劉煥煥 段存業(yè) 蔣德明 劉頌

(東方雨虹新材料研發(fā)基地特種功能防水材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建筑防護(hù)與節(jié)能聚氨酯工程技術(shù)中心 北京 101100)

近年來(lái)，水性聚氨酯分散體(PUD)合成技術(shù)日漸成熟，在各個(gè)領(lǐng)域[1-4]被廣泛使用，而以PUD 為成膜物質(zhì)的單組分水性聚氨酯防水涂料的生產(chǎn)及施工過(guò)程環(huán)保，更符合綠色節(jié)能的發(fā)展方向[5-7]。 但是PUD 分子中的氨基甲酸酯鍵具有較強(qiáng)的極性，分子間內(nèi)聚力大，涂膜干燥過(guò)程中水分揮發(fā)過(guò)快，涂膜表面和內(nèi)部水分揮發(fā)速度不同，導(dǎo)致表面和內(nèi)部的體積收縮率不一致，涂膜容易出現(xiàn)開(kāi)裂和應(yīng)力收縮紋；另外，PUD 分子鏈段上有親水性基團(tuán)，而為了延緩?fù)磕じ稍锼俣龋磕ら_(kāi)裂現(xiàn)象，需在配方中加入親水保濕助劑[8-9]，這些都會(huì)導(dǎo)致涂膜吸水率升高。 如果不同時(shí)解決涂膜開(kāi)裂和吸水率高的問(wèn)題，將直接影響其在施工工程中的應(yīng)用。

為解決上述問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)就以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究:提高PUD 的含量來(lái)增強(qiáng)PUD 對(duì)粉料的包裹能力；在配方中添加保濕劑來(lái)延緩?fù)磕さ母稍锼俣?，減小涂膜表面和下層的體積收縮率差異；在配方中引入交聯(lián)劑，增加PUD 分子之間的作用力；在配方中引入硅烷偶聯(lián)劑，增加樹(shù)脂和粉料之間的作用力。 本實(shí)驗(yàn)擬制得抗開(kāi)裂型單組分水性聚氨酯防水涂料，且性能滿足水性聚氨酯防水涂料團(tuán)標(biāo)T/CWA 207—2021 的要求，可以在因水分揮發(fā)快而導(dǎo)致涂膜干燥快、易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象的高溫、低濕和有風(fēng)的場(chǎng)所使用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

分散潤(rùn)濕劑OROTAN 731A，陶氏化學(xué)(中國(guó))有限公司；消泡劑BYK-033，畢克助劑(上海)有限公司；PUD Archsol 8355(固含量50%，脂肪族聚氨酯)，萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司；顏料R-996，龍佰集團(tuán)股份有限公司；天然硫酸鋇粉末，默克化工技術(shù)(上海)有限公司；成膜助劑Texanol，伊士曼化學(xué)公司；防腐防霉劑Preventol BM 10，朗盛化學(xué)(中國(guó))有限公司；山梨糖醇，江蘇采薇生物科技有限公司；聚碳化二亞胺Carbodilite E-02，上海臻麗拾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH560，山東恒裕新材料有限公司。 以上均為工業(yè)級(jí)。

1.2 基本配方及工藝

表1 為基本配方表。

表1 基本配方表

低速攪拌下(250 r/min)，在釜中加入消泡劑和潤(rùn)濕分散劑混合均勻；提高攪拌速率至350 ～500 r/min，加顏料和填料打漿20 min，細(xì)度達(dá)50 μm 以下，加入PUD、成膜劑和防腐防霉劑，混勻后出料。

1.3 測(cè)試方法

吸水率和力學(xué)性能:按照中國(guó)建筑防水協(xié)會(huì)團(tuán)標(biāo)T/CWA 207—2021《水性聚氨酯防水涂料》的要求3 遍涂膜、制樣和性能檢測(cè)。 外觀:在聚四氟乙烯板上，一遍成膜，濕膜厚度為1 mm，在50 ℃鼓風(fēng)烘箱里直接干燥1 h，觀察漆膜表面開(kāi)裂現(xiàn)象，模擬夏季高溫情況下涂膜開(kāi)裂情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 PUD 用量對(duì)涂膜外觀和性能的影響

