水固化聚氨酯防水涂料的研制

孙金梅，段文锋，王小雪，杜鸿志
（北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京101309）

聚氨酯防水涂料因其优异的物理、化学性能，已经在建筑防水行业中得到了广泛的认可和应用。聚氨酯防水涂料有双组分和单组分之分。双组分聚氨酯防水涂料常用疑为致癌物质的MOCA 作为固化剂，并且含有大量的有机溶剂，这些物质对健康和环境非常不利；单组分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长、延误工期等[1]。随着环保理念的增强和环保法规的日益严格，聚氨酯防水涂料也朝着环保、健康的方向发展，水固化聚氨酯防水涂料就是近年来受市场青睐的一种绿色材料，它以水为固化剂，固化速度快，克服了单组分聚氨酯防水涂料固化时间长的缺点，并且无毒、无溶剂、无污染，施工方便，成本更低。
聚氨酯防水涂料对基层干燥度、温度的要求较高，而地下工程施工中，基层往往处于湿饱和状态，要等到基层干燥再进行施工将会影响工期，因此，对聚氨酯防水涂料提出了潮湿基面粘结强度的要求[2]。常玉[3]研究了水固化聚氨酯防水涂料在潮湿基面的粘结，结果表明，当基层潮湿（含水率较高且无明水）时，只有配合底涂，涂膜的附着力才能达到1 MPa。本文制备的水固化聚氨酯防水涂料可以在含水率较高（但无明水）的基层上施工，且无需涂刷底涂，具有较广的适用性。
本文制备了性能优异的水固化聚氨酯防水涂料，探讨了各因素对其物理力学性能的影响，并研究了水固化聚氨酯防水涂料在潮湿基面的粘结情况。

1 实验部分
1.1 主要原料
聚醚多元醇（工业牌号220A、330N）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、邻苯二甲酸二壬酯（DINP）、催化剂、消泡剂、气体吸收剂、填料等均为工业品。

1.2 制备工艺
将一定比例的聚醚多元醇、DINP、填料高速搅拌均匀，在100～120 ℃、-0.095~-0.1 MPa 真空条件下脱水3 h，然后除去真空度，降温至60 ℃后，加入计量好的TDI，并升温至80~85 ℃反应2.5 h，测定反应料中—NCO 含量，若与理论值相差很大，则继续反应直至—NCO 含量不变且接近理论值。降温至50 ℃，加入气体吸收剂及其他助剂，搅拌1 h，冷却出料，即得水固化聚氨酯防水涂料的预聚体。

1.3 性能测试
1）预聚体中—NCO 含量：采用二正丁胺法[4]。
2）涂膜制备：将预聚体与水按1∶0.2（质量比）混合均匀涂覆在聚四氟乙烯板上，在标准实验条件下养护96 h，然后脱模，涂膜翻过来继续在标准条件下养护72 h。
3）力学性能测试：拉伸性能和潮湿基层的粘结强度均按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》进行[5]。

2 结果与讨论
2.1 —NCO 含量对涂料性能的影响
预聚体中游离—NCO 的含量决定着涂膜中交联点的多少，直接影响涂膜的性能，所以游离—NCO 的含量是决定聚氨酯防水涂料性能最主要的技术参数之一[6]。通过改变预聚体中游离—NCO 的含量，可以调节聚氨酯防水涂料的力学性能。设计游离—NCO含量的变化范围为1.5%~5.0%（以预聚体含量为100%，质量比，下同）进行试验，根据所制备样品的性能数据获得了游离—NCO 含量的变化对涂膜拉伸强度和断裂伸长率的影响，如图1 所示。

由图1 可知，随着预聚体中游离—NCO 含量的增加，涂膜的拉伸强度逐渐增大，断裂伸长率先增大到一定值后开始递减。预聚体中游离—NCO 含量增加，涂料的固化交联度增加，刚性链段增加，使得涂膜的拉伸强度增加。而当游离—NCO 含量增大到一定值时，反应密度增加，拉伸强度较高，分子链变短，并且刚性基团的增加也限制了分子链在拉伸过程中的运动，使得涂膜的断裂伸长率减少。而且，随着游离—NCO 含量的增大，与H2O 反应过程中产生CO2 的密度增加，导致CO2 的逸出率小于CO2 的生成率，容易使涂层中产生气泡，导致断裂伸长率的下降。试验结果表明，游离的—NCO 含量控制在3.0%~4.5%时，制备的水固化聚氨酯防水涂料的性能较佳。

