韩海军，段鹏飞，李红英

（北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京 101309）

聚氨酯防水涂料是以异氰酸酯、聚醚多元醇为主要原料，并配以多种助剂和填料混合反应而成的一种高分子防水涂料，分为单组分和双组分2种，施工时涂覆在基层上，反应固化后可形成连续、柔韧、无接缝的橡胶防水膜。双组分聚氨酯防水涂料在施工现场配料，因配比不准和搅拌不均匀使其涂膜起泡、鼓包、发黏及粘结力差等问题时有发生，最终酿成防水质量事故[1]。与双组分相比，单组分聚氨酯防水涂料省去了施工前的配料工序，不会发生计量差错，施工较为方便[2-3]，且涂膜强度高、弹性好、粘结力强，对基层变形适应能力较好，广泛应用于建筑屋面、外墙、地下室、厨卫间、贮水池、游泳池、屋顶花园、地铁、混凝土构件伸缩缝、道路、桥梁等防水工程[4]，颇受防水界的青睐。

单组分湿气固化聚氨酯防水涂料容易因空气中的湿度不够而造成固化时间较长、延误工期[5]，或因湿度较大，湿气（H2O）先与异氰酸酯基（—NCO）反应生成氨基预聚体和CO2气体，氨基预聚体再与—NCO反应生成脲基聚合物，固化较快使生产的CO2气体来不及逸出导致材料发泡膨胀，即涂膜表面和截面有针孔、气泡，且光泽度、强度降低，严重影响材料性能[6-7]。为了消除CO2气体的影响和固化时间较长的问题，近年来对新型的功能性改性固化剂研究和应用，可较好地解决聚氨酯材料的储存期短、固化慢、有气泡等问题。改性固化剂的固化机理与湿气固化不同，湿气先与改性固化剂反应释放出活性基团（羟基和氨基），然后与—NCO反应而交联固化，从根本上消除了CO2气体，解决材料的针孔、气泡等缺陷[8]。

本文采用异氰酸酯、复配聚醚、改性剂、增塑剂、分散剂、填料、溶剂及其它助剂，制备新型单组分聚氨酯防水涂料，讨论了不同改性剂及其用量对防水涂料物理性能、储存性能、施工性能的影响。

1 实验

1.1 主要原料

聚醚多元醇DDL-2000D，相对分子质量2000，羟值56 mgKOH/g，f=2，淄博德信联邦化工有限公司；聚醚多元醇HHJ-1，自制；增塑剂，邻苯二甲酸二丁酯（DBP），濮阳市诚意增塑剂有限公司；氯化石蜡-52，氯含量52%，密度1.25g/cm3，相对分子质量420，黏度（50℃）180mPa·s，广州厚载化工有限公司；润湿分散剂 RB-1181，密度 1.06g/cm3，黏度（20℃）90mPa·s，广州雷邦化工有限公司；炭黑FR-6800，1200目，汤阴县复瑞炭黑有限公司；轻质碳酸钙，1250目，江西省白瑞碳酸钙有限公司；超细滑石粉，600目，淄博市张店盛华精细化工厂；流变助剂HHJ-2，自制；催化剂，二月桂酸二丁基锡（T-12），美国气体化学；消泡剂DF-8205，东莞德丰消泡剂有限公司；改性剂，Hardener VP LS 2959（噁唑烷类），密度 1.07 g/cm3，黏度（23℃）3500 mPa·s，闪点92℃，拜耳材料科技股份有限公司；改性剂，QGHJ-1、QGHJ-2（亚胺类），QGHJ-3（噁唑烷类），市售；多异氰酸酯，二苯基甲烷二异氰酸酯MDI-50，异氰酸酯的质量分数33.2%，f=2，烟台万华聚氨酯有限公司；高沸点溶剂油，市售。

1.2 主要设备与仪器

悬臂式搅拌器，RW-20型，德国IKA公司；旋片式真空泵，2XZ-2型，临海市谭氏真空设备有限公司；调温电热套，KDM型，山东鄄城华鲁电热仪器有限公司；智能恒温控温仪，ZNHW-IV型，上海越众仪器设备有限公司；压力真空表，YZ-150型，测压范围-0.1～0 MPa，上海仪川仪表厂；旋转黏度计，NDJ-1B 型，测量范围 10～2×106mPa·s，武汉格莱莫检测设备有限公司；万能试验机，CMT4104型，美特斯工业系统（中国）有限公司；科研级系统体视显微镜，SZX16型，奥林巴斯（中国）有限公司。

