阻燃型聚脲防水涂料的制备及其应用

张伶俐，陈博远，黄汉裕，李国荣
（广州秀珀化工股份有限公司，广东广州511495）

0 引言
喷涂聚脲技术凭借优异的防水、防腐、耐老化性能和快速固化、施工周期短的特点，在屋面防水翻新和保温防水一体化工程中得到了广泛的认可和应用。
近年来，由于外墙、屋面材料问题导致的火灾事故频繁，提升建筑材料的防火性能是当务之急。目前正在修订中的GB 8624《建筑及装修材料（制品）燃烧性能分级》标准和制定中的《屋面系统材料燃烧性能试验方法》标准拟对屋面材料按照系统或制品方式进行燃烧测试，规定相关的判断依据。GB 8624 关于屋面系统或制品燃烧的相关分级标准，将被修订中的GB 50016《建筑防火设计规范》引用。以上标准一旦正式实施，将对屋面材料阻燃性能提出硬性要求。聚脲防水涂料本身是一种易燃的高聚物，对其进行阻燃性能改进已成为必然。本文制备了力学性能和阻燃性能兼备的阻燃聚脲防水涂料，探讨了阻燃剂的类型及添加量对其力学性能和阻燃性能的影响，并通过案例简单介绍了阻燃聚脲防水涂料在防水保温一体化屋面中的应用。

1 实验部分
1.1 原材料
聚醚多元醇（N220、N330）、液化异氰酸酯（MDI）、液态添加型阻燃剂、胺类扩链剂、纳米氢氧化铝、纳米氢氧化镁、阻燃树脂、催化剂、偶联剂、分散剂、消泡剂、光稳定剂、紫外线吸收剂等。

1.2 制备工艺
阻燃聚脲由预聚体A、树脂R 两个组分组成。其中A 组分是将N220 和液态添加型阻燃剂1 加入反应釜，在90～100 ℃、真空条件下脱水3～5 h，然后除去真空，降温至70 ℃以下，加入液态MDI，并升温至75～85 ℃，反应2～3 h，降温至60 ℃以下，过滤包装得到。其基础配方为：35%~55% N220、40%~55%液化MDI、15%~10%液态添加型阻燃剂1。树脂R 的制备先将液态添加型阻燃剂、分散剂、偶联剂与纳米氢氧化铝、纳米氢氧化镁搅拌均匀，得到阻燃浆料备用。将N330、阻燃树脂和各种助剂高速搅拌均匀，再加入阻燃浆料、胺类扩链剂、液态添加型阻燃剂2 搅拌均匀，在100 ℃、真空条件下脱水3 h，然后除去真空，降至室温后包装得到产品。其基础配方为：30%~50% N330，10%~30%阻燃树脂，5%~20%液态添加型阻燃剂2，15%~25%胺类扩链剂，3%~10%纳米氢氧化铝和纳米氢氧化镁，催化剂、偶联剂、分散剂、吸水剂、消泡剂、光稳定剂、紫外线吸收剂等助剂适量。

1.3 性能测试
A、R 两组分通过专用高温高压喷涂设备喷涂雾化成膜，并在室温下养护7 d 后，按GB/T 23446—2009《喷涂聚脲防水涂料》标准要求（表1）测试其性能。要求喷涂压力15～17 MPa，温度（主加热器和管道加热器）62～70 ℃，膜厚2 mm。

2 结果与讨论
2.1 异氰酸酯指数对阻燃聚脲力学性能的影响
通过改变异氰酸酯指数，可以调节阻燃聚脲的力学性能。设计异氰酸酯指数（特性值R）的变化范围为0.9～1.15，进行拉伸强度和断裂伸长率性能检测，详细结果见图1。

如图1 所示，随着R 值的提高，弹性体的拉伸强度和断裂伸长率均呈上升趋势。当R 值约为1.10 时，拉伸强度和断裂伸长率均达到最高；R 值继续提高，拉伸强度和断裂伸长率均下降。理论上，R 值为1，即异氰酸酯基与胺基和（或）羟基基团的物质的量相等时，聚脲弹性体的物理力学性能最好，但实际情况并非如此，过量的异氰酸酯是用来抵消预聚体在储运和反应过程中与水副反应的消耗。此外，由于R 值的改变，阻燃聚脲弹性体的物理力学性能曲线出现一种特殊的双峰效应（又称驼峰效应）。聚脲弹性体可以看作是硬段和软段交替连接而成的（AB）n 型嵌段共聚物，聚醚软段和脲基硬段产生相分离，形成独立的微区，聚脲弹性体独特的力学性能正是来源于其微相分离后所产生的两相微区结构。当R 值为1.05～1.10 时，微相分离较均匀，表现出较好的力学性能。

2.2 阻燃剂类型及添加量对阻燃聚脲性能的影响
2.2.1 阻燃剂类型及添加量对拉伸强度的影响
阻燃剂的类型和添加量（阻燃剂占树脂组分的质量百分比，下同）均会对拉伸强度造成影响，并且，添加量越大，影响越明显（图2）。

