韓海軍，段鵬飛，李紅英

（北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京　101309）

防沉型高強聚氨酯防水涂料的制備及性能研究

韓海軍，段鵬飛，李紅英

（北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京101309）

以復配聚醚多元醇、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和氯化石蠟為原料制備的預聚體為A組份，以胺類固化劑、增塑劑、防沉劑、顏填料、消泡劑、催化劑和潤濕分散劑等為B組份，制備了一種雙組份防沉型高強聚氨酯防水涂料，研究了不同的防沉劑、潤濕分散劑及其用量對防水涂料物理性能、貯存性能和防沉性能的影響。結(jié)果表明，在配方中其它組分不變的情況下，選用0.5份防沉劑YH-10和0.4份潤濕分散劑時，制備的防水涂料性能最佳。

防沉型；高強聚氨酯；防水涂料；性能研究

聚氨酯（PU）防水涂料是一種反應固化型高分子防水涂料，因其涂膜后具有抗拉強度高，彈性且延伸性好，粘結(jié)力強，防水層連續(xù)、柔韌且無接縫，體積收縮小，對基層裂縫伸縮性變形的適應性強，耐水、耐磨、耐腐蝕、耐久性和耐低溫柔順性好等特點，可用于建筑不同部位的防水堵漏［1-5］。

隨著我國基礎設施、市政、交通工程建設的飛速發(fā)展，防水涂料的需求量巨大，為保證其質(zhì)量，對防水涂料提出了更高標準的要求，特別是鐵路用高強聚氨酯防水涂料［6-7］。鐵路線主要是由路基、橋梁及隧道組成，因高鐵和客運專線的運行特點，橋梁占比已超50%。在橋梁混凝土橋面設防水層，可有效阻隔水滲入橋面板結(jié)構(gòu)內(nèi)部，阻止或減緩混凝土的老化及其橋面板內(nèi)鋼筋銹蝕，進而提高混凝土橋面結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，用于鐵路路基防水的高強聚氨酯防水涂料發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［8-9］。

在聚氨酯防水涂料生產(chǎn)和使用過程中，沉降現(xiàn)象時常發(fā)生，表現(xiàn)在涂料使用前，底部出現(xiàn)軟沉淀、硬沉淀。使用時，需要將其攪拌均勻后方可使用，這樣不僅耽誤施工時間，而且使成膜性能變差，最終影響防水效果。為此，本文根據(jù)TB/T 2965—2011《鐵路混凝土橋面防水層技術(shù)條件》中直接用作防水層的防水涂料技術(shù)指標要求，采用復配聚醚多元醇、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和氯化石蠟為原料制備預聚體，并配有胺類固化劑、增塑劑、防沉劑、顏填料、消泡劑、催化劑和潤濕分散劑等，合成了一種雙組份防沉型高強聚氨酯防水涂料，討論了不同的防沉劑、潤濕分散劑及其用量對防水涂料物理性能、貯存性能和防沉性能的影響。

1　實驗

1.1主要原料

聚醚多元醇DDL-2000D，相對分子質(zhì)量2000，羥值56 mgKOH/g，f=2，淄博德信聯(lián)邦化工有限公司；聚醚多元醇HHJ-1，自制；增塑劑，鄰苯二甲酸二丁酯（DBP），優(yōu)級品，濮陽市誠意增塑劑有限公司；氯化石蠟-52，氯含量52%，密度1.25 g/cm3，相對分子質(zhì)量420，黏度（50℃）180 mPa·s，廣州厚載化工有限公司；潤濕分散劑RB-1181，密度1.06 g/cm3，黏度（20℃）90 mPa·s，廣州雷邦化工有限公司；鐵棕顏料，市售；超細滑石粉，600目，淄博市張店盛華精細化工廠；輕質(zhì)碳酸鈣，1250目，江西省白瑞碳酸鈣有限公司；胺類固化劑，自制；催化劑，二月桂酸二丁基錫（T-12），美國氣體化學；消泡劑DF-8205，東莞市德豐消泡劑有限公司；增塑劑HHJ-2，自制；高沸點溶劑油，市售；防沉劑YH-10（改性有機膨潤土），自制；防沉劑FCJ-1（氣相二氧化硅），F(xiàn)CJ-2（改性氫化蓖麻油），市售；異氰酸酯，二苯基甲烷二異氰酸酯MDI-50，異氰酸酯的質(zhì)量分數(shù)33.2%，f=2，煙臺萬華聚氨酯有限公司。

