duì)涂料試件拉伸性能的影響

將3組試件分別浸泡在pH為5,7,9的溶液中，密封24 h后取出、擦干，將試件在溫度為(23±3)℃，相對(duì)濕度為(50±5)%條件下放置4 h后測(cè)試其拉伸性能，結(jié)果見表1，其中抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的變化率是相對(duì)無處理?xiàng)l件來計(jì)算的。

表1 不同pH水溶液下試件的拉伸性能

由表1可見，在JG/T 172-2014規(guī)定的試件厚度范圍內(nèi)，外墻彈性建筑涂料在不同pH的水溶液中浸泡24 h后，拉伸性能下降，斷后伸長(zhǎng)率上升。由于浸泡溶液都以水為溶劑，增加了水與游離端基-NCO的反應(yīng)，產(chǎn)生的二氧化碳增多，試件中會(huì)產(chǎn)生針孔、痱子泡等缺陷，不能起到較好的保護(hù)作用，溶液通過針孔浸入到試件內(nèi)部，導(dǎo)致拉伸性能下降[5]。同時(shí)由于分子間作用力，會(huì)使斷后伸長(zhǎng)率增大。但是涂膜已起不到防護(hù)作用，因此在生產(chǎn)過程中需合理調(diào)整-NCO 與-OH的比例[6]。

2.2 溫度對(duì)涂料試件拉伸性能的影響

將6組試件分別置于不同溫度下放置24 h后取出，然后將試件在溫度為(23±3)℃，相對(duì)濕度為(50±5)%條件下放置4 h后測(cè)試其拉伸性能。從圖1和圖2可以看出，當(dāng)溫度從-10 ℃升高至60 ℃時(shí)試件的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，斷后伸長(zhǎng)率也逐漸增大，分析原因主要是隨著溫度的升高，試件中游離的-NCO與-OH可以較慢地充分反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的氨基甲酸酯后分解釋放出二氧化碳和胺，所得的胺與另一個(gè)多異氰酸酯反應(yīng)生成聚脲，最后生成二氧化碳從試件表面慢慢逸出；同時(shí)隨著溫度的升高，分子鏈具有較低的勢(shì)能，柔順性增加，分子間的鏈段活動(dòng)空間較多，使材料的硬度降低，受力時(shí)鏈段可較快產(chǎn)生應(yīng)力取向，使聚氨酯材料的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率逐漸增大[7]。但當(dāng)溫度從60 ℃升高至80 ℃時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率急劇下降。分析原因主要是將制備好的試件放入較高溫度的環(huán)境中時(shí)，試件內(nèi)部生成的二氧化碳來不及排出，在試件內(nèi)部產(chǎn)生起泡，試件外部表面發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的二氧化碳也會(huì)產(chǎn)生起泡，導(dǎo)致試件拉伸性能降低[8]。

圖1 不同溫度下試件的抗拉強(qiáng)度

圖2 不同溫度下試件的斷后伸長(zhǎng)率

2.3 老化時(shí)間對(duì)涂料試件拉伸性能的影響

將4組試件分別放入氙弧燈老化試驗(yàn)箱中，老化條件為潤(rùn)濕時(shí)間18 min、干燥時(shí)間102 min，干燥期間的相對(duì)濕度為40%～60%，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為(38±3)℃，試件表面的平均輻照度為60 W·m-2。老化不同時(shí)間后將試件取出、擦干，在溫度為(23±3)℃、相對(duì)濕度為(50±5)%的條件下放置4 h，測(cè)試其拉伸性能。由表2可以看出,老化后的試件和原始試件相比，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都有所降低，但是老化24～168 h的試件斷后伸長(zhǎng)率變化不大，抗拉強(qiáng)度基本穩(wěn)定。分析原因主要為涂料中添加了紫外吸收劑及抗氧成分，能夠有效吸收光線中紫外線，吸收光能后發(fā)生化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生自由基，從而起到抗老化作用。但是老化試驗(yàn)初期，由于試件中含有未反應(yīng)完全的游離的-NCO與-OH反應(yīng)，導(dǎo)致拉伸性能降低[9]。

表2 不同老化時(shí)間下試件的拉伸性能

3 結(jié)論

(1)不同pH的溶液浸泡24 h后，由于浸泡溶液都以水為溶劑，增加了水與游離端基-NCO的反應(yīng)，所以涂料抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率呈上升趨勢(shì)。

(2)溫度從-10 ℃逐漸升高至60 ℃時(shí)，試件中游離的-NCO與-OH可以較慢地充分反應(yīng)，涂料的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，斷后伸長(zhǎng)率也逐漸增大，從60 ℃升高至80 ℃時(shí)，涂料抗拉強(qiáng)度急劇下降，斷后伸長(zhǎng)率逐漸增大。

(3)老化后的試件和原始試件相比，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都有所降低，但是涂料中添加了紫外吸收劑及抗氧成分，所以老化24～168 h的試件斷后伸長(zhǎng)率的變化不大，抗拉強(qiáng)度基本穩(wěn)定。