1.3 单组分聚氨酯防水涂料的制备方法

按设计配方将聚醚多元醇、增塑剂、氯化石蜡、润湿分散剂加入四口烧瓶中，在搅拌机转速800 r/min、温度80～100℃的条件下，加入炭黑、轻质碳酸钙、超细滑石粉和流变助剂，搅拌30 min，然后将搅拌转速增至1200 r/min、温度升至105～115℃，在-0.095～-0.1 MPa的真空条件下脱水 8～12 h，之后除去真空度，降温至60℃，加入计量好的MDI-50，搅拌30 min，随后升温至80～85℃反应3 h，最后降温至50℃，加入消泡剂、催化剂、改性剂和高沸点溶剂油，在-0.095～-0.1 MPa真空条件下脱气泡30 min，即可出料制得新型单组分聚氨酯防水涂料。

新型单组分聚氨酯防水涂料的基础配方如表1所示。

表1 新型单组分聚氨酯防水涂料的基础配方

1.4 性能测试方法

按照上述基础配方合成的单组分聚氨酯防水涂料取出一部分进行涂膜性能测试，包括物理性能、表干时间、实干时间和黏度等，将剩余的料放入常温和高温（50℃）条件下存放，定时取料进行相关性能测试。

将制备的单组分聚氨酯防水涂料刮涂在聚四氟乙烯板上，制成厚1.5 mm的膜，放在标准试验条件：（23±2）℃，相对湿度（50±10）%，养护7 d后，制样，测试相关性能。涂料的干燥时间、拉伸强度、断裂伸长率、粘结强度和不透水性按GB/T 16777—2008《建筑防水材料试验方法》进行测试；撕裂强度按GB/T 529—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定》中直角形试件进行测试。

1.5 固化机理

聚氨酯改性固化剂（以下简称改性剂）是通过物理和化学的方法对普通固化剂的固化活性加以改进，封闭、钝化活泼基团，使用时再通过外界条件（如湿气、光、热、加压）将改性剂的活泼基团释放出来的一种功能性改性固化剂。

新型单组分聚氨酯防水涂料的固化机理与湿气固化有所不同，体系中的改性剂优先与湿气发生水解反应，生成含有羟基（—OH）和氨基（—NH2）的活泼氢化合物，因这种活泼氢化合物的活性比H2O高得多，故—NCO只能与—OH和—NH2反应，生成氨基甲酸酯（—NHCOO—）和脲基（—NHCONH—），避免了—NCO与H2O反应产生CO2气体（即发泡反应），所以该产品涂膜较密实，不会有鼓泡现象。常见的改性固化剂有2种类型，即亚胺类及噁唑烷类。改性固化剂的固化机理与其对比的传统湿气固化机理反应式如下：

2 结果与讨论

2.1 改性剂对防水涂料性能的影响

在干燥的环境中，改性剂与异氰酸酯可稳定共存，当有湿气存在时，改性剂水解成活泼氢化物，再与异氰酸酯反应成膜，因此，改性剂的选择必须兼顾储存稳定性、水解速度和固化速度等几个因素。水解速度太快，与空气接触的涂膜表面优先固化，使水分进入不到体系内部，导致涂膜只表干不实干或实干太慢，即体系整体固化慢；反之，水解速度太慢，会出现表干时间长、不固化或表面发黏等问题。

本实验选用几种不同类型的改性剂：QGHJ-1、QGHJ-2、QGHJ-3、Hardener VP LS 2959，其中，前 2 种为亚胺类，后 2种为噁唑烷类。按表1配方为基准，其它组分不变，采用等量（3份）不同的改性剂来考察其对单组分聚氨酯防水涂料的性能影响，结果见表2，在常温和高温（50℃）储存时不同改性剂对防水涂料黏度的影响见图1，在标准条件下养护24 h后，涂膜整体固化情况见图2。

表2 不同改性剂对防水涂料性能的影响

从表2可知，改性剂QGHJ-2和Hardener VP LS 2959制备的防水涂料物理性能较好，而QGHJ-1和QGHJ-3制备的产品相对较差，其中，亚胺类改性剂的涂膜表干相对较快，但实干较慢。

图1 在常温和高温下储存时不同改性剂对防水涂料黏度的影响

图2 改性剂对涂膜的影响

由图1可以看出，在常温和高温（50℃）储存中，亚胺类改性剂QGHJ-1、QGHJ-2制备的产品黏度上升明显，稳定性差，而噁唑烷类改性剂QGHJ-3、Hardener VP LS 2959黏度变化较小，稳定性相对较好。这是因为亚胺类水解生成伯胺类化合物，伯胺的反应活性高，胺基上的2个氢都能与—NCO基团反应生成脲键，迅速形成线性扩链或体型的交联，体系凝胶速度快，又因涂膜表面与空气接触面大，故表干时间短，表面固化快，而后续水气进入涂料内部较慢，所以实干时间较长。另外，在涂膜、搅拌过程中引入的气体，或反应产生气体（若改性剂添加量不足，—NCO和H2O反应产生CO2），会因表面固化快而不能及时排除，最终使涂膜有气泡，导致涂料的性能较差；噁唑烷类改性剂是利用醇胺与羰基化合物合成，并采用仲胺类醇胺化合物，无异构体形成。其水解生成仲胺，与—NCO基团反应相对较慢，故涂膜质量较好，无气泡或气泡较少，储存稳定性相对较好。