1.2主要設備與儀器

懸臂式攪拌器，RW-20型，德國IKA公司；旋片式真空泵，2XZ-2型，臨海市譚氏真空設備有限公司；四口燒瓶，1000 ml，泰興市華科實驗儀器廠；調(diào)溫電熱套，KDM型，山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；智能恒溫控溫儀，ZNHW-IV型，上海越眾儀器設備有限公司；壓力真空表，YZ-150型，測壓范圍-0.1～0 MPa，上海儀川儀表廠；天子天平，ME2002E，最大量程2200g，精確0.01g，梅特勒-托利多公司；旋轉(zhuǎn)粘度計，NDJ-1B型，測量范圍10～2×106mPa·s，武漢格萊莫檢測設備有限公司；萬能試驗機，CMT4104型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司。

1.3制備方法

A組份：按設計配方將聚醚多元醇加入四口燒瓶中，在轉(zhuǎn)速1000 r/min、溫度105～115℃、-0.095～-0.1 MPa的真空條件下脫水3～5 h，然后降溫至60℃，加入二苯基甲烷二異氰酸酯，攪拌20 min，升溫至80～85℃，反應3 h，最后降溫至50℃，加入氯化石蠟，在-0.095～-0.1 MPa真空條件下脫氣泡30 min，即可出料，得到預聚體作為A組份。

B組份：按設計配方比例將增塑劑HHJ-2、二丁酯、氯化石蠟、聚醚多元醇和潤濕分散劑加入四口燒瓶中，在轉(zhuǎn)速800 r/min、溫度80～100℃的條件下，加入胺類固化劑、超細滑石粉、輕質(zhì)碳酸鈣、防沉劑和顏料，然后將轉(zhuǎn)速和溫度分別升至1200 r/min、105～115℃，并且在-0.095～-0.1 MPa的真空條件下脫水4 h，之后除去真空度，降溫至60℃，加入溶劑油、催化劑和消泡劑，然后在-0.095～-0.1 MPa真空條件下脫氣泡30 min，即可出料，得到B組份。

防沉型高強聚氨酯防水涂料A、B組份的基本配方見表1。

表1　防沉型高強聚氨酯防水涂料的基本配方

1.4貯存穩(wěn)定性測試

按照上述基礎配方合成的防水涂料，取出一部分進行涂膜性能測試，包括物理性能、表干時間、實干時間、黏度等，將剩余部分在常溫下存放，用于其它性能測試。

1.5性能測試

將制備的防水涂料按照設計質(zhì)量配比，并攪拌5 min，使其混合均勻后，刮涂在聚四氟乙烯板上，制成1.5 mm厚的膜，放在標準試驗條件：（23±2）℃，相對濕度（50±10）%，養(yǎng)護7 d后，制樣，測試相關(guān)性能。涂料的表干時間、實干時間、拉伸強度、斷裂伸長率按GB/T 16777—2008《建筑防水材料試驗方法》進行測試；撕裂強度按GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定》中直角形試件進行測試。

1.6防沉機理

在聚氨酯防水涂料中，防沉劑加入后可在整個體系中構(gòu)成弱交聯(lián)且疏松的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能賦予涂料良好的觸變特性，使顏填料懸浮不聚集結(jié)塊且防沉，并能改善防水涂料性能，保持優(yōu)良的流平性等。其作用機理是：在高速剪切速率的作用下，外力大于該觸變值的屈服值，防沉劑形成的弱交聯(lián)結(jié)構(gòu)作用被破壞，導致防水涂料黏度很低且流動性較好，便于工地涂膜施工；在撤去剪切力后，弱交聯(lián)結(jié)構(gòu)作用又重新恢復，防水涂料黏度以適當?shù)臏笮曰厣?，使其具有良好的流平性和抗流掛性能，最終防水涂料會恢復到原來的觸變效果，進而起到了防止分散顏填料顆粒沉降凝結(jié)的作用，避免了防水涂料的沉降而出現(xiàn)軟沉淀或硬沉淀。

