水固化聚氨酯防水涂料及应用性能的研究

　摘要：阐述了在水固化聚氨酯防水涂料中对水和催化剂等用量的研究，并讨论了影响涂膜力学性能的各种因素，确定了合理的施工配比，对涂料的实际应用具有很好的指导意义。

　　关键词：水固化；聚氨酯防水涂料；力学性能

　　1 前 言

　　我国目前在防水施工中，实际应用的聚氨酯防水涂料主要包括焦油型和非焦油型两种。焦油型、石油沥青聚氨酯等成分复杂，含有大量的蒽、萘、酚类等易挥发物质，严重污染环境和危害人体健康，随着人们环保意识的增强和科技的进步，焦油型聚氨酯防水涂料的应用日益受到限制，国家正提倡采用非焦油型聚氨酯防水涂料和聚醚型聚氨酯防水涂料[1]。本文研制的水固化聚氨酯防水涂料是聚醚型、无溶剂环保型的高档合成高分子防水涂料，与传统的焦油型、石油沥青聚氨酯防水涂料相比，有着无溶剂挥发、无毒、无味、施工无污染、固化迅速等优点，符合生态发展和环境保护的要求[2]，在施工配漆时以水为固化剂，这与其他单或双组分聚氨酯防水涂料明显不同，体现出聚氨酯防水涂料研制开发的新思路、新工艺，具有广阔的市场前景。

　　2 水固化聚氨酯防水涂料的制备[3]

　　2.1 主要原料

　　聚醚多元醇，工业牌号：TDIOL―2000和TEP―330N；甲苯二异氰酸酯(TDl)；邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)；二丁基二月桂酸锡(T―12)；一缩二乙二醇(二甘醇)；消泡剂；脱水剂；抗氧剂；填料等，工业品。

　　2.2预聚体的合成

　　先将聚醚多元醇(TDIOL―2000和TEP―330N)在(110～120)℃、―0．095MPa下减压脱水(40～60)min，使之含水率≤0．05％，备用。在密闭容器中分别加入TDIOL-―2000、TDI和TEP―330N，比例为9：2：5：1，在(90～95)℃、搅拌速度为400r／min条件下反应3h左右。其间要多次抽样检测聚合物的一NCO含量，并根据其含量加入适量的一缩二乙二醇和补充适量的TDI，当预聚体的一NCO质量分为5．40％～5．50％时，即可停止反应。

　　2.3 涂料的制备

　　在高速搅拌下加入增塑剂DINP、填料(颜料)、脱水剂，分散均匀后备用。把已合成好的预聚体升温到95℃，并在高速搅拌下加入分散好的色浆、消泡剂、抗氧化剂，保温搅拌1．5 h，冷却降温至50℃，加入适量的催干剂二丁基二月桂酸锡(T―12)，分散均匀即可出料。

　　2.4 性能指标[4]

　　水固化聚氨酯防水涂料性能指标见表1。

　　表1 水固化聚氨酯防水涂料性能指标

检测项目	JC/1500-92	实测值
拉伸强度/MPa	≥1.65	≥4
断裂伸长率/%	≥350	≥450
低温柔性	≥-30℃,2h弯折无裂纹	-35℃，2h弯折无裂纹
不透水性(0.3 MPa,30min)	不渗漏	0.3 MPa，3h不渗漏
固体含量/%	≥1	≥1
粘接强度/MPa	≥20min,粘度不大于	30min粘度不大于
?	105mP?s	105mP?s
表干时间/h	≤4	≤4
实干时间/h	≤12	≤8

　　从表1显示，涂料的各项性能指标均达到或优于我国建材行业标准JC／1500―92《聚氨酯防水涂料》规定的指标。

　　3 应用性能研究

　　3.1 固化机理

　　水固化型聚氨酯防水涂料是在合成时调节异氰酸指数R在1．2～1．8，利用扩链反应制取两端带有一NCO基团且分子量足够大的预聚体，由此预聚体再混入一些助剂和填料等即成涂料。这种涂料在使用时，先加入一定量的水混合均匀，利用预聚体所含有的―NCO基团与水分反应生成脲键而固化成膜，见式（1）。

　　同时为了加快涂膜的固化速度，降低外界湿度与温度的影响，往往在制备时加入一定量的催干剂[5]。

　　3.2 加水比例的确定

　　水的添加量与涂膜力学性能关系见表2。

　　表2 水的添加量与涂膜力学性能的关系

[/table]

[table=98%]
水添加量100：10100：15100：20100：25100：30100：35100：40
最大应力/ MPa 1.792.042.232.272.552.602.73
断裂伸长率/%342.5320.8376.0419.0455.7476.8480.2
最大应力伸长率/% 237.7 277.0 284.3 306.0 330.9 348.9 380.6
涂膜收缩情况(目测)不明显收缩不明显收缩微微收缩微微收缩微微收缩明显收缩明显收缩

      
　　注：所有样片的涂膜干燥25d，涂层为一次成膜。

　　水作为水固化型聚氨酯防水涂料的固化剂，其加入比例严重影响着涂膜的力学性能和涂料混合后的胶凝时间。从表２显示，随着加水比例的增大，水固化聚氨酯防水涂料涂膜的最大应力、断裂延伸率和最大应力伸长率都随之增加。但是当加水比例大于100：30时，涂膜开始明显收缩，加水比例越大，收缩越厉害，严重影响聚氨酯防水涂料固化后的涂层性能，容易导致涂层衔接处发生断裂。水的添加量与涂膜干燥时间的关系见表3。