由图2 可知，当阻燃剂添加量较小时（10 个百分点之内），液态添加型阻燃剂C 对拉伸强度影响最小，这是因为它不参与反应，不影响反应活性，并且可以作为增塑剂适度降低体系黏度，促进体系的均匀反应，这与传统的聚脲材料添加适量增塑剂作用相同；而纳米无机阻燃剂浆液B 在添加量较小时对拉伸强度的影响也较小，但其添加量超过10%后，材料性能急剧下降，这类似传统聚脲体系中添加色浆，少量加入对体系影响较小，但量多会造成树脂组分黏度增加，与预聚体组分黏度差别大，难以混匀；阻燃树脂A在添加量较小时，对材料拉伸强度性能影响最大，这是由于阻燃树脂反应活性与胺类扩链剂差距较大，造成整个体系反应速率不一致，但阻燃树脂是结构型的阻燃剂，它与聚脲体系发生交联作用，不易析出，具有较好的力学性能稳定性，随着阻燃树脂在体系中含量的增加（20%之内），材料的拉伸强度相对平稳。
2.2.2 阻燃剂类型及添加量对断裂伸长率的影响
阻燃剂的类型和添加量对阻燃聚脲弹性体断裂伸长率的影响见图3。

如图3 所示，阻燃树脂A、纳米无机阻燃剂浆液B 的添加对材料断裂伸长率的影响与对拉伸强度的影响类似，液态添加型阻燃剂C 对断裂伸长率影响则呈先上升后下降的趋势。阻燃树脂A 由于反应活性与胺类扩链剂的活性相差较大，造成整个体系反应速率不一致，在反应的过程中具有较强的内应力，少量加入后材料的断裂伸长率就明显降低；而纳米阻燃浆B 液在添加少量的时候可以均匀分散在体系中，对材料的弹性没有明显的影响，但添加量超过10%后，材料断裂伸长率急剧下降；液态添加型阻燃剂C由于具有增塑剂的作用，所以在添加量较小时，材料的断裂伸长率随着添加量的增加而增加，但当添加量超过15%时，材料的断裂伸长率大幅下降。

2.2.3 阻燃剂类型及添加量对阻燃性能（氧指数）的影响
阻燃剂类型及添加量对阻燃聚脲氧指数的影响见图4。

由图4 可知，不同类型阻燃剂的添加均在一定程度上提高了材料的阻燃性能（氧指数提高），其中以添加阻燃树脂A 最为明显，液态添加型阻燃剂C 次之，纳米无机阻燃剂浆液最差，这是由于三种阻燃剂不同的阻燃机理造成的。本实验中所用阻燃树脂属于磷-氮系膨胀型阻燃剂，采用这类阻燃剂的材料受热时，表面能形成一层均匀的碳质泡沫层，起到隔热、隔氧、抑烟的作用。此外，阻燃树脂是反应型阻燃剂，稳定地存在于体系中，所以表现出较好的阻燃效果。氢氧化铝和氢氧化镁等无机纳米粉体阻燃剂，在材料受热时由阻燃剂释放所含的结晶水来吸热、降温，从而抑制材料的继续燃烧。这类阻燃剂需要在添加量比较大（＞25%）时才能表现出较好的阻燃效果，但过大的添加量势必会对材料的力学性能产生不利影响（图2—4）。

2.2.4 复配阻燃剂及添加量对阻燃性能（氧指数）的影响
添加单一的阻燃剂对材料阻燃性能的提高效果往往并不理想，或者需要牺牲力学性能才能达到较好的阻燃效果，实际生产过程中经常采用复配阻燃剂，利用不同类型阻燃剂的协同效应，达到用尽量少的添加量来改善材料阻燃性能的目的（降低阻燃剂的添加对材料力学性能的影响）。复配阻燃剂（阻燃树脂∶纳米阻燃浆料∶液态添加型阻燃剂=2∶1∶1）对聚脲弹性体性能的影响见图5。

由图5 可知，随阻燃剂的添加量增加，阻燃聚脲拉伸强度和断裂伸长率呈下降趋势，氧指数呈上升趋势，与添加单一阻燃剂相比，阻燃效果得到了明显的改善。复配阻燃剂添加量为45%时，材料拉伸强度为12 MPa，断裂伸长率为380%，氧指数为28%，材料综合性能最好，达到GB/T 23446—2009 中I 类产品的质量要求。

3 应用实践
3.1 上海国韵宾馆屋面防水保温修复工程
上海国韵宾馆屋面防水保温修复工程于2010 年底完工，其屋面整体构造见图6。施工工艺流程：在旧卷材基面上喷涂聚氨酯硬泡（保温）→刮聚合物砂浆（防火）→滚涂聚脲配套底漆→喷涂聚脲（防水）（图7）

3.2 上海通用汽车屋面防水翻新工程
上海通用汽车屋面防水翻新工程于2011 年5 月新近完工，屋面面积3 万多m2，该工程采用秀珀专用底漆，解决了聚脲在旧卷材基面的粘结问题。施工工艺流程：卷材上涂刷专用底漆→喷涂防水聚脲→罩耐候面漆（图8）。

4 结语
通过对阻燃剂的选择与复配，制备了一种力学性能和阻燃性能兼备的聚脲防水涂料，探讨了阻燃剂的类型及添加量对材料力学性能和阻燃性能的影响。复配阻燃剂（阻燃树脂∶纳米阻燃浆料∶液态添加型阻燃剂=2∶1∶1）添加量为45%时，拉伸强度为12 MPa，断裂伸长率为380%，氧指数为28%，材料综合性能最好，符合GB/T 23446—2009 中I 类产品的质量标准。该材料适合用于有防火要求的暴露使用的聚脲防水层工程。