由图2可以看出，QGHJ-2制备的防水涂膜底部未完全固化，而Hardener VP LS 2959制备的防水涂料已完全固化，并可顺利揭膜。

根据以上不同改性剂产品的物理性能、储存性能和施工涂膜性能等综合分析，配方中各组分以质量份为基准，其它组分不变，改性剂Hardener VP LS 2959制备的防水涂料性能相对较好，可应用在该体系配方中。

2.2 改性剂用量对防水涂料性能的影响

功能性改性固化剂的加入，可提升单组分聚氨酯防水涂料的固化、交联速度，解决了高低温涂膜气泡的问题，进而可提高涂料的综合性能。本实验选用性能较好的噁唑烷类改性剂Hardener VP LS 2959。按表1配方为基准，其它组分不变，考察Hardener VP LS 2959用量对单组分聚氨酯防水涂料性能的影响，结果见表3。

表3 改性剂Hardener VP LS 2959用量对涂料性能的影响

由表3可以看出，随着改性剂Hardener VP LS 2959用量的增加，涂料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和粘结强度呈现先提高后降低的趋势。因为Hardener VP LS 2959水解后产生—NH—和—OH基团（官能度为2），并参与固化反应，故随其添加量增加，分子结构中的酯键和脲键数目增多，分子间的作用力增大，从而提高防水涂料的性能。另外，当改性剂用量不足时，体系中多余—NCO会与湿气（H2O）反应产生CO2气体，使其涂膜产生气泡，致使材料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂和粘结强度降低；当改性剂用量过多时，多余的Hardener VP LS 2959不参与固化反应，被包覆在高分子内，这时多余的改性剂仅起着增塑剂的作用，涂膜表面发黏，从而导致涂料的性能有所降低。

为了更好地说明改性剂Hardener VP LS 2959用量对单组分聚氨酯防水涂料性能的影响，利用显微镜对涂膜截面的泡孔数量和大小进行观察分析，结果见图3。

图3 不同改性剂Hardener VP LS 2959用量时涂膜截面的显微镜照片（×50）

从图3可见，随着Hardener VP LS 2959用量增加，防水涂料的单位面积内气泡数量减少，泡孔直径减小。当Hardener VP LS 2959用量为4份和5份时，涂膜截面无气泡。综合性能分析，按表1配方为基准，其它组分不变，当Hardener VP LS 2959用量为4份时较合适。

2.3 新型单组分聚氨酯防水涂料在建筑防水工程中的应用

按表1配方为基准，其它组分不变，当Hardener VP LS 2959用量为4份时，制备的新型单组分聚氨酯防水涂料的性能测试结果见表4。该材料应用在建筑防水工程中的效果见图4。

表4 新型单组分聚氨酯防水涂料的性能

图4 新型单组分聚氨酯防水涂料在建筑防水工程中的应用

由表4可以看出，制备的新型单组分聚氨酯防水涂料的性能符合GB/T19250—2013的要求。另外，该材料在建筑防水工程中的应用效果良好，高低温施工涂膜无针孔、气泡、鼓包、脱落等问题，且储存性能良好，无沉淀、结皮和固化等现象。

3 结论

（1）添加改性剂QGHJ-2和Hardener VP LS 2959制备单组分聚氨酯防水涂料的物理性能较好，而添加QGHJ-1和QGHJ-3的产品相对较差，其中，亚胺类改性剂的涂膜表干相对较快，但实干较慢；在常温和高温（50℃）储存时，QGHJ-1、QGHJ-2黏度上升明显，稳定性差，而QGHJ-3、Hardener VP LS 2959黏度变化较少，稳定性相对较好。根据不同的改性剂产品的物理性能、储存性能和涂膜性能等综合分析，改性剂Hardener VP LS 2959的改性较果相对较好，可应用在该体系配方中。

（2）随着改性剂Hardener VP LS 2959用量增加，涂料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和粘结强度呈现先提高后降低的趋势，而涂料的单位面积内气泡的数量减少，泡孔直径减小。综合各项性能分析，基础配方中其它组分不变，当Hardener VP LS 2959用量为4份时较合适。

（3）制备的单组分聚氨酯防水涂料性能符合GB/T 19250—2013要求，在建筑防水工程中的应用效果良好。

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