　　从表3显示，当加水比例不小于100：30时，涂膜的表干时间才能满足JC/T500-92规定的国家标准。由表2和表3可见，只有当加水比例在100：30左右时，水固化聚氨酯防水涂料才符合施工要求及最优的力学性能。

　　表3 水的添加量与涂膜表干、实干时间的关系

水添加量	100：10	100：15	100：20	100：25	100：30	100：35	100：40
表干时间/h	5.22	4.50	4.53	4.13	3.90	3.83	3.78
实干时间/h	10	10	9	8.5	7	7	7

　　注：催干剂T-12的添加量为0.05%，测定条件为：温度23℃，湿度55%。

　　3.3 催干剂T-12的影响

　　水固化型聚氨酯防水涂料与其它双组分聚氨酯涂料相比，缺点是其固化速度较慢，对环境温度和湿度比较敏感，不利于施工。为了提高防水涂料的固化速度，降低外界湿度与温度的影响，通常需要在涂料中加入一定量的催化剂，其作用在于降低―NCO和―OH反应活化能，加速涂料交联反应的进行，提高涂膜的交联密度，从而提高涂膜的化学稳定性和耐化学腐蚀、耐水的性能。催干剂分为反应性催干剂和非反应性催干剂量。由于反应性能干剂参与涂膜交联固化反应，只能施工时添加，造成实际应用的不便，故在涂料中一般使用非反应性催干剂[6]。配方中选用的催干剂为非反应性的二丁基二月桂酸锡（T-12）。催干剂用量与涂料凝胶时间关系见表4。

催干剂用量/%	0	0.02	0.03	0.04	0.05	0.1	0.2	0.3
凝胶时间/min	40	35	35	31	31	25	25	24

　　为了便于施工，工程上一般要求水固化型聚氨酯防水涂料的施工适应期在30min左右。从表4可以看出，随着催干剂T-12的增加，涂料胶凝时间即施工适应期随之缩短。当T-12的添加量在0.04%~0.05%时，涂料的胶凝时间比较理想。催干剂对涂膜力学性能的影响见表5。

　　表5 催干剂对涂膜力学性能的影响

水添加量	100：10	100：15	100：20	100：25	100：30	100：35	100：40
最大应力/ MPa	1.79	2.04	2.23	2.27	2.55	2.60	2.73
断裂伸长率/%	342.5	320.8	376.0	419.0	455.7	476.8	480.2
最大应力伸长率/%	237.7	277.0	284.3	306.0	330.9	348.9	380.6
涂膜收缩情况(目测)	不明显收缩	不明显收缩	微微收缩	微微收缩	微微收缩	明显收缩	明显收缩

　　注：涂膜干燥时间为25d，涂层为一次成膜。

　　从表5可见，当加水比例小于100：20时，无催干剂时的涂膜力学性能明显优于有催干剂时的力学性能；但当加水比例大于100：20时，情况却正好相反。说明当涂料的加水比例为100：30时，添加0.05%的催干剂T-12对提高涂膜的力学性能具有明显的作用。

　　3.4 基面环境的影响

　　施工时，基层的含水率对涂膜附着力具有重要的影响。一般的聚氨酯防水涂料对基层含水率要求较高，实际施工时往往难以满足要求。而水固化聚氨酯防水涂料施工时对基层含水率要求不高，与底涂配合，可以在含水率较高（但无明水）的基层上施工应用，具有较广的适应性。表6为基层环境对涂膜附着力的影响。从表6显示，当基层干燥（即含水率较低）时，无论是否使用底漆，涂膜的附着力均大于1MPa，符合施工要求；当基层潮湿（含水率较高）时，只有配合使用底漆，涂膜的附着力才能达到要求。而且无论基层含水率的高低，配合使用底漆，涂膜附着性能均优于未使用底漆的涂膜。

　　表6 基面环境对涂膜附着力的影响

基面环境	施工工艺	粘结强度/MPa
干燥基面	打底漆	1.74
	不打底漆	1.07
潮湿基面	打底漆	1.26
	不打底漆	0.46

　　注：试验是以水泥8字模块作为涂覆基面；潮湿基面试验是将水泥8字模块在水中浸泡24h，然后擦干表面的明水，迅速涂底漆或水固化聚氨酯防水涂料。所有模块涂膜固化时间都为7d。

　　4 结论

　　（1）以高分子量低不饮和度聚醚多元醇、甲苯二异氰酯酯（TDI），邻苯二甲酸二异壬酯（DINP）、二丁基二月桂酸锡（T-12）等为原料研制出了性能优异的水固化聚氨酯防水涂料。涂料以水作为固化剂，不含有任何可挥发性有机溶剂以水作为固化剂，不含有任何可挥发性有机溶剂（VOC），固化后无毒无味，可适用于饮用水工程。

　　（2）施工时，加水比例为100：30左右，水固化聚氨酯防水涂料涂层的力学性能较优。

　　（3）催干剂的添加量为0.04%~0.05%时，涂膜的固化速度较理想，且涂层的力学性能也有一定的改善。

　　（4）施工时，配合使用底漆，可大大提高涂膜的附着力，改善涂层的粘接强度。