一種無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的結(jié)構(gòu)分析和性能研究

姜廣明，肖凱巍，黃 挺，胡 水，劉昊北，王強(qiáng)強(qiáng)

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.立邦涂料（中國(guó)）有限公司，上海 201201；3.北京化工大學(xué)，北京 100029；4.中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)，北京 100037；5.中國(guó)國(guó)檢測(cè)試控股集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

0 引言

建筑的混凝土地面可能受到溫濕度變化、車輛行駛動(dòng)載荷、冬季雪水凍融循環(huán)而發(fā)生表面開(kāi)裂；也可能受到混凝土碳化、酸雨腐蝕以及其他腐蝕液體作用而發(fā)生侵蝕甚至結(jié)構(gòu)破壞。使用剛性較高的環(huán)氧地坪涂料，有可能隨著地面的開(kāi)裂而破損，失去對(duì)地面的保護(hù)能力。聚氨酯地坪涂料具有一定的彈性和柔韌性［1］，配套無(wú)溶劑型聚氨酯底涂、無(wú)溶劑型聚氨酯面涂、無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的體系［2］，具有抗裂、防滑、耐磨、耐候和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地保護(hù)建筑地面。

聚氨酯地坪涂料分為水性聚氨酯地坪涂料、溶劑型聚氨酯地坪涂料和無(wú)溶劑型聚氨酯地坪涂料。水性聚氨酯地坪涂料分為單組分和雙組分兩類［3］，性能可以滿足一般場(chǎng)合需求，無(wú)毒無(wú)污染［4］。溶劑型聚氨酯地坪涂料中含有大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物和少量游離異氰酸酯，而無(wú)溶劑型型聚氨酯地坪涂料則無(wú)揮發(fā)性有機(jī)物，有發(fā)展優(yōu)勢(shì)［5，6］。聚氨酯地坪涂料的硬度、耐磨性和拉伸性能可以調(diào)節(jié)異氰酸酯和含羥基樹(shù)脂的比例來(lái)控制［7］。脂肪族聚氨酯地坪涂料的耐候性優(yōu)于芳香族的地坪涂料［8］。

本文分析了一款無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的組分，研究了其固化后的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，測(cè)試了涂層的物理性能、耐介質(zhì)性能和耐人工氣候老化性，證實(shí)了使用脂肪族異氰酸酯固化劑的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐磨性和耐候性都非常優(yōu)異。

1 原材料

本文使用的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆為雙組份；主劑為灰色；固化劑為無(wú)色透明。根據(jù)不同的主劑與固化劑的比例，分別制備聚氨酯地坪罩面漆涂層并測(cè)試其性能。主劑與固化劑的比例分別按照100∶60（w/w）、100∶70（w/w）、100∶83（w/w）、100∶90（w/w）、100∶100（w/w），共 5 種配比。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

熱失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生產(chǎn)的 TGA/DSC1 同步熱分析儀（型號(hào) STARe system）測(cè)試，氮?dú)鈿夥?，測(cè)試的溫度范圍為 40～900 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

紅外光譜使用美國(guó) Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生產(chǎn)的 Nicolet 6700 傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)試，掃描范圍為 4 000～600 cm-1，分辨率為 4 cm-1。采用 ATR 方式測(cè)試涂層的紅外光譜。

聚氨酯地坪罩面漆涂層的基本性能的測(cè)試依據(jù) GB/T 22374-2018《地坪涂裝材料》。

3 結(jié)果與討論

3.1 罩面漆組分的熱失重分析

聚氨酯地坪罩面漆的主劑和固化劑的熱失重分析結(jié)果如圖 1（a）和圖 1（b）所示。

圖1 無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的主劑和固化劑的熱失重分析

從圖 1（a）可以看出，罩面漆的主劑只有一個(gè)失重臺(tái)階，并且主劑的殘重很高，高達(dá) 70 %。這說(shuō)明罩面漆的主劑中的樹(shù)脂含量較少，填料的成分比較高且填料不為碳酸鈣。從圖 1（a）可以看出，罩面漆的固化劑有 3 個(gè)失重臺(tái)階，并且殘重極低，幾乎為 0。這說(shuō)明罩面漆的固化劑中幾乎為 100 %的異氰酸酯，沒(méi)有其他填料成分。罩面漆的固化劑的第二個(gè)分解臺(tái)階的溫度低于 500 ℃，說(shuō)明固化劑中沒(méi)有耐熱的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，固化劑是脂肪族的異氰酸酯。