1.7反應成膜原理

防沉型高強聚氨酯防水涂料是一種雙組份反應型高分子防水涂料，由A、B組份組成，其中A組份是復配聚醚和異氰酸酯反應而成的預聚體，B組份由胺類固化劑、增塑劑、顏填料、催化劑、消泡劑、防沉劑和潤濕分散劑等混合而成。使用時，將A、B組份按照比例混合，預聚體A組份中的—NCO與B組份中的—NH2發(fā)生固化反應形成防水膜。

2　結(jié)果與討論

2.1不同防沉劑對防水涂料性能的影響

對于雙組份高強聚氨酯防水涂料而言，其中，A組份（預聚體）為淡黃色黏稠且透明的液體，長期貯存不會發(fā)生沉降；但是B組份中有液料和粉料（顏填料），在貯存過程中會發(fā)生粉料沉積到容器底部，使防水涂料變成一個不均一的分散體系，給施工和防水涂料的性能帶來不利的影響。防水涂料中粉料產(chǎn)生沉降的原因比較復雜，根據(jù)斯托克斯（Stokes）法則，顏填料粒子沉降的速度與粒子半徑及兩相密度差成正比，與分散體系的黏度成反比。

本實驗采用的顏填料不變，故粒子半徑為定值，通過添加防沉劑使體系產(chǎn)生弱交聯(lián)結(jié)構(gòu)，以適當提高防水涂料黏度，賦予其觸變性，來解決涂料的防沉型問題。選用幾種不同的防沉劑：YH-10、FCJ-1、FCJ-2，其中YH-10為改性有機膨潤土，并具有獨特化學結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CJ-1為氣相二氧化硅，F(xiàn)CJ-2為改性氫化蓖麻油。為了短時間內(nèi)明顯觀察其防沉效果，將等量的液料、填料和防沉劑混合均勻后，放置48 h，實驗結(jié)果見圖1。

其它組份不變，采用等量（0.3質(zhì)量份）不同的防沉劑考察其對防水涂料性能的影響，結(jié)果見表2。

圖1　不同防沉劑的防沉效果對比

表2　不同防沉劑對防水涂料性能的影響

由圖1可見，防沉劑的防沉效果依次為YH-10＞FCJ-1＞FCJ-2＞空白樣。由表2可知，貯存前，防沉劑YH-10和FCJ-1制備的防水涂料拉伸強度、斷裂伸長率和撕裂強度較好，而FCJ-2制備的產(chǎn)品和空白樣相對較差；貯存后，產(chǎn)品性能均有衰減，其中FCJ-2產(chǎn)品、空白樣衰減較大，其次為FCJ-1和YH-10產(chǎn)品，但采用YH-10產(chǎn)品的成膜反應速度基本不變，即表干、實干時間變化較小。分析原因：YH-10有機膨潤土是采用季銨鹽改性的優(yōu)質(zhì)黏土，呈片狀結(jié)構(gòu)，其邊緣含有氧和氫氧基團，分散在涂料中借助這些基團能夠形成氫鍵，并形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予防水涂料一種結(jié)構(gòu)黏度；FCJ-1氣體二氧化硅粒徑小、比表面積大、吸附力強、分散性好，且含有硅醇基團，可形成氫鍵產(chǎn)生三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大分散體系黏度；FCJ-2改性氫化蓖麻油在防水涂料中膨潤溶脹后，粒子間可形成微弱的氫鍵，使防水涂料產(chǎn)生觸變性。以上3種防沉劑相對空白樣而言，均提高了防水涂料的觸變性能，起到了一定的防沉作用，成膜性能相對較好。另外，考察了相對性能較好的防沉劑YH-10和FCJ-1在B組份中常溫貯存12個月后的防沉效果（見圖2）。

圖2　防沉劑YH-10和FCJ-1對防水涂料B組份貯存性能的影響

由圖2可知，常溫貯存12個月后，YH-10制備的B組份比較均一，無分層無沉降現(xiàn)象；而FCJ-1制備的B組份相對較差，出現(xiàn)明顯的分層，采用玻璃棒攪拌時，底部有軟沉淀，從長期貯存效果來看，YH-10的防沉效果優(yōu)于FCJ-1。

