韩海军 王小雪 刘金景 刘操 段鹏飞 胡伟

(北京东方雨虹防水技术股份有限公司 特种功能防水材料国家重点实验室 北京 101309)

聚氨酯(PU)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，经聚合反应配制而成。通常将其涂覆在基层上使用,反应固化后形成连续、柔韧、无接缝的橡胶状弹性防水膜[1-5]。PU涂膜强度高,弹性好,粘结力强。PU防水涂料广泛应用于建筑屋面、外墙、地铁、地下室、厨卫间、桥梁等防水工程,受到防水界的青睐。

传统单组分湿固化PU防水涂料是通过空气中的水分直接与涂料中的异氰酸酯基反应产生CO2气体,湿气过大或环境温度过高会导致涂膜有针孔和气泡,强度降低,影响材料防水性能[6-7]。单组分PU防水涂料中配入潜固化剂,其固化机理与湿固化不同,水分先与潜固化剂反应生成氨基，氨基再与NCO基反应而交联固化,这从根本上消除了CO2气体,解决材料的针孔、气泡等缺陷[8]。

本研究采用聚醚、增塑剂、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、分散剂、消泡剂、粉料、催化剂、潜固化剂、低有害物质含量的环保溶剂及其他助剂,制备低有机挥发物含量的环保型单组分聚氨酯防水涂料,讨论了聚醚、环保溶剂、固化剂对防水涂料性能的影响,并在建筑防水工程中考察了施工应用性能。

1 实验部分

1.1 主要原料与设备

聚醚二醇HLM(Mn=3 000)、聚醚三醇HLY(Mn=5 000),市售;消泡剂DF-8205,东莞市德丰消泡剂有限公司;二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50),万华化学集团股份有限公司;增塑剂DINCH,优级品,德国巴斯夫公司;润湿分散剂RB-1181,广州雷邦化工有限公司;炭黑MA-100,日本三菱化学公司;超细滑石粉(600目)、超细轻质碳酸钙(1 250目)、芳香烃类环保溶剂HW,市售;流变助剂、复配催化剂M、潜固化剂X,自制。

RW-20型悬臂式搅拌器,德国IKA公司;CMT4104型万能试验机,美特斯有限公司;气相色谱-质谱联用仪(TRACE 1300型气相色谱仪、TSQ 7000型质谱仪),赛默飞世尔公司。

1.2 单组分聚氨酯防水涂料的制备

单组分聚氨酯防水涂料基本配方见表1,其中聚醚多元醇总量为100份。

表1 环保型单组分聚氨酯防水涂料的基础配方

按配方将聚醚、消泡剂、增塑剂和润湿分散剂先加入四口烧瓶中,搅拌加热至100～110 ℃,加入炭黑、填料和流变助剂,然后在110～120 ℃、表压-0.095～-0.1 MPa的条件下真空脱水4～6 h,除去真空,降温至60～65 ℃,加入MDI-50,搅拌35 min,随后升温至80～85 ℃反应3～4 h,最后降温至50～60 ℃,加入催化剂、潜固化剂和溶剂,在-0.095～-0.1 MPa真空脱气泡45 min之后得PU防水涂料。

1.3 制样及性能测试

将涂料刮涂在聚四氟乙烯板上,放在(23±2)℃、相对湿度(50±10)%的标准条件下养护7 d,制成厚1.5 mm的膜,测试相关性能。按照GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》的方法进行测试,其中不透水性指0.3 MPa压力120 min的情况。

1.4 聚氨酯合成及固化机理

固化剂优先与H2O反应释放出含有2个氨基的化合物,再与含有NCO基预聚体反应成膜。具体化学反应如下:

2 结果与讨论

2.1 聚醚多元醇对防水涂料性能的影响

为了保证单组分聚氨酯防水涂料满足一定的强度和弹性,选用聚醚二醇HLM和聚醚三醇HLY进行复配。当潜固化剂X和环保溶剂HW的添加量分别为6份和15份、聚醚总量为100份时,考察聚醚HLM/聚醚HLY的质量比对防水涂料涂膜性能的影响,结果见表2。

