摘要：為解決水性聚氨酯（WPU）涂層材料應(yīng)用于裝配式地鐵車站中防水性能不佳的問題，本文通過使用十八水硫酸鋁和硅烷偶聯(lián)劑KH500對納米SiO2進(jìn)行改性，得到無機(jī)-有機(jī)復(fù)合改性納米SiO2（AKS），并通過共混法以AKS和WPU乳液成功制備了AKS/WPU復(fù)合涂層材料，同時(shí)對所制備的AKS與AKS/WPU復(fù)合涂層進(jìn)行性能測試，分析其應(yīng)用效果。結(jié)果表明，AKS的加入能有效改善純WPU復(fù)合涂層的性能，不僅能改善涂層的熱穩(wěn)定性，還能提高涂層的耐水、耐腐蝕性能，大大提高了WPU涂層材料的應(yīng)用效果。AKS的添加量為0.75%時(shí)，AKS/WPU復(fù)合涂層的性能最優(yōu)良，具有良好的防水效果。

關(guān)鍵詞：水性聚氨酯；防水性能；納米SiO2；共混法；AKS/WPU復(fù)合涂層

中圖分類號：TQ635.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0063-04

Research on the characteristics of modified waterproof new materials applied in fabricated metro stations

GUO Jiantao1，LI Hao2，WU Chaojun3，GUO Changshi2

（1.China Construction Engineering Industrial Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 103100，China；2.Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，China；3.Jinan Transportation Development and Investment Co.，Ltd.，Jinan 250014，China）

Abstract：In order to solve the problem of poor waterproof performance of water-borne polyurethane（WPU）coating material applied in assembled metro station，in this paper，nano-SiO2（AKS）was modified by using aluminum sul?fate octadecahydrate and silane coupling agent KH500 to obtain inorganic-organic composite modified nano-SiO2（AKS），AKS/WPU composite coatings were successfully prepared by blending AKS and WPU emulsions.The prop?erties of AKS/WPU composite coatings were tested and their application effects were analyzed.The results showthat AKS can effectively improve the properties of pure WPU composite coating，not only improve the thermal stabil?ity of the coating，but also improve the water and corrosion resistance of the coating，the application effect of WPU coating material is greatly improved.AKS/WPU composite coating with 0.75%AKS content has the best perfor?mance and good waterproof effect.

Key words：waterborne polyurethane；water resistance；nano-SiO2；blending method；AKS/WPU composite coating

裝配式地鐵車站[1-2]是指，將傳統(tǒng)工法施工的鋼筋、混凝土集中在工廠內(nèi)流水化生產(chǎn)成預(yù)制構(gòu)件，再將制備好的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)送到施工現(xiàn)場，通過類似“搭積木”的方式將預(yù)制構(gòu)件一塊一塊地拼接成型，這種方法使建筑結(jié)構(gòu)的施工生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)工廠化。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆地鐵車站結(jié)構(gòu)相比，具有高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的建筑形式[3-4]。水性聚氨酯[5-6]（WPU）是一種性能優(yōu)良的涂層材料，不僅安全無污染，還具有相容性好、機(jī)械性能優(yōu)良、易于改性的優(yōu)點(diǎn)[7]，可用于裝配式地鐵車站的建筑材料，起到高效的防腐作用。但水性聚氨酯做涂層材料時(shí)，防水效果差，其穩(wěn)定性和耐蝕性能也較差[8]，無法長期在海水等環(huán)境中使用，對水性聚氨酯進(jìn)行改性[9-10]是目前解決水性聚氨酯應(yīng)用難題的重要方法。本文通過對納米SiO2進(jìn)行改性[11-12]得到改性產(chǎn)物AKS，再通過AKS與WPU乳液進(jìn)行物理共混制備AKS/WPU復(fù)合涂層材料，并對所制備AKS與AKS/WPU復(fù)合涂層進(jìn)行性能測試，分析AKS/WPU復(fù)合涂層的應(yīng)用效果。

1試驗(yàn)內(nèi)容

1.1主要材料及設(shè)備

主要材料：水性聚氨酯（WPU，工業(yè)級）；納米二氧化硅（分析純）；十八水硫酸鋁（分析純）；硅烷偶聯(lián)劑（KH550，分析純）；六偏磷酸鈉（分析純）；丙酮（分析純）。

