环保型铁路用高强聚氨酯防水涂料的研制
刘松鑫1 刘海龙1 聂非非1 刘瑞祥1 刘希霞2
1.潍坊市兴源防水材料股份有限公司;2.宁津县建筑工程质量监督站
1 前言
先前的铁路通常采用高强聚氨酯防水涂料产品,这种类型的产品属于煤焦油型,有害物质较多,一经挥发容易产生刺激性气味,对环境与人体造成危害。经过一段时间的发展,以北京、上海、广州为代表的经济发达地区,率先禁用了煤焦油型聚氨酯防水涂料。据调查发现,当前市场上的铁路用防水涂料相较于之前,已经有了较大的改善,填充料换成了芳烃油和沥青,刺激性和毒性都降低了。但由于沥青等增塑剂属于石油炼制副产品,成为较为复杂,其中含有大量的稠环芳烃,会在环境中扩散,对人体产生不良影响。本文就高性能、环保型铁路用高强聚氨酯防水涂料的研制展开论述。
2 实验
2.1 实验原材料
环保型增塑剂:乙酰柠檬酸三丁酯,工业级;聚醚多元醇D2000、N330:工业级;MDI:工业级;MOCA:工业级;重质碳酸钙;BYK-019。
2.2 仪器与设备
Instron3340拉力试验机;搅拌机;加热控温仪。
2.3 预聚物合成
首先将聚醚多元醇放入四口瓶中进行真空脱水,温度控制在110~120 ℃之间,脱水时间2h,待冷却后加入MDI进行反应,此时温度为 90 ℃最佳,反应后的物质就是预聚物,也称作 A组份。
2.4 固化剂的制备
将增塑剂、颜填料、分散剂以及MOCA同样放入四口瓶中,控制温度,抽真空脱水3h,待降温后加入催化剂,此时需注意要将所有物质搅拌均匀,得出物质即为固化剂,简称 B组份。
2.5 性能测试与表征
按照GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》中的规定进行试件制备,并对有害物质和力学性能进行测试。
3 结果
3.1 软硬段比对
涂料性能会对聚氨酯结构产生直接影响,其软段和硬段的含量对于聚氨酯的性能有决定性作用。硬段含量的降低,极性基团也会随之减少,如芳基和氨基甲酸酯基,这样一来,分子链的柔性增大了,调整起来也更加容易。在这个过程中,断裂伸长率增加,但拉伸强度也相应的降低,因此当软段/硬段的质量比选择至关重要,在3~4之间最佳。
3.2 聚醚多元醇用量对涂料性能的影响
本文中需要用到的聚醚有二官能度和三官能度两种,当前者减少,而后者较多时,制备的涂膜交联网络的抗拉性能强,但由于膜片偏硬,断裂的几率较大;当二官能团的聚醚多元醇的增加时,涂膜交联网络的密度降低,不宜大幅度拉伸,但膜片的柔性增加。公式表达为 n(D2000)∶n(N330)=(1.0∶1.0)~(1.5∶1.0),这种情况下制备的聚氨酯防水涂料涂膜性能最佳。
3.3 预聚体中—NCO 含量对涂料性能的影响
预聚体中游离的—NCO对涂料的性能也会产生影响,尤其是B组份中的 MOCA,两者容易发生交联反应。涂膜的性能由 A组份预聚体中—NCO含量所决定,一般来说,要将其含量控制在4%~5%之间。因为预聚体中—NCO含量的增加,分子链中的刚性链也会随之增加,包括苯环、脲键和氨基甲酸酯,此时分子链运动不畅,导致断裂伸长率下降;但柔性链段会减少,与此同时,极性基团会增多,从而形成氢键,加大涂膜的拉伸强度。
3.4 MOCA 用量对涂料性能的影响
涂膜的拉伸强度与MOCA 用量有密切联系,两者呈正相关,而断裂伸长率则是有变化趋势的,随着拉伸强度的加大,会呈现出先增后降的变化趋势。出现这种情况的原因是MOCA的用量增加了,聚氨酯链段中硬段比例增加,产生了大量的分子间氢键。MOCA 用量为3%时断裂伸长率最大,如果持续增加用量,则会出现过量反应,导致断裂伸长率下降。
3.5 环保性能的研究
在生产聚氨酯防水涂料的过程中,厂家往往会在其中添加溶剂和增塑剂,不仅能够降低涂料的粘度,还能有效的节省生产成本。但部分溶剂和增塑剂中含有苯、萘、和二甲苯等有害物质,挥发后会危害施工人员的健康,长时间下去,也会对影响到周边环境。但如果有害物质不会发,涂膜使用者也会受到损害。按照GB 19250—2013的限量要求,考察防水涂料液料中的有害物质含量,发现新型双组份高强聚氨酯防水涂料采用乙酰柠檬酸三丁酯为增塑剂,无毒害、可吸收,可以应用于施工。
4 结论
乙酰柠檬酸三丁酯具有环保性,适合用来制作增塑剂,预聚体由MDI 与聚醚多元醇合成,而固化剂则由MOCA合成,这样制作出来的双组份聚氨酯防水涂料性能良好,且无毒害性。试验结果表明,预聚体中—NCO含量、软硬段质量比和MO⁃CA 的用量选择都十分关键,分别是含量4%,质量比4,用量3%,此时n(D2000):n(N330)=1.5:1.0,按照这个比例制作出的聚氨酯防水涂料的拉伸强度较好,断裂伸长率高达590%。
综上所述,根据TB/T2965—2011《铁路混凝土桥面防水层技术条件》的要求,笨重问所制备的高强聚氨酯防水涂料性能符合标准,适用于铁路,且环保性能较好,有害物质含量也较为合理。