表2 聚醚二醇/聚醚三醇质量比对防水涂料性能的影响

从表2可知,随着聚醚HLM含量的增加,涂料的拉伸强度、断裂伸长率和撕裂强度都呈现先升高后降低的趋势,而邵A硬度、与混凝土的粘接强度逐渐减小。这是由于聚醚二醇与二异氰酸酯MDI-50反应生成直链型分子,对涂膜的延伸性能有明显贡献,而聚醚三醇与MDI-50反应可形成交联网络结构。适当的交联度可提高涂料的强度。当聚醚二醇的含量较少时,涂料交联度过大,会导致应力集中,材料的硬度偏大,强度和延伸率降低,低温易产生裂纹;当聚醚二醇的含量较多时,交联度低,涂料的硬度低,膜偏软,表面发粘,强度和延伸率低,抗透水性下降。因此适量聚醚二醇和三醇复配,可平衡涂料的性能,聚醚二醇/聚醚三醇质量比为60/40时,制备PU防水涂料的性能最佳。

2.2 环保溶剂用量对防水涂料性能的影响

本实验采用的溶剂为环保型溶剂HW。当聚醚二醇和聚醚三醇的用量分别为60份和40份、潜固化剂X的添加量为6份时,考察环保溶剂的用量对防水涂料性能的影响,结果见表3。

表3 环保溶剂HW用量对涂料性能的影响

从表3可知,环保溶剂HW含量增加,对涂料的表实干、VOC和萘含量有影响。这是由于环保溶剂本身不参与任何化学反应,其作用是为了降低体系黏度,便于施工。由于溶剂多,成膜慢,涂料的表、实干时间长。因溶剂室温难完全挥发,造成涂料中VOC和萘含量增加,其中萘是溶剂中杂质。本实验采用气味低及环保性相对较高的MDI-50,涂料中无游离TDI。

根据环保性能和施工性能综合考虑,以100份聚醚多元醇为基准,其他组分不变,当环保溶剂HW的添加量在15份时,制备的防水涂料综合性能较好。

2.3 潜固化剂对防水涂料性能的影响

本研究采用的潜固化剂X不参与前期的预聚反应,只参与后期固化成膜反应,优先于预聚体与水分反应,避免CO2气体的产生。聚醚二醇和聚醚三醇的用量分别为60份和40份,环保溶剂HW的添加量为15份,预聚体的NCO含量及预聚体用量固定,考察潜固化剂X的用量对防水涂料性能的影响,结果见表4。

表4 潜固化剂X用量对涂料性能的影响

由表4可知,随着潜固化剂X用量增加,涂料的固化时间缩短,涂膜的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和粘结强度呈现先增加后减小的趋势。另外,涂膜表面和截面外观越来越好。涂料固化随潜固化剂X增加而变快的原因是潜固化剂X遇水分解的速率及分解产生的氨基与预聚体NCO基反应速率远大于H2O与预聚体NCO基直接反应的速率。

X含量太高,则成膜过快,会导致涂料与基层的浸润性(渗透性)较差,致使涂料实干前无充分时间渗透到基层的毛细孔中,造成粘接力降低;并且X用量过多,产生的脲键会增多,也会封端预聚体,导致生成PU的分子链变短,最终使涂料的综合性能降低。综合分析,以100份多元醇为基准,其他组分不变,当潜固化剂X的用量为6份时,制备的防水涂料性能最佳。

2.4 环保型单组分聚氨酯防水涂料的综合性能

确定聚醚二醇和聚醚三醇的用量分别为60份和40份,环保溶剂HW的用量为15份,潜固化剂X的用量为6份,制备的防水涂料的物理性能和环保性能测试结果见表5。

表5 环保型单组分聚氨酯防水涂料的性能

从表5可知,PU涂料的性能既满足国标GB/T 19250—2013的要求,同时也满足京津冀地方标准DB 113005—2017的VOC含量≤100 g/L的要求。该材料应用于建筑防水工程中,固化成膜良好,与基层粘接力良好,未出现起鼓、开裂、脱落等问题。

3 结论

(1)当聚醚二醇和聚醚三醇用量分别为60份和40份、环保溶剂HW用量为15份、潜固化剂X用量为6份时,制备的防水涂料的物理性能和环保性能最佳。

(2)本研究制备的PU防水涂料的性能同时满足国标GB/T 19250—2013和京津冀地标DB 113005—2017的要求,且该材料在建筑防水工程中应用效果良好。