徐春昌 何超平 邓培敏 陆浩然

广东合胜实业股份有限公司

摘 要：以HDI和IPDI作为聚氨酯主要硬段，TMP和1,4-BDO作为扩链剂， EP-330N和PCL-2000为软缎合成了高强度耐候型单组分聚氨酯防水涂料。研究了HDI与IPDI的比例，TMP和1.4-BDO的添加量及比例以及聚醚多元醇和聚酯多元醇配比对聚氨酯防水涂料力学性能的影响。结果表明:当n(HDI:IPDI)为2.5:7.5时、n(TMP:1.4-BDO)=0.5:1且总质量为(1.5-2.0)%时、PCL-2000与EP-330N质量配比为50:50时涂料的综合性能表现最佳并且粘度满足使用要求。

关键词：耐候、单组分、聚氨酯、高强度

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称，因其分子结构中含有大量的重复单元-氨基甲酸酯键而得名。早些年聚氨酯受成本约制，几乎都是用在相对较高端的行业中，其中以皮革和泡沫为主。20世纪末随着我国建筑行业的高速发展，聚氨酯逐渐用于建筑行业，尤其以建筑防水涂料为主。聚氨酯防水涂料在国内外建筑防水领域使用越来越广泛，其主要原因归咎于其高强度、高延伸、与基材附着力好等性能特点。近几年，聚氨酯防水涂料被越来越多的用户认可，其产量也逐年上升，但大多数都是以芳香族体系为主，因其耐候性能差、使用寿命较短等缺点的存在，使得人们逐渐转向耐候型聚氨酯防水涂料的研究，其中又以单组分为主。单组分耐候型聚氨酯防水涂料采用脂肪族异氰酸酯为主要硬段成分，以聚醚多元醇和聚酯多元醇的混合物为软段，添加各种环保助剂等经反应制得。

本研究主要采用HDI和IPDI为主要硬链段，以TMP和1,4-BDO为扩链剂，以聚醚多元醇EP-330N和PCL2000为软段制备高强度耐候型单组分聚氨酯防水涂料，探讨了HDI和IPDI的比例，TMP和1,4-BDO的添加量及比例以及聚醚多元醇和聚酯多元醇配比对聚氨酯防水涂料力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料及设备

六亚甲基二异氰酸酯(HDI)，科思创聚合物(中国)有限公司，工业级;异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，万华化学集团股份有限公司，工业级;聚醚多元醇(EP-330N)，山东蓝星东大有限公司，工业级:聚酯多元醇(PCL-2000)，湖南聚仁新材料有限公司;三羟甲基丙烷(TMP)，江苏百川高科新材料股份有限公司，工业级;1,4-丁二醇(1,4-BDO)，新疆美克化工股份有限公司，工工业级;52#氯化石蜡，山东鸿河化工有限公司，工业级;碳酸钙(CaCO₃)，粒径20um，广西贺州市科隆粉体有限公司，工业级;分散剂2252，广州揽元新材料科技有限公司，工业级;有机硅消泡剂5620，广州揽元新材料科技有限公司，工业级:催化剂T-12，上海振贵新材料科技有限公司，工业级.

数显精密顶置式揽拌机，BGD 704型，标格达精密仪器(广州)有限公司;旋转黏度计，BGD152/2S型，标格达精密仪器(广州)有限公司；精密烘箱，DHG9070A型，标格达精密仪器(广州)有限公司；电子万能试验机，CMT1104型，珠海市三思泰捷电气设备有限公司；卡规式测厚仪，BGD 964/1，标格达精密仪器(广州)有限公司。

1.2高强度耐候型单组分聚氨酯防水涂料的制备

高强度耐候型单组分聚氨酯防水涂料的制备基本配方见表1。

根据表1配方，设定异氰酸酯指数(R值)为2.05。先将计量好的聚醚多元醇EP-330N、PCL-2000、52#石蜡加入到带有搅拌和温度计的四口烧瓶中，缓慢加热至50℃，10min后加入分散剂和消泡剂，边搅拌边缓慢加入CaCO₃:，搅拌均匀，升温至(90-110)℃，真空脱水(2-3)h，降温至70℃℃加入异氰酸酯，85℃保温3h，降低温度至70℃℃，加入扩链剂75℃反应2h，加入催化剂和溶剂的混合溶液，70℃C继续搅拌反应2h，降温至409C以下过滤出料得成品为高强度耐候型单组分聚氨酯防水涂料。

1.3 涂膜的制备

将制得的聚氨酯防水涂料分2次涂覆到(1.5±0.2)mm的厚度，间隔时间不超过24h，最后一遍涂完后，在温度(23+2)℃、相对湿度(50+10)%的环境下养护96h，后脱模，翻面继续养护72h，待测。

1.4 分析与测试

涂料黏度按照GBVT10247-2008《黏度测量方法旋转法进行测试。

涂膜拉伸性能按照GBT16777-2008《建筑防水涂料实验方法》测试。

2 结果与讨论

2.1 HDI和IPDI的比例对涂膜力学性能的影响

HDI相比于IPDI分子结构相对规整，相对分子量也较小，用它做硬段最终产品干爆时间及拉伸强度相对较高，由于聚氨酯防水涂料对韧性要求比较高，因此本研究工作采用两种异氰酸酯搭配使用，本研究主要讨论了在总异氰酸酯量(物质的量)不变，多元醇为EP-330N和PCL-2000物质的量为2:3的情况下，改变二者的搭配比例对聚氨酯涂料的力学性能的影响。