根據(jù)以上采用不同防沉劑產(chǎn)品的物理性能、貯存性能和防沉性能等綜合分析，在配方中其它組份不變的情況下，防沉劑YH-10制備的產(chǎn)品性能相對較好，可應用在該配方體系中。

2.2防沉劑用量對防水涂料性能的影響

在聚氨酯防水涂料中，防沉劑作為一種助劑，可提高分散體系的均一性，防止防水涂料中顏填料的沉降。但是，防沉劑用量并非多多益善，用量少則防水涂料會出現(xiàn)軟沉淀或硬沉淀，用量多則防水涂料黏度大、防沉性好、流平性差，還會影響產(chǎn)品性能和施工性能。因此，防沉劑用量需適當，使得防水涂料的流平性與防沉性（或觸變性）達到一個平衡值。

本實驗選用相對防沉效果較好的防沉劑YH-10。配方中各組份以質(zhì)量份為基準，其它組份不變，考察改性有機膨潤土YH-10用量對防水涂料性能的影響，試驗結(jié)果見圖3、表3。圖3中黏度測試條件是選用旋轉(zhuǎn)黏度計的4號轉(zhuǎn)子，料溫25℃，轉(zhuǎn)速30 r/min。

圖3　防沉劑YH-10用量對涂料性能的影響

表3　防沉劑YH-10用量對涂料觸變性和防沉性能的影響

從圖3可以看出，隨著防沉劑YH-10用量增加，涂料的拉伸強度、斷裂伸長率和撕裂強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而黏度逐漸增大。因為防沉劑YH-10的加入，可在體系中形成微交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其顏填料及其它各組份分散較為均一，有效防止了沉降，涂膜質(zhì)量較好，最終提高涂料的性能。YH-10的用量過多時，氫鍵形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加，會導致涂料的黏度升高，進而使A組份和B組份混合攪拌較為困難，不能均勻性成膜聚合反應，導致涂膜性能有所降低。另外，涂料的黏度過大，不利于現(xiàn)場刮涂或輥涂施工。市場上黏度較高的涂料在冬季施工時，為了方便刮涂或輥涂，可加入2%～5%的稀釋劑，但是劣質(zhì)稀釋劑中含有醇、酸、硝基等，導致—NCO被封端，無法交聯(lián)形成大分子，使其涂層發(fā)黏不成膜，給防水帶來諸多隱患。為此，涂料的黏度不宜過大。

由表3可知，同一防水涂料在不同轉(zhuǎn)速（剪切力）時黏度不同，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，黏度均有所下降，YH-10用量越多，降低的程度越大?？瞻讟拥挠|變性很小，防沉效果也最差，進而說明，配方中防沉劑YH-10的用量增大，涂料的觸變性和防沉效果均明顯提高。另外，結(jié)合涂料的物理性能、施工性能和防沉性能綜合分析，配方中其它組份不變，當防沉劑YH-10用量為0.5份時，制備的涂料性能最佳。此時其拉伸強度7.34 MPa，斷裂伸長率758%，撕裂強度39 N/mm，常溫貯存12個月后防沉效果良好。

2.3分散劑對防水涂料性能的影響

在聚氨酯防水涂料的合成過程中，為了便于顏填料在液料中均勻分散，防止產(chǎn)品長期貯存出現(xiàn)沉降，配方中分散劑作為一種助劑不可或缺。本實驗采用性能較好的潤濕分散劑RB-1181。配方中其它組份不變，考察RB-1181用量對防水涂料的性能影響，測試結(jié)果見表4。

表4　潤濕分散劑RB-1181用量對防水涂料性能的影響

從表4可知，聚氨酯防水涂料的拉伸強度、斷裂伸長率和撕裂強度隨著潤濕分散劑RB-1181用量的增加而逐漸增大，最后趨于平穩(wěn)。潤濕分散劑RB-1181對顏填料和有機膨潤土的表面潤濕，降低了組份之間的界面張力，提高了粉料粒子的運動性，防止了顏填料團聚的發(fā)生，保持涂料黏度和細度的穩(wěn)定，使得體系均勻，懸浮性能增加，不沉降，因此提高了涂料的性能。但是RB-1181用量大于0.4份后，防水涂料性能并沒有明顯提升，反而趨于穩(wěn)定，因潤濕分散劑價格昂貴，考慮價格因素，在符合TB/T 2965—2011的前提下，潤濕分散劑RB-1181用量以0.4份較為合適。