主要設(shè)備：S212型恒速攪拌器；HH-S型數(shù)顯恒溫油浴鍋；KH-100E型超聲分散儀；DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；KH-100型水熱合成反應(yīng)釜；AXIS-ULTRADLD型X射線電子能譜儀；Rigaku-Ul?tima IV型X射線衍射儀；209 F3 Tarsus型熱重分析儀；JGW-360D接觸角分析儀；CS-310電化學(xué)工作站。

1.2 AKS-WPU復(fù)合涂層的制備

1.2.1 AKS的制備

將適量納米SiO2和Na6O18P6溶解于去離子水中，配成所需溶液，并使用攪拌器和超聲分散儀分散該溶液，攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)置為750 r/min。結(jié)束后將溶液pH值調(diào)至9～10，并將溶液轉(zhuǎn)移到三口燒瓶中，取含量為納米SiO2 4%的Al2（SO4）3× 18H2O緩慢滴入燒瓶，并在75℃下以500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌反應(yīng)4 h，反應(yīng)完成后在常溫下醇化0.5 d，使用去離子水和無水乙醇清洗陳化產(chǎn)物，并烘干、研磨，得到改性后的納米SiO2，改性后的納米SiO2被Al所包覆，記為AS。取相同體積的無水乙醇與去離子水混合，并將適量的AS充分溶解至混合液中，在75℃下攪拌反應(yīng)1 h后，往溶液中滴加納米SiO2 3%的KH550-C2H6O混合溶液，并繼續(xù)攪拌2 h，再經(jīng)過醇化、油濾、洗滌、干燥、研磨得到無機(jī)-有機(jī)復(fù)合改性納米SiO2，記為AKS。

1.2.2 AKS/WPU復(fù)合涂層的制備

使用超聲分散儀將AKS粉末分散在去離子水中得到AKS水溶液，并繼續(xù)分散至WPU乳液中，通過調(diào)節(jié)AKS的含量，制備不同含量的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合改性納米SiO2/水性聚氨酯涂層，記為AKS/WPU涂層。

1.2.3鍍AKS/WPU復(fù)合涂層試樣的制備

（1）鍍AKS/WPU復(fù)合涂層304不銹鋼試樣的制備。將304不銹鋼材料制成長寬高分別為40 mm、13 mm、2 mm的試樣，使用金相砂紙打磨至表面光滑無雜質(zhì)和劃痕，洗去試樣表面的油脂和殘留溶液后，使用吹風(fēng)機(jī)吹干試樣。利用線棒涂布器將AKS-WPU復(fù)合涂層涂布在處理好的試樣表面，鍍膜厚度不宜太厚，將鍍膜后的試樣放入烘箱中干燥1 d，烘箱溫度設(shè)置為60℃;

（2）鍍AKS/WPU復(fù)合涂層玻璃底板及馬口鐵底板試樣的制備。將AKS/WPU復(fù)合涂層通過線棒涂布器均勻涂布在3個(gè)相同質(zhì)量的玻璃底板上，將帶有涂層的試樣在60℃下干燥1 d，得到帶有AKS-WPU復(fù)合涂層的玻璃底板試樣。制備帶有AKS/WPU復(fù)合涂層的馬口鐵底板試樣與上述方法相同。

1.3性能測試

1.3.1 X射線衍射（XRD）分析

使用X射線衍射[13]儀對改性前后納米SiO2進(jìn)行分析，并將所得數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡對比。

1.3.2熱失重分析（TG）

取質(zhì)量為6 mg左右的鍍AKS/WPU復(fù)合涂層試樣放入陶瓷坩堝中，使用熱重分析儀對試樣進(jìn)行熱穩(wěn)定分析。

1.3.3涂層表面潤濕性

試樣表面涂層與去離子水的水接觸角[14-16]使用接觸角分析儀測定，并測量3次取平均值。

1.3.4吸水率測試

測量不帶涂層的玻璃底板的初始質(zhì)量，將干燥后的帶有涂層的玻璃底板試樣浸入去離子水中浸泡1 d后取出，將試樣表面水漬擦去后再次稱量各試樣的質(zhì)量，計(jì)算涂層的吸水率（ε）：

