低温快干单组分聚氨酯防水涂料的研制及施工应用

聚氨酯(PU)防水涂料是一种化学反应型防水涂料,施工固化前为无定形黏稠状液体,在任何结构复杂的基层表面均易于施工,固化后可形成一层连续、柔韧、无接缝的橡胶防水膜,具有高弹性且延伸性…

聚氨酯(PU)防水涂料是一种化学反应型防水涂料,施工固化前为无定形黏稠状液体,在任何结构复杂的基层表面均易于施工,固化后可形成一层连续、柔韧、无接缝的橡胶防水膜,具有高弹性且延伸性好、抗拉强度高、粘结性好、体积收缩小、耐久性良好等特点,对基层裂缝的伸缩性变形也有较强的适应性,被广泛应用于建筑屋面、地下室、桥梁、地铁与隧道的防潮、防水、防渗等施工中。
聚氨酯防水涂料可分为单组分和双组分两种。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,施工方便、即开即用。传统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,或因湿度较大,固化反应产生CO2 无法及时逸出而导致涂膜表面和截面有针孔、气泡等缺陷,且光泽度、强度降低,严重影响材料性能;另外,在冬季等低温环境下,单组分聚氨酯防水涂料普遍存在干燥速度慢的缺点,施工后需等待4~5 d 甚至更长的时间才能进行下一步工序。为了解决以上难题,本文采用二异氰酸酯、聚醚多元醇、快干型固化剂、增塑剂、分散剂、粉料、环保溶剂及其他助剂,制备了低温快干单组分聚氨酯防水涂料,并讨论异氰酸酯指数、快干型固化剂对防水涂料性能的影响;另外,针对工地冬季施工情况,还进行了低温环境下干燥速度的考察。

1 实验部分
1.1 主要原料
聚醚多元醇DDL-2000D:相对分子质量2 000,羟值56 mgKOH/g,f =2,淄博德信联邦化工有限公司;聚醚多元醇330N:相对分子质量4 800,羟值35mgKOH/g,f=3,上海高桥石化公司;增塑剂:环己烷1,2-二甲酸二异壬基酯,优级品,德国巴斯夫;润湿分散剂RB-1181:密度为1.06 g/cm3,黏度(20 ℃)90mPa·s,广州雷邦化工有限公司;炭黑FR-6800:1 200目,汤阴县复瑞炭黑有限公司;轻质碳酸钙:1 250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:自制;催化剂D:自制;消泡剂DF-8205:东莞市德丰消泡剂有限公司;快干型固化剂YH-88:自制;多异氰酸酯:甲苯二异氰酸酯TDI-80:异氰酸酯的质量分数48.2%,f=2,德国拜耳;环保溶剂: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;四口烧瓶:1 L,泰兴市华科实验仪器厂;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;真空压力表:YZ-150 型,测压范围-0.1~0 MPa,上海仪川仪表厂;棒式玻璃温度计:测温范围0~150 ℃,河北武强县滏阳仪表厂;电子天平:ME2002E,最大量程2 200 g、精确度0.01 g,梅特勒-托利多公司;万能试验机:CMT4104 型,美特斯工业系统(中国)有限公司;硬度计:LX-A 型,温州山度仪器有限公司。
1.3 制备方法
按照表1 所示的设计配方比例将聚醚多元醇、增塑剂、润湿分散剂加入四口烧瓶中,在800 r/min、90~100 ℃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20 min;然后将转速和温度分别升至1 200 r/min、110~120 ℃,并在-0.1~-0.095 MPa 的真空条件下脱水4~6 h;之后除去真空度,降温至70℃,加入计量好的TDI-80,搅拌30min,升温至80~85℃反应2~3 h;最后降温至60 ℃,加入消泡剂、催化剂、快干型固化剂和环保溶剂,在-0.1~-0.095 MPa 真空条件下脱气泡60 min,出料即可得低温快干单组分聚氨酯防水涂料。
低温快干单组分聚氨酯防水涂料的基础配方
1.4 性能测试
将制备的防水涂料刮涂在聚四氟乙烯板上,最终制成1.5 mm 厚的涂膜,放在标准试验条件(温度23±2 ℃、相对湿度50%±10%)下养护7 d 后,制样并测试相关性能。其中,涂料的表干时间、实干时间、拉伸强度、断裂伸长率、粘结强度和不透水性按照GB/T16777—2008《建筑防水材料试验方法》进行测试;撕裂强度按照GB/T 529—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定》中直角形试件标准进行测试。