由表2可以看出，随着n(HDI:IPDI)的增大，涂膜拉伸强度先减小后增加，断裂伸长率不断增大;当n(HDI:IPDI)为5:5时拉伸强度最小；撕裂强度先减小后增大，在n(HDI:IPDI)为7.5:2.5时最小，2:8时最大。原因在于当HDI做为主要硬段成分时，由于其分子结构较规整，制得的涂料分子链侧基较少，结晶性强，导致随着HDI占比减小时拉伸强度减小，但当减小到n(HDI:IPDI)为5:5时，由于IPDI随比HDI含有较多的侧基，但其相对分子量大且为环状结构，致使硬段以IPDI为主时，随着IPDI含量的增加，拉伸强座又逐渐增如，挤裂强度几乎同步增加，正是由于IPDI分子结构相对HDI不是特别的规整，所以当IPDI不断增加时，断整伸长率逐浙增加。

2.2 TMP和1,4-BDO的添加量及比例对涂膜力学性能的影响

在扩链剂总量为1.5%的添加量不变的情况下，考察了TMP和1.4-BDO搭配比例对涂膜力学性能的影响，结果见表3。

当n(TMP):n(1,4BD0)由1.5:0增大到0:1.5时，涂料拉伸强度先增加后减小，整体变化幅度不大，断裂伸长率却是不断增大，其中n(TMP:1.4-BDO)小于0.5:1时，断裂伸长率增加不是很明显，当n(TMP:1,4BDO)20.5:1时，断裂伸长率增加幅度较大此时扩链剂以1.4-BDO为主，而撕裂强度则是呈现降低趋势。

以上现象原因在于TMP为三官能度，主要起交联的作用，在其为主要扩链剂时，增加了材料交联密度，致使拉伸强度和撕裂强度相对偏高，但当扩链剂均为TMP时，由于大量的三官能度破坏了整体分子结构的规整度，导致材料结品度降低，所以其拉伸强度又表现出下降趋势:而1.4-BD0为直链分子结构，两个经基分别位于分子链两端，用其扩链的大分子链结构呈长直链型材料结晶度增加，因此随着扩链剂中1.4-BDO的不断增大，涂料断裂伸长率随之增加。

2.3 扩链剂的添加量对涂料黏度的影响

控制TMP和1,4-BDO物质的量比为0.5:1不变的情况调整扩链剂总量，探讨TMP和1,4-BDO总添加量对涂料黏度的影响，结果见表4。

由表4可以看出，随着扩链剂的添加量不断增大涂料粘度呈上升趋势，当扩链剂添加量为2.5%时涂料年度为33470 mpa·s，几乎为膏状，流动性极差，实验过程中搅拌也很吃力:而添加量在低于2.0%时均具有流动性，结合实际施工案列，如果需要立面施工或抗流挂要求较高时，建议扩链剂添加量2.0%，如果是普通建筑地面施工，建议添加量为1.5%。出现上述现象的主要原因为扩链剂的增加导致聚氨酯分子链增大。

2.4 聚醚多元醇和聚酯多元醇配比对聚氨酯防水涂料力学性能

设定异氰酸酯指数(R值)为2.05，扩链剂总量为1.5%，其中TMP和1,4-BD0物质的量比为0.5:1不变，改变聚醚多元醇和聚酯多元醇的添加量配比，探讨了聚醚多元醇和聚酯多元醇的添加量配比对涂膜力学性能的影响，结果见表5。

由表5看出，无处理条件下聚酣多元醇为主要软段时拉伸强度、撕裂强度均高于聚醚多元醇为主要软段时，经过酸、碱漫泡过后，在聚酯多元醇为主要软段成分的配方中表现出拉仲强度、断裂伸长率均下滑明显相反在聚醚多元醇为主要软段成分时这不明显，甚至有上升的趋势。

出现这一现象主要还是归结于聚酯多元醇和聚醚多元醇的分子结构的不同，酯键相对键能较大，所以当聚酯多元醇占多数时表现出力学强度较大，但是由于酯键容易水解，在遇到酸性、破性条件下会加速水解，因此当酸、碱溶液浸泡后力学强度和断裂伸长率均下降明显；然而聚醚多元醇中的酸键以其良好的耐水解性使得其为主要软段时不会出现明显下降。

3 结论

(1)HDI和IPDI混合使用时力学性能表现好于单独使用，当n(HDI:IPDI)为2.5:7.5时涂料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度综合性能表现最佳。

(2)1,4-BDO的添加会使涂料力学性能更加优异，主要表现在断裂伸长率上，而TMP主要表现在强度方面二者搭配使用效果更佳，其最佳配比为n(TMP:1.4-BDO)=0.5:1。

(3)链剂的添加大幅度的 增加了聚氨酯分子链，导致成品涂料粘度较大，最佳添加量为(1.5-2.0)%。

(4)聚酯多元醇相比于聚醚多元醇耐水解较差，但其键能偏大，适当添加可以提高力学强度;作为防水涂料用不建议作为主要软段成分，聚酯多元醇与聚醚多元醇二者质量配比为50:50时综合性能最佳。

参考文献

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