ε=×100%（1）

式中：M0、M1、M2分別為玻璃底板、浸水前鍍涂層玻璃試樣、浸水后鍍涂層玻璃試樣的質(zhì)量。

1.3.5耐鹽水測試

準(zhǔn)確稱量馬口鐵底板的質(zhì)量，記為M0。將帶有AKS/WPU復(fù)合涂層的馬口鐵試樣的邊緣和背部進(jìn)行封邊處理后再次稱量馬口鐵試樣的質(zhì)量，再將試樣浸入3.5%的NaCl中，完成浸泡后擦干試樣表面的水漬再次稱量。計(jì)算試樣在鹽水中的吸水率（ε），以分析試樣的耐鹽水性能[17-18]：

ε=×100%（2）

式中：M0、M1、M2、M3分別為馬口鐵底板、封邊前帶涂層馬口鐵試樣、封邊后帶涂層馬口鐵試樣、浸水后封邊帶涂層馬口鐵試樣。

1.3.6電化學(xué)測試

采用電化學(xué)工作站[19-20]利用交流阻抗譜（EIS）法進(jìn)行電化學(xué)腐蝕測試，電解質(zhì)溶液為3.5%的NaCl溶液。不同AKS含量的復(fù)合涂層涂布于各304不銹鋼試樣，作工作電極。輔助電極和參比電極即為常規(guī)電化學(xué)工作使用的鉑片和飽和甘汞電極。

2結(jié)果與分析

2.1 XRD分析

不管是改性前的納米SiO2，還是改性后的AKS，晶型都保持一致，因?yàn)槎吒餮苌浞宥荚谕晃恢贸龇濉?/p>

2.2 TG分析

由失重?cái)?shù)據(jù)可知，WPU的熱失重要經(jīng)歷3個(gè)階段，即涂層中殘留水分和溶劑揮發(fā)—WPU硬段鏈的分解—WPU軟段鏈的分解。AKS的加入會(huì)降低WPU的初始分解溫度，但AKS添加量不能過少或過多，這會(huì)導(dǎo)致AKS在WPU乳液中會(huì)分布不均，而使AKS/WPU復(fù)合涂層的熱穩(wěn)定性降低。因此，為保證AKS/WPU復(fù)合涂層的熱穩(wěn)定性，AKS的添加量應(yīng)為0.75%。

2.3耐水性能分析

2.3.1吸水率分析

由圖1不同AKS含量復(fù)合涂層的吸水率可知，與純WPU涂層相比，AKS加入會(huì)顯著降低涂層吸水率。但AKS量不宜過多，若AKS添加量過多，則會(huì)使AKS堆積而形成空隙，無法在基體表面形成保護(hù)膜。

2.3.2水接觸角分析

由圖2不同AKS含量復(fù)合涂層的水接觸角可知，加入AKS后，AKS/WPU復(fù)合涂層的水接觸角較純WPU涂層明顯變大。

涂層的吸水率和水接觸角是涂層耐水性的重要評判，當(dāng)AKS含量為0.75%時(shí)，復(fù)合涂層的吸水率最低，水接觸角最大，這表明在此含量下，AKS/WPU復(fù)合涂層的耐水性能最好。

2.4耐鹽水性能分析

圖3是不同AKS含量復(fù)合涂層的耐鹽水性能，分析圖3可知，AKS加入復(fù)合涂層能降低復(fù)合涂層的表面能，并在基體表面形成保護(hù)膜，從而降低試樣在鹽水中的吸水率。隨著AKS添加量的逐漸增加，復(fù)合涂層的吸水率呈先減小后增大的趨勢，這與復(fù)合涂層在耐水性測試結(jié)果相同。防腐蝕涂層在鹽水中的吸水率越低，其耐鹽水性能越好，故AKS含量為0.75%時(shí)，AKS/WPU復(fù)合涂層的耐鹽水性最好。

2.5耐腐蝕性能分析

由圖4不同AKS含量復(fù)合涂層的電阻可知，AKS的加入會(huì)明顯降低復(fù)合涂層的電阻。隨著AKS的逐漸增加，復(fù)合涂層的電阻變化趨勢為減小-增大-減小-增大。當(dāng)AKS的添加量為0.75%時(shí)，復(fù)合涂層的電容值與電阻值較為優(yōu)良，此時(shí)復(fù)合涂層的耐腐蝕性能最佳。

綜上不同AKS含量AKS/WPU復(fù)合涂層的極化擬合值可知，加入AKS的復(fù)合涂層自腐蝕電位明顯低于不加AKS的純WPU涂層。復(fù)合涂層最高的腐蝕電位和最小的腐蝕電流密度均在AKS添加量為0.75%時(shí)，即當(dāng)AKS添加量為0.75%時(shí)，AKS/WPU復(fù)合涂層具有最優(yōu)良的耐腐蝕性能。