本研究根據(jù)基礎(chǔ)配方，保持配方中除了PUD 之外的其他組分比例不變，僅改變PUD 的用量，制備涂料后涂膜制樣并觀察涂膜外觀，測(cè)試涂膜的吸水率及拉伸性能。 圖1 為涂膜外觀。

圖1 PUD 用量對(duì)涂膜外觀的影響

由圖1 可知，當(dāng)整個(gè)單組分涂料中PUD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤60%時(shí)，隨著PUD 含量的增加，涂膜的應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂情況有明顯改善；當(dāng)PUD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥60%時(shí)，隨著PUD 含量的增加，涂膜的應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂問(wèn)題并無(wú)明顯改善。 表2 為PUD 用量對(duì)涂膜吸水率和拉伸性能的影響。

表2 PUD 用量對(duì)涂膜吸水率和拉伸性能的影響

由表2 可知，隨著PUD 用量增加，涂膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率增強(qiáng)，吸水率也隨之增加。 綜合考慮，PUD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在45%～60%為宜。 當(dāng)PUD 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，涂膜外觀和性能綜合達(dá)到最優(yōu)。

2.2 功能助劑用量對(duì)涂膜外觀和性能的影響

2.2.1 保濕劑用量對(duì)涂膜外觀和性能的影響

本研究選用的保濕劑是山梨糖醇，其分子中含有6 個(gè)羥基，具有強(qiáng)的保水能力，可以延緩?fù)磕さ母稍锼俣龋纳仆磕?yīng)力收縮紋和開(kāi)裂。 本研究?jī)H改變保濕劑的含量，制備對(duì)應(yīng)涂料后進(jìn)行涂膜制樣。圖2 為涂膜外觀，表3 為保濕劑用量對(duì)涂膜吸水率和拉伸性能的影響。

圖2 保濕劑用量對(duì)涂膜外觀的影響

表3 保濕劑用量對(duì)涂膜吸水率和拉伸性能的影響

由圖2 可知，當(dāng)保濕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2%時(shí)，隨著保濕劑用量增加，涂膜的應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂情況明顯改善；而當(dāng)保濕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥2%時(shí)，隨著保濕劑用量增加，涂膜的應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂無(wú)明顯改善。 由表3 可知，隨著保濕劑用量增加，涂膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降，且吸水率也會(huì)隨之增加。 綜合考慮，保濕劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇2%為宜。

2.2.2 交聯(lián)劑用量對(duì)涂膜外觀和性能的影響

采取委托管理、連鎖運(yùn)營(yíng)的方式，通過(guò)專(zhuān)業(yè)化服務(wù)、科學(xué)化管理，做好總分館日常管理運(yùn)行。建立合格主體單位目錄庫(kù)，采用政府購(gòu)買(mǎi)服務(wù)方式，引入合格的第三方主體參與公共圖書(shū)館服務(wù)，建立誠(chéng)信反饋、服務(wù)評(píng)估、優(yōu)勝劣汰等機(jī)制，切實(shí)加強(qiáng)基層服務(wù)管理水平，提升標(biāo)準(zhǔn)化居村綜合文化活動(dòng)室（中心）終端服務(wù)質(zhì)量。

本研究選用的交聯(lián)劑是親水改性的聚碳化二亞胺，其可以在PUD 中穩(wěn)定存在且進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)。 僅改變交聯(lián)劑的用量，制備系列涂料后進(jìn)行涂膜制樣，觀察涂膜外觀，測(cè)試涂膜的吸水率及拉伸性能，具體結(jié)果見(jiàn)圖3 和表4。

圖3 交聯(lián)劑用量對(duì)涂膜外觀的影響

表4 交聯(lián)劑用量對(duì)涂膜吸水率和拉伸性能的影響

由圖3 可知，當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2.5%時(shí)，隨著交聯(lián)劑用量增加，涂膜的應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂問(wèn)題明顯改善；而當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥2.5%時(shí)，隨著其含量增加，涂膜的應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂問(wèn)題無(wú)明顯改善。 由表4 可知，隨著交聯(lián)劑用量增加，涂膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率增大，吸水率也會(huì)隨之下降。 綜合考慮，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇2.5%。