1.5 固化机理
快干型固化剂,简称快固剂、固化剂,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、钝化活性基团,使用时再通过湿气、光、热、加压等外界条件将固化剂的活性基团释放出来的一种功能性固化剂。该快固剂,是我公司自主研发的一种针对低温环境聚氨酯专用固化剂,主要解决低温干燥慢、基层粘结差等问题,牌号YH-88。
图1—2 分别为传统单组分湿气固化机理与快干单组分固化机理。如图2 所示,快干单组分聚氨酯防水涂料的固化机理与湿气固化有所不同,体系中的快干型固化剂优先与水气发生水解反应,生成活泼氢化合物(N—H),因这种化合物活性比H2O 高得多,能首先与—NCO 反应,避免了—NCO 与H2O 反应产生CO2(即图1 中的发泡反应),且N—H 与—NCO 反应速度较快,适用于低温环境,解决冬季聚氨酯防水涂料干燥慢而延误工期等问题,且涂膜密实、粘结较好,不会有鼓泡现象。
传统单组分聚氨酯固化机理
快干单组分聚氨酯固化机理
2 结果与讨论
2.1 异氰酸酯指数对防水涂料性能的影响
在单组分聚氨酯防水涂料的配方中,只存在异氰酸根(—NCO)与活泼氢(—H)的反应形成PU 防水膜,其他组分均不参与化学反应,故—NCO 和—H 是影响防水涂料性能的主要因素。异氰酸酯指数(R)是指异氰酸根的摩尔量与活泼氢的摩尔量之比,它象征合成聚氨酯配方中—NCO 的过量程度。当R<1 时,活泼氢(如聚醚多元醇) 过量,即—NCO 被封端后,端基含有的—OH 或游离聚醚多元醇未参与反应,制备的PU 防水涂膜表面发黏,严重时难以形成大分子聚合物而导致无法成膜固化;R=1 为理想状态,两者恰好完全反应,均无剩余,但因—NCO 极其活泼,起先会有一系列副反应,消耗掉了一部分的—NCO 致使—H 微过量;因此实际应用时异氰酸酯指数R>1,但是R 值太大会导致防水涂料性能降低。故研究R 值是制备高性能聚氨酯防水涂料的关键,图3 和表2 为异氰酸酯指数对防水涂料性能的影响示意。
异氰酸酯指数对单组分聚氨酯防水涂料性能的影响
异氰酸酯指数对单组分聚氨酯防水涂料性能的影响
由图3 可知,PU 防水涂料成膜后的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和粘结强度随着异氰酸酯指数的提高,呈现出先增加后减小的趋势,而硬度逐渐增大,吸水率逐渐减小,主要原因是适当的R 值可以提高PU 防水涂料的综合性能。当R 值适当(R=1.4)时,可增加交联密度、提高硬段含量,使涂料分子链刚性增加,同时使高分子聚合物中提供强度的硬段与提供韧性的软段微相分离,故拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和粘结强度均增加;R 过大时,交联密度过大,会导致应力集中,引发PU 膜发脆、有裂纹,特别是低温条件下裂纹更严重,过度交联也会使分子链的活动能力降低,导致PU 防水涂料的强度和延伸率降低、硬度增加、膜发硬、基层渗透性变差,粘结强度随之降低;R 值过低时,PU 成膜后表面发黏,硬度偏低、吸水率偏高,最终PU 涂膜起不到防水效果。
为了较为直观地观察PU 防水涂料与基层混凝土的粘结效果,进行了R=1.4 和1.6 时的粘结试验,见图4。R=1.4 时,与基层粘结较好,需用较大的力才能勉强撕开,且碎膜也表现出较大的延伸性能;R=1.6时,膜与基层粘结较差,很容易就撕开。
异氰酸酯指数R=1.4(左)和 R=1.6(右)时 PU 涂膜与基层混凝土的粘结情况
根据以上综合性能分析,以100 份多元醇为基准,其他组分不变,当R 为1.4 时,制备的低温快干单组分聚氨酯防水涂料的性能最佳,拉伸强度为2.89MPa、断裂伸长率为1 120%、撕裂强度为17.9 N/mm、粘结强度为2.9 MPa、硬度为64、吸水率为2.0%,且涂膜表面光亮不发黏、不透水,低温弯折无裂纹。
2.2 快干型固化剂对防水涂料性能的影响