3結(jié)語

本試驗(yàn)通過對納米SiO2進(jìn)行改性制備了AKS納米SiO2，并使用改性后所得產(chǎn)物AKS制備AKS/WPU復(fù)合涂層材料，并對所制備AKS與AKS/WPU復(fù)合涂層進(jìn)行性能測試。主要結(jié)論如下：

（1）改性并未影響納米SiO2的晶型；

（2）相對于純WPU涂層，加入含量為0.75%的AKS后，AKS/WPU涂層的受熱分解初始溫度升高，熱穩(wěn)定性、耐水性、耐鹽水性以耐腐蝕性能都得到了明顯的提高，在此AKS含量下AKS/WPU復(fù)合涂層的性能最好。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱澤文.裝配式地鐵車站預(yù)制支撐兼作主體結(jié)構(gòu)橫梁施工技術(shù)研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2024，51（3）：52-54.

[2]張建.地鐵裝配式車站防水關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2023（21）：87-89.

[3]楊林濤.房建工程裝配式建筑結(jié)構(gòu)外掛墻板的施工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2024，14（9）：162-165.

[4]姜雪.全國人大代表蘇躍華：優(yōu)化裝配式建筑實(shí)施比例[N].中國建設(shè)報(bào)，2024-03-11（2）.

[5]李霄峰，劉洋，馬東升，等.有機(jī)硅改性水性聚氨酯基紙質(zhì)文物保護(hù)液的制備及性能研究[J].中國造紙，2024，43（2）：112-118.

[6]吳茜，梁福根，李相，等.功能化水性聚氨酯超纖革的制備研究進(jìn)展[J].中國皮革，2024，53（3）：87-93.

[7]武柳君，陳蔚翔，謝麗梅，等.黃麻/粘膠/水性聚氨酯包裝材料制備及優(yōu)化[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2024，32（19）：65-72.

[8]SUN Z，F(xiàn)AN H，CHEN Y，et，al.Synthesis of self-matting waterborne polyurethane coatings with excellent transmit?tance[J].Polymer International，2018，67：78-84.

[9]曾海霞，趙煜松，王貴文.一種二氧化硅改性聚氨酯WPU復(fù)膜膠的制備與性能測試[J].粘接，2023，50（3）：35-38.

[10]計(jì)少妮.水性聚氨酯建筑涂料的發(fā)展及改性分析[J].粘接，2022，49（7）：73-75.

[11]陳根生.改性二氧化硅納米粒子提升泡沫穩(wěn)定性研究[J].化學(xué)與生物工程，2023，40（10）：45-49.

[12]侯向前，盧擁軍，方波，等.滲吸驅(qū)油用改性納米SiO2研究現(xiàn)狀及展望[J].現(xiàn)代化工，2023，43（10）：84-88.

[13]成志強(qiáng)，李榮光，李璐，等.基于X射線衍射的在役全尺寸管道應(yīng)力測試方法[J].中國測試，2023，49（10）：7-12.

[14]杜常博，程傳旺，易富，等.復(fù)配表面活性劑對煙煤潤濕性影響及微觀機(jī)理研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2024，52（11）：346-355.

[15]李磊，臧偉旭，楊雙春，等.智能表面可潤濕性材料的研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2024，53（2）：450-455.

[16]張鵬，項(xiàng)奎，羅道琦，等.乳液壓敏膠制備與涂布工藝性能影響研究[J].粘接，2023，50（4）：21-24.

[17]張偉鋼，潘露露，呂丹丹.環(huán)氧樹脂基近紅外吸收涂層的近紅外光譜、力學(xué)及耐鹽水性能研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2024，44（2）：439-445.

[18]蔣春麗，許栩達(dá)，陳慧，等.鋁及鋁合金不同表面處理膜層耐鹽水性試驗(yàn)方法研究[J].有色金屬加工，2018，47（6）：52-53.

[19]高淑婷，李航，賈寶棟，等.金屬表面派瑞林防腐蝕涂層的制備與防護(hù)性研究[J].冶金與材料，2023，43（5）：10-12.

[20]王海川，張晨，雷杰，等.鋼鐵冶金熔渣電導(dǎo)率測試技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2023，37（20）：179-185.

（責(zé)任編輯：張玉平）