王同樂 焦明明 段存業(yè) 張東東 李海章

(北京東方雨虹防水技術股份有限公司 建筑防護與節(jié)能聚氨酯工程技術中心特種功能防水材料國家重點實驗室 北京 101300)

近幾年樓房養(yǎng)殖成為一種新興的工業(yè)規(guī)?；B(yǎng)殖模式，該模式不僅能夠提高土地利用率，增加單位面積雞、鴨和生豬產量，而且能降低畜禽發(fā)病率。畜禽舍中的動物糞便需定期清理，目前基本采用推糞車或者水沖等方式，因此畜禽舍防水材料不僅要求具有防水功能，而且要有一定的耐磨性[1]。由于樓房豬舍建筑結構的細部節(jié)點比較多，采用卷材類防水材料搭接邊部位易出現漏水隱患，后期維修成本與維修難度較大。另外，聚合物水泥防水涂料延展性不足，后期易發(fā)生開裂脫落，防水效果差。

聚氨酯防水涂料不僅具有優(yōu)異的耐酸堿性和延展性，而且施工便利，適用于復雜施工環(huán)境。但普通聚氨酯防水涂料耐磨性不足，滿足不了養(yǎng)殖畜舍應用需求。目前常用的防水施工方案是在聚氨酯防水層上做混凝土保護層，但此法會增加樓房的重量，增大樓房建造的成本。

本實驗利用生物基蓖麻油原料易得、價格低廉且自帶羥基的特性[2]，部分代替聚醚多元醇，制備了一種適用于養(yǎng)殖領域的雙組分耐磨聚氨酯防水涂料，并結合普通聚氨酯防水涂料構建了新的養(yǎng)殖畜舍防水系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土保護層和聚脲，可減輕樓板承重，既簡化了施工工藝，又降低了成本。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚醚二醇2000D(Mn＝1 934)、聚醚三醇330N(Mn＝4 712)，濟南中興化工有限公司；蓖麻油(一級)，濟南潤泰化工有限公司；分散劑BYK-180、消泡劑BYK-065，畢克化學有限公司；氯化石蠟，濟源市恒順新材料有限公司；碳酸鈣粉末(CaCO3)，歐米亞鈣業(yè)有限公司；3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)，蘇州湘園新材料股份有限公司；二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI-50)，科思創(chuàng)聚合物(中國)有限公司；溶劑油，天津石油化工股份有限公司。以上均為工業(yè)級。

1.2 主要儀器和設備

AGS-J型拉力試驗機，美國Instron公司；ASR-5612型Taber磨耗儀，廣東艾斯瑞儀器科技有限公司；SFJ-400型機械攪拌機，廣州儀科實驗室技術有限公司；ZNHW-Ⅱ型加熱控溫儀，上海越眾儀器設備有限公司。

1.3 制備工藝

A組分合成:先將蓖麻油、聚醚多元醇在110℃真空脫水，然后降溫至60℃加入MDI，升溫至90℃反應3 h，再降溫脫氣出料，制得的聚氨酯預聚體即為雙組分防水涂料的A組分。

B組分制備:在反應容器中加入氯化石蠟和分散劑BYK-180，之后升溫加入CaCO3和MOCA，110℃真空脫水3 h，降溫至60℃加入溶劑油和消泡劑BYK-065，攪拌脫氣1 h出料，制得B組分。

設計異氰酸酯指數R為1.25，A組分和B組分混合攪拌5 min后靜置2 min，用涂膜器將涂料制成(1.5±0.2)mm的聚氨酯防水涂膜片，在溫度(25±2)℃、相對濕度(50±10)%的條件下養(yǎng)護96 h，脫模、翻面后繼續(xù)養(yǎng)護72 h。典型配方見表1。

表1 耐磨聚氨酯防水涂料典型配方

1.4 性能檢測

本實驗制備的聚氨酯涂料主要應用于養(yǎng)殖樓房的防水系統(tǒng)。結合實際應用環(huán)境，用于養(yǎng)殖領域耐磨型聚氨酯防水涂料應滿足斷裂伸長率≥200%，磨耗≤20 mg(750 g負荷、500轉、CS10＃磨耗砂輪)。按照GB/T 19250—2013進行試樣制備和力學性能測試；耐磨性能按照GB/T 1768—2006測試。

2 結果與討論

2.1 NCO含量對聚氨酯涂膜力學性能的影響

由于A組分中NCO含量越多，形成的聚氨酯涂膜中剛性鏈段越多，導致硬度等性能增加。本實驗根據基本配方，保持聚醚多元醇與蓖麻油用量不變，配方R值為1.25，改變A組分異氰酸酯用量，考察預聚體中不同NCO含量對聚氨酯涂料固化后膜的力學性能影響，見表2。

表2 預聚體NCO含量對聚氨酯涂膜力學性能的影響

由表2可知，隨著預聚物NCO含量增加，分子鏈中生成的脲鍵和氨基甲酸酯基增多，硬段比例增加，硬段間氫鍵增多[3]，氫鍵起到物理交聯作用，氫鍵越多，分子間作用力越強，漆膜的硬度和耐磨性隨之提高。綜合考慮，當A組分中NCO質量分數為8.1%，涂膜力學性能最佳，耐磨性好。

2.2 MOCA用量對聚氨酯涂膜力學性能的影響

本實驗固定A組分中NCO質量分數8.1%、R值1.25。B組分其他原料不變，考察擴鏈劑MOCA用量對聚氨酯涂膜力學性能的影響，結果見表3。

表3 MOCA用量對聚氨酯涂膜力學性能的影響

由表3可知，隨著MOCA用量的增加，聚氨酯涂膜的拉伸強度逐漸增大，斷裂伸長率逐漸下降，硬度增加，磨耗降低。這是由于隨著MOCA用量增加，聚氨酯鏈段中硬段增多，極性的脲鍵數量增加，分子間氫鍵數量增多，形成的物理交聯增加所致。當B組分中MOCA質量分數為11%～12%時，涂膜性能較優(yōu)。結合成本綜合考慮，MOCA用量確定為11%為宜。