在干燥无水汽的环境中,快干型固化剂与异氰酸酯可稳定共存,当有湿气存在时,固化剂水解成活性氢化物,再与异氰酸酯反应成膜,因此,快固剂的选择必须考虑储存稳定性、水解速度和固化速度等几个方面因素。YH-88 快固剂是我公司自主研发的一种针对低温环境聚氨酯的专用固化剂,可解决低温干燥慢、基层粘结差等问题,相对分子质量为217,分解后可产生2 个活泼氢(—H),即f=2。本实验以100 份多元醇为基准,其他组分不变,考察在标准条件下快固剂YH-88 添加量对单组分聚氨酯防水涂料的性能影响,测试结果见表3。
快固剂 YH-88 用量对聚氨酯防水涂料性能的影响
由表3 可知,随着快固剂YH-88 用量的增加,PU 涂料的拉伸强度、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;而表干时间、实干时间逐渐缩短,即干燥成膜变快。由于YH-88 水解后产生活泼氢化合物(N—H),并迅速与—NCO 反应固化成膜,故随其添加量增加,涂膜的干燥速度加快,且分子结构中的脲键数目增多,分子间的作用力增大,从而提高了涂膜的性能;当快固剂过量时,虽然干燥速度较快,但也导致与混凝土基层的浸润性变差,PU 涂料无法很好地渗透到混凝土基层的毛细孔中,达不到较好的粘结性;其次,分子结构中脲键过多,涂料成膜后性能也会降低;且YH-88 的价格昂贵,从经济效益来看,添加量不宜过多。实验表明,100 份多元醇时8 份快固剂最为合适。
其次,考察了低温环境(温度5±2 ℃,相对湿度50%±10%) 下YH-88 添加量为8 份时的干燥速度,分别监测标准测试条件和现场施工模拟下的表干时间与实干时间。标准测试即在120 mm×50 mm×2 mm的铝板上刮涂0.5 mm 和1.0 mm 的聚氨酯涂膜,见图5 左;现场施工模拟即在同大小聚四氟乙烯板上一次性刮涂1.5 mm、2.0 mm 厚的涂膜,见图5 右。具体聚氨酯防水涂料的干燥速度见表4。
低温环境下 8 份快固剂 YH-88 的成膜效果,低温环境下 8 份快固剂 YH-88 的干燥速度
由图5 和表4 可知,低温环境下快干型单组分聚氨酯防水涂料能够满足24 h 内实干,且涂膜外观良好。综合性能分析,以100 份多元醇为基准,当其他组分不变,R=1.4、YH-88 添加量为8 份时,制备的低温快干单组分聚氨酯防水涂料的性能最佳,拉伸强度2.88 MPa、断裂伸长率1 118%、撕裂强度17.9 N/mm,且干燥成膜速度快,与基层的粘结性能较好,低温环境下涂膜24 h 内可实干,涂膜表面和截面均无气泡。
2.3 综合性能与应用
在本实验配方中,以100 份多元醇为基准,其他组分不变,当R=1.4、YH-88 添加量为8 份时,制备的低温快干单组分聚氨酯防水涂料的性能最佳,测试结果见表5。
低温快干单组分聚氨酯防水涂料的性能
表5 可以看出,低温快干单组分聚氨酯防水涂料的性能能够满足国标GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》的标准要求,且在低温环境下施工,可在24h 内实干。另外,该材料应用于建筑防水工程中,可采用刮涂或喷涂施工,固化成膜良好,未出现起鼓、开裂、脱落等问题,见图6。
低温快干单组分聚氨酯防水涂料的 刮涂(左)和喷涂(右)施工
3 结语
1)PU 防水涂料成膜后的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和粘结强度随着异氰酸酯指数的提高,呈现出先增加后减小的趋势,然而硬度逐渐增大,吸水率逐渐减小。据综合性能分析,以100 份多元醇为基准,其他组分不变,当R 为1.4 时,制备低温快干单组分聚氨酯防水涂料的性能最佳,且涂膜表面光亮不发黏、不透水,-35 ℃低温弯折无裂纹。
2)随着快干型固化剂YH-88 用量的增加,PU 涂料的拉伸强度、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,而表干时间、实干时间逐渐缩短,即干燥成膜变快。综合性能分析,以100 份多元醇为基准,其他组分不变,当R=1.4、YH-88 添加量为8 份时,制备低温快干单组分聚氨酯防水涂料的性能最佳,干燥成膜速度快,与基层的粘结性能较好;此外在低温环境下,涂膜后24 h 内可实干,且涂膜表面和截面均无气泡,即涂膜外观良好。
3) 低温快干单组分聚氨酯防水涂料的性能满足国标GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》的标准要求,且低温环境,施工涂料后,可在24 h 内实干。

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