3　結(jié)論

（1）防沉劑的防沉性：YH-10＞FCJ-1＞FCJ-2＞空白樣。防沉劑YH-10和FCJ-1制備涂料的拉伸強度、斷裂伸長率和撕裂強度較好。常溫貯存12個月后，在B組份中防沉效果YH-10優(yōu)于FCJ-1。根據(jù)以上不同防沉劑產(chǎn)品的物理性能、貯存性能和防沉性能等綜合分析可知，在配方中其它組份不變的情況下，防沉劑YH-10制備的產(chǎn)品性能相對較好，可應用在該配方體系中。

（2）隨著防沉劑YH-10用量增加，涂料的拉伸強度、斷裂伸長率和撕裂強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而黏度逐漸增大。配方中防沉劑YH-10的用量增大，涂料的觸變性和防沉效果均明顯提高。另外，結(jié)合涂料的物理性能、施工性能和防沉性能綜合分析，配方中在其它組份不變的情況下，當防沉劑YH-10用量為0.5份時，制備的防水涂料性能最佳。

（3）聚氨酯防水涂料的拉伸強度、斷裂伸長率和撕裂強度隨著潤濕分散劑RB-1181用量的增加而逐漸增大，最后趨于平穩(wěn)。因潤濕分散劑價格昂貴，考慮價格因素，在符合TB/T 2965—2011的前提下，在配方中其它組份不變的情況下，潤濕分散劑RB-1181用量為0.4份較為合適。

［1］李超，葛義，王威.高強度單組分聚氨酯防水涂料的研制［J］.中國建筑防水，2013（18）：5-11.

［2］李冬梅，徐巍.高鐵用高強聚氨酯防水涂料的研制［C］//中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會.第十六次年會論文集，2012：453-456.

［3］耿志忠，王新鋒，李紅英.聚碳酸酯二醇型高強聚氨酯防水涂料的制備［J］.新型建筑材料，2014（1）：87-89.

［4］翟文，陳強，李玉蓮.室溫固化高強度聚醚型聚氨酯彈性體的研制［J］.彈性體，2003，13（3）：11-13.

［5］康杰分，褚建軍，沈春林.高鐵專用聚氨酯防水涂料的研制［J］.中國建筑防水，2008（8）：12-14.

［6］許淵，楊紅艷.高強聚氨酯防水涂料的研究與應用［J］.中國建筑防水，2007（增刊）：73-76.

［7］屈友方.道橋?qū)Ｓ酶邚姸染郯滨シ浪苛系难兄疲跩］.中國建筑防水，2010（5）：13-15.

［8］吳蓁，郭青，崔文曄.高鐵用高強度聚氨酯防水涂料配方設計與制備工藝［J］.新型建筑材料，2011（5）：72-75.

［9］褚建軍，康杰分，沈春林.高鐵客運專線橋梁用高強度聚氨酯防水涂料的研制［J］.新型建筑材料，2008（7）：49-52.

Preparation and studies on the antisag and high strength waterproof polyurethane coating

HAN Haijun，DUAN Pengfei，LI Hongying
（Beijing Oriental Yuhong Waterproof Technology Co.Ltd.，Beijing 101309，China）

s：The two-component antisag high strength waterproof polyurethane coating was prepared by the prepolymer that was obtained from polyether polyol compound，diphenyl methane diisocyanate（MDI）and chlorinated paraffin，and components B with amine curing agents，plasticizers，antisag agents，fillers，defoamers，catalysts and wetting dispersing agents and so on.It was researched that the effects of the kinds and amounts of antisag agent，wetting dispersing agents on the physical properties，storage and astisag abilities of coating.Results show that the performances are the best when using antisag agent YH-10 0.5 parts，wetting dispersing agent 0.4 parts，and keeping other components unchanged.

antisag type，high strength polyurethane，water proof coating，properties study

TU56+1.65

A

1001-702X（2015）09-0067-05

2015-02-12

韓海軍，男，1983年生，山東菏澤人，碩士，工程師，從事聚氨酯有關(guān)的研究和應用。