2.3 填料用量對聚氨酯涂膜力學性能的影響

在聚氨酯防水材料中，填料是不可或缺的原料組分，有著提升性能、降低成本的作用。目前常用的填料有CaCO3、滑石粉、高嶺土等。本研究保持A組分中NCO質量分數8.1%，B組分中其他原材料不變，R值1.25，通過改變填料CaCO3用量來考察其對聚氨酯涂膜力學性能的影響，結果見表4。

由表4可知，當B組分中CaCO3質量分數增加到45%以上時，可能由于填料團聚，分散均勻性變差，影響聚氨酯分子鏈間的聚集，導致聚氨酯涂膜拉伸強度和伸長率都下降。另外，由于填料過量，砂輪與涂膜摩擦主要以磨料磨損為主，涂膜耐磨性下降，磨耗增加。當CaCO3質量分數為40%時，涂膜力學性能較優(yōu)。

表4 CaCO3用量對聚氨酯防水涂膜力學性能的影響

2.4 蓖麻油用量對聚氨酯涂膜力學性能的影響

采用蓖麻油部分代替聚醚多元醇合成聚氨酯涂料，提高聚氨酯交聯度，可使其具有更好的耐熱性和力學性能[4]。固定配方R值1.25和B組分不變，保持A組分中異氰酸酯用量不變，通過調整A組分蓖麻油和聚醚多元醇用量考察蓖麻油用量對聚氨酯涂膜力學性能的影響，結果見表5。

表5 蓖麻油用量對聚氨酯涂膜力學性能的影響

從表5可知，隨著蓖麻油用量的增加，涂膜的拉伸強度逐漸增加，伸長率逐漸降低。這是因為蓖麻油羥基含量約為4.94%，按羥基計算相對分子質量為929，其含70%的三官能度和30%的二官能度，羥基平均官能度為2.7，部分代替聚醚二元醇后，提高了涂膜的交聯度。交聯度增加，則涂膜硬度提升，磨耗下降，耐磨性能增加。當A組分中蓖麻油質量分數為10%時，聚氨酯涂膜的力學性能較優(yōu)。

3 施工與應用

3.1 模擬施工及材料耐磨性能考察

本實驗制備了不同硬度的聚氨酯防水涂料進行模擬應用實驗。以圖1所示環(huán)形水泥地基為實驗場所進行噴涂施工，待涂料完全固化，在戶外15～29℃環(huán)境溫度下養(yǎng)護7 d后，再進行耐磨性能的模擬工程應用實驗。以200 kg的履帶車模擬立體養(yǎng)殖中的推糞車，單點壓強0.15 MPa，在防水涂層上勻速轉圈，觀察不同硬度地面涂層出現磨損情況。

圖1 模擬工程應用場地

涂料1為邵A硬度60的普通非外露型聚氨酯防水涂料，涂料2為邵A硬度75的高鐵用高強聚氨酯防水涂料，涂料3為邵A硬度88的自制耐磨型聚氨酯防水涂料，涂料4為邵A硬度90的手刮聚脲，以相同重量的推糞車對噴涂防水涂料后的地面進行模擬應用實驗。

結果表明，涂料1的聚氨酯涂層在履帶車行駛約400圈時出現涂膜破損，涂料2的聚氨酯涂層在行駛約700圈時出現表面破損現象；涂料3和4在行駛1 200圈的磨損實驗后，涂料表面仍平整均勻，沒有出現肉眼可見的起皮或破損。按照豬舍每兩周用推糞車清理豬糞的頻率來算，每清理一次，推糞車單點路過3次，履帶車跑1 200圈相當于推糞車工作16年。另外，在實際應用環(huán)境中，推糞車有水及糞便做潤滑，所以涂料3和涂料4實際使用年限應高于16年。綜合上述性能，本實驗制備的耐磨型聚氨酯防水涂料系統(tǒng)長期使用無損壞，可以滿足樓房豬舍的防水和耐磨需求。

3.2 耐磨聚氨酯涂層應用評價

本實驗對自制的耐磨聚氨酯涂層進行施工應用評價。在施工環(huán)境溫度20℃和濕度30%條件下，對養(yǎng)殖豬舍樓房進行噴涂施工，固化后效果見圖2。

圖2 耐磨型聚氨酯防水涂料施工后效果圖

固化24 h后，涂料固化成膜進行下一步施工。據反饋，此耐磨聚氨酯涂料施工簡單，固化速度合適，具備良好的耐磨性能和防水效果。這類耐磨聚氨酯涂料不僅可以噴涂，也可刮涂或輥涂施工。耐磨性聚氨酯的成本較聚脲低，防水耐磨性能與聚脲涂料相當，是適合養(yǎng)殖場使用的耐磨型防水涂料。

4 結論

(1)以聚醚多元醇、二異氰酸酯MDI-50、蓖麻油等為原料制備了一種耐磨型聚氨酯防水涂料。在A組分中NCO質量分數8.1%、蓖麻油質量分數10%，B組分中擴鏈劑MOCA質量分數11%、填料CaCO3質量分數40%條件下，制備的聚氨酯涂料性能最優(yōu)。

(2)生物基材料蓖麻油的引入提高了涂膜的耐磨性能。

(3)耐磨型聚氨酯防水涂料解決了養(yǎng)殖樓房中傳統(tǒng)防水材料自重大、施工難、易損壞等難題，對立體養(yǎng)殖的發(fā)展起到了促進作用。