2.2 气体吸收剂对涂料性能的影响
水固化聚氨酯防水涂料的反应机理为：异氰酸酯与水反应，首先是生成不稳定的氨基甲酸，然后由氨基甲酸分解成二氧化碳及胺，在过量异氰酸酯存在下，所生成的胺将与异氰酸酯继续反应，生成取代脲[7-8]。由此可见，水固化聚氨酯防水涂料在固化后会出现气泡，即成膜过程中水与预聚体中的—NCO 基团反应时产生的CO2 不能及时从涂膜中散逸，对材料的防水性能和力学性能均有一定的影响，所以需要进行消泡处理。采用化学吸收剂A、B、C 来吸收CO2，减少水固化聚氨酯防水涂料产生气泡的缺陷。不同气体吸收剂对产品性能的影响见表1。

从表1 可以看出，气体吸收剂A 和C 的消泡效果较好，且加入吸收剂C 制备的产品拉伸强度和断裂伸长率较加入吸收剂A 制备的好。

2.3 填料对涂料性能的影响
水固化聚氨酯防水涂料是以水为固化剂，反应后多余的水分最终要挥发，成膜后的涂膜会出现不同程度的收缩。为了防止涂膜固化时的体积收缩，应加入一定量的填料；填料的加入，可以降低成本、调节涂料的黏度、改善涂膜的耐热性并提高其物理力学性能。但填料的用量是有最佳比例的，若加入量过多，基料不能完全充填颗粒间的空隙，反而会降低涂料的性能。设计填料的用量分别为10%、20%、30%、50%、60%，其影响规律如图2 所示。

从图2 可以看出，随着填料用量的增加，其断裂伸长率逐渐下降。当填料用量在10%~20%时，填料的增强作用明显，拉伸强度逐渐增大；当其用量大于20%时，拉伸强度呈下降趋势。随着填料用量的继续增大，涂膜的黏度变大，流动性降低，难以脱泡，造成性能下降，且不利于施工。综合考虑其性能，填料的用量在10%~25%之间比较适宜。

2.4 加水量对涂料性能的影响
水作为水固化聚氨酯防水涂料的固化剂，其加入的比例严重影响着涂膜的力学性能和施工时间[9-10]。图3 和图4 列出了不同加水量对涂膜拉伸强度、断裂伸长率和施工时间的影响规律。

从图3、图4 中可以看出，随着加水比例的增加，拉伸强度先增大后趋于平稳，断裂伸长率先增大后减小，施工时间逐渐变快。当加水量较少时，涂膜的固化时间较长，但存在局部固化较快的现象，导致膜的规整性降低，且表面发黏；当加水量达到一定量时，涂膜固化较均匀充分，整体性能上升；当水过量时，反应密度增大，反应速度过快，使得分子链变短，交联强度增大。综合考虑物理力学性能和施工时间，当加水量在20%~30%时，涂膜的综合性能较优。

2.5 潮湿基面的粘结
施工时，不同基层环境对涂膜性能具有重要的影响，水固化聚氨酯防水涂料在不同的基层的附着力也有很大的不同。潮湿基层按含水量的多少分为三种情况，分别为有明水、少量明水和无明水的条件，图5列出了该水固化聚氨酯防水涂料在这三种条件下的施工情况。表2 列出了水固化聚氨酯防水涂料在潮湿基层（涂刷底涂和不涂刷底涂）的粘结情况。由图5 可知，基层是否有水对水固化聚氨酯防水涂料的施工有很大的影响。在有明水和少量明水的情况下，由于水包覆在涂料的周围，导致膜的附着力很低，无法与基层相粘。故在潮湿基层施工时，需对基层进行去除明水的处理。
由表2 可知，在潮湿基面涂刷了单组分聚氨酯底涂后，水固化聚氨酯防水涂料成膜后的附着力很低，原因可能是底涂先在基层上形成了一层很薄的膜，且该薄膜非常光滑，导致了其与聚氨酯防水涂膜的附着力较低。若涂刷其他类底涂，其潮湿基面的粘结强度是否比不涂刷底涂要高，还有待于进一步研究。但目前该水固化聚氨酯防水涂料在不涂刷底涂的情况下，其潮湿基面的粘结强度已经大于1 MPa，远远超过标准要求。

3 结论
1）当游离的—NCO 含量控制在3.0%~4.5%，填料的用量在10%~25%，加水量在20%~30%时，制备的水固化聚氨酯防水涂料的物理力学性能较优。
2）该水固化聚氨酯防水涂料在成膜过程中产生的CO2 不能及时从涂膜中散逸，对材料的防水性能和力学性能均有一定的影响；采用气体吸收剂C 来吸收反应生成的CO2，产品的物理力学性能较优异。
3）该水固化聚氨酯防水涂料对基层含水率的要求不高，适用于潮湿基面，但需对基层进行去除明水的处理。施工时无需涂刷底涂，其在潮湿基层的粘结强度大于1.0 MPa，具有较广的适用性。