從圖 1（b）可以看出，罩面漆的主劑的最大分解速率溫度為 325 ℃。從圖 1（b）可以看出，罩面漆的固化劑的最大分解速率溫度有 3 個(gè)，分別為 288 ℃、442 ℃ 和 667 ℃。

3.2 涂層的紅外分析

不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的紅外光譜的結(jié)果，如圖 2 所示。

從圖 2 可以看出，3 330 cm-1為 N-H 伸縮振動(dòng)峰，2 930 cm-1和 2 860 cm-1為-CH2、-CH3的伸縮振動(dòng)峰，1 680 cm-1為聚氨酯基團(tuán)的-C=O 伸縮振動(dòng)峰，1 250 cm-1為 C-O-C 的伸縮振動(dòng)峰。這是典型的聚氨酯地坪罩面漆的紅外光譜［9］。

圖2 不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的紅外光譜

從圖 2 還可以看出，5 個(gè)不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆在 2 270 cm-1都有一個(gè)中等強(qiáng)度的峰，并且紅外峰的高度隨固化劑的比例增加而提高。這是殘余的-NCO 的特征吸收峰。這說(shuō)明在這些固化劑的比例下，異氰酸酯的量都有過(guò)量，而且殘余的-NCO 與空氣中的水的反應(yīng)速度很慢。

3.3 涂層的熱失重分析

不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的熱失重分析的結(jié)果，如圖 3 所示。

從圖 3（a）可以看出，無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的固化劑比例越高，涂層的殘重越低。這是因?yàn)橹鲃┑臍堉馗?，固化劑的加入量越多時(shí)涂層中樹(shù)脂含量提高，涂層的殘重降低。5 種不同比例下，無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆在 200 ℃ 時(shí)的質(zhì)量損失都非常小，這說(shuō)明固化劑的比例不同時(shí)，無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的 VOC 含量很低，非常環(huán)保。

圖 3（b）可以看出，不同交聯(lián)程度下，聚氨酯地坪罩面漆的熱穩(wěn)定性也幾乎沒(méi)有區(qū)別，最大分解速率溫度很接近。無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆有 2 個(gè)最大分解速率溫度，第一個(gè)峰在約 230 ℃ 左右（對(duì)應(yīng)著聚氨酯中烷基鍵的斷裂分解），第二個(gè)峰在約 460 ℃ 左右（對(duì)應(yīng)著聚氨酯結(jié)構(gòu)的分解）。同時(shí)在 380 ℃ 左右還有一份肩峰形狀的分解，這個(gè)肩峰對(duì)應(yīng)著主劑中蓖麻油酸主鍵的分解，這也說(shuō)明聚氨酯罩面漆的主劑中含有少量的蓖麻油酸成分［10］。

圖3 不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的熱失重分析結(jié)果

3.4 涂層的基本性能分析

不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆涂層的物理性能，如表 1 所示。

表1 不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的物理性能

從表 1 可以看出，固化劑的比例提高后，無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的硬度和耐磨性都增強(qiáng)；而且當(dāng)主漆與固化劑的比例超過(guò) 100∶70（w/w）時(shí)，耐磨性的損耗特別小，這說(shuō)明固化劑的增多提高了聚氨酯罩面漆的交聯(lián)程度，增強(qiáng)了聚氨酯罩面漆的物理性能。該無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆樣品的耐磨性優(yōu)異除了與聚氨酯本身的特性有關(guān)外，還因?yàn)橹鲃┲械拇罅刻盍掀鸬搅顺湍ス橇系淖饔谩?/p>

從表 2 可以看出，不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐介質(zhì)性能都很優(yōu)秀，耐水、耐堿和耐油都沒(méi)有異常。耐硫酸后，不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆都發(fā)生了顏色的輕微變化。聚氨酯地坪罩面漆涂層耐酸性變色可能與罩面漆主劑中加入的灰色顏料有關(guān)。

表2 不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐介質(zhì)性能

從表 3 可以看出，不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐人工氣候老化性都很好，600 h 的耐人工氣候老化均無(wú)異常。這也說(shuō)明耐人工氣候老化性是聚氨酯地坪罩面漆優(yōu)于環(huán)氧地坪涂料的特點(diǎn)。

表3 不同比例的無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐人工氣候老化性

4 結(jié)論

本文分析了一種無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的組分，對(duì)不同比例固化的涂層進(jìn)行了微觀性能分析，從涂層的基本性能如物理性能、耐介質(zhì)性能、耐人工氣候老化性的結(jié)果介紹了無(wú)溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，證明該無(wú)溶劑型聚氨酯罩面漆產(chǎn)品有著優(yōu)異的耐磨性和耐候性。Q