2.2.3 偶聯(lián)劑用量對(duì)涂膜外觀和性能的影響

本研究選用的偶聯(lián)劑是親水改性的硅烷偶聯(lián)劑，根據(jù)基礎(chǔ)配方，保持其他組分比例不變，制備系列涂料后進(jìn)行涂膜制樣。 圖4 為涂膜外觀，表5 為偶聯(lián)劑用量對(duì)涂膜吸水率和拉伸性能的影響。

圖4 偶聯(lián)劑用量對(duì)涂膜外觀的影響

表5 偶聯(lián)劑用量對(duì)涂膜吸水率和拉伸性能的影響

由圖4 可知，當(dāng)偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.1%時(shí)，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，涂膜的應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂情況有明顯改善；當(dāng)偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.1%時(shí)，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，涂膜的應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂問(wèn)題并無(wú)明顯改善。 由表5 可知，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，涂膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)小幅增加，且吸水率也會(huì)隨之下降。 綜合考慮，偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇0.1%。

2.2.4 三者協(xié)調(diào)作用對(duì)涂膜外觀和性能的影響

圖5 不同方案涂膜外觀

表6 不同設(shè)計(jì)方案配方組成

表7 不同方案涂膜吸水率和拉伸性能的表現(xiàn)

由圖5 可知，3 種功能助劑兩兩搭配使用時(shí)，方案2＃、3＃和4＃制備的涂膜應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂問(wèn)題相對(duì)于基礎(chǔ)配方(1＃)明顯改善；在方案5＃中，3種功能助劑同時(shí)使用，應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂才徹底消失。 由表7 可知，方案1＃至5＃涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都可以滿足團(tuán)標(biāo)(T/CWA 207—2021)的性能要求，但方案1＃、2＃和3＃涂膜的吸水率＞10%，只有方案4＃和5＃涂膜的吸水率小于10%。 綜合考慮，3 種功能助劑同時(shí)使用的方案5＃，可以制得外觀無(wú)開(kāi)裂且性能優(yōu)異的單組分水性聚氨酯防水涂料。

2.3 涂膜的力學(xué)性能結(jié)果

根據(jù)最佳配方制備單組分水性聚氨酯防水涂料，按團(tuán)標(biāo)要求測(cè)試，性能結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 抗開(kāi)裂單組分水性聚氨酯防水涂料性能測(cè)試結(jié)果

由圖5 和表8 可知，本研究的水性聚氨酯防水涂料涂膜表面無(wú)應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂，且性能滿足水性聚氨酯團(tuán)標(biāo)要求。

2.4 示范應(yīng)用工程展示

本實(shí)驗(yàn)將研究產(chǎn)品在夏季應(yīng)用在屋面，以觀察其在此類(lèi)易開(kāi)裂的環(huán)境中是否會(huì)出現(xiàn)涂膜開(kāi)裂現(xiàn)象。 施工工藝:基層處理→細(xì)部附加防水層施工→大面涂膜防水層輥涂施工→收頭、邊緣密封→質(zhì)檢驗(yàn)收。 圖6 為應(yīng)用工程展示。

圖6 示范工程展示

如圖6 所示，該產(chǎn)品在高溫低濕且有風(fēng)的苛刻環(huán)境中應(yīng)用，涂膜表面平整光滑，現(xiàn)場(chǎng)反饋無(wú)應(yīng)力收縮紋和開(kāi)裂現(xiàn)象。 最終制備的單組分水性聚氨酯防水涂料可以滿足常規(guī)建筑防水工程要求。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)PUD 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，在涂料配方中同時(shí)引入保濕劑、交聯(lián)劑和偶聯(lián)劑，可以在保證涂膜力學(xué)性能不下降且涂膜吸水率≤10%的同時(shí)，消除單組分水性聚氨酯防水涂料涂膜的開(kāi)裂現(xiàn)象。

(2)最佳配方中，保濕劑、交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、2.5%和0.1%。

(3)最佳配方防水涂料經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，可滿足常規(guī)建筑防水工程要求。