低溶剂型单组份聚氨酯防水涂料的制备

孙建，段鹏飞，韩海军

（北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京 101319）

聚氨酯防水涂料因其优异的物理性能和独特的防水性能，现已成为建筑防水应用领域中一种重要的建筑涂料[1-2]。目前市场上的绝大部分聚氨酯防水涂料都是溶剂型[3]，尤其是单组份聚氨酯防水涂料，涂料体系中加入各类有机溶剂使涂料的黏度降低，达到方便施工的效果，但是有机溶剂的挥发又不可避免的造成了VOC的污染。

随着国家对环保要求的不断提高，对VOC含量的控制也是越发严格，聚氨酯防水涂料未来将会向低溶剂以至无溶剂方向发展[3-4]。2017年京津冀地区和深圳地区首先出台了聚氨酯涂料VOC地区标准，京津冀地区要求聚氨酯涂料需符合VOC≤100 g/L，深圳地区要求聚氨酯涂料需符合VOC≤150 g/L，而现有标准是要求符合VOC≤200 g/L，单靠降低溶剂用量来达到环保标准又会导致涂料黏度上升，对施工不利。本文通过控制聚醚配比、增加低黏度增塑剂、控制填料用量等方法降低体系的黏度，减少溶剂的用量，来达到降低体系VOC的目的，使其符合GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》A级标准（VOC≤50 g/L），同时制备的单组份聚氨酯防水涂料具有较低的黏度和良好的施工效果。

1 试验

1.1 主要原料

聚醚二元醇2000D、聚醚三元醇330N：上海高桥化工股份有限公司；分散剂BYK-180，毕克化学有限公司；乙酰柠檬酸三丁酯：珠海飞扬化工有限公司；滑石粉：北京昌国利科贸有限公司；重钙：欧米亚钙业有限公司；甲苯二异氰酸酯（TDI）：拜耳聚氨酯有限公司；炭黑：三菱化学株式会社；聚酰胺蜡粉（SLX）：阿科玛化学有限公司；潜固化剂：YH-88，自制；溶剂油：天津石油化工股份有限公司。均为工业级。

1.2 主要仪器设备

AGS-J拉力试验机，美国Instron公司；搅拌机，广州仪科实验室技术有限公司；加热控温仪，上海越众仪器设备有限公司。

1.3 合成与制备

将聚醚多元醇、分散剂、增塑剂、滑石粉、重钙加入四口瓶中，在110～120℃、0.085～0.095 MPa真空度下脱水3 h，然后降温，加入TDI，在80～85℃反应3 h，降温，加入潜固化剂及其他助剂，搅拌均匀后出料。

1.4 性能测试方法

按照GB/T 19250—2013进行试样制备和性能测试。

2 结果与讨论

2.1 溶剂用量对聚氨酯防水涂料VOC的影响

在单组份聚氨酯防水涂料体系中，溶剂是整个体系中VOC的主要来源，溶剂用量越高，VOC值越大，所以降低涂料体系的VOC值，必须要降低涂料体系中溶剂的用量。

本试验通过采用同一配方体系，分别加入不同用量的溶剂，同一溶剂用量的实验平行重复2次，分别测试其VOC值，结果如表1所示。

表1 溶剂用量对聚氨酯防水涂料VOC及黏度的影响

由表1可知，随着溶剂用量的降低，涂料的VOC值也随之降低，在溶剂用量降至3%时，VOC降至40 g/L左右，符合GB/T 19250—2013规定的A级标准（VOC≤50 g/L）。但是溶剂的降低也带来了体系黏度的升高，单组份聚氨酯防水涂料的黏度在10 000 mPa·s以内时比较容易施工，溶剂用量降至3%后，黏度上升为18 000 mPa·s，需要对配方其它方面进行优化。

由于需要符合VOC≤50 g/L的标准，本试验将溶剂用量固定为3%，并对黏度和性能进行下一步的研究。

2.2 低溶剂型单组份聚氨酯防水涂料性能和黏度的影响因素

2.2.1 多元醇的影响

聚醚多元醇对单组分聚氨酯的性能至关重要。本试验采用聚醚二元醇2000D和聚醚三元醇330N或其混合物制备低溶剂型单组分聚氨酯防水涂料。维持其它条件不变，溶剂用量为3%，增塑剂用量为15%，制备预聚体时异氰酸酯指数R值为2.2，填料用量为45%。考察聚醚中330N用量对单组份聚氨酯防水涂料性能和黏度的影响，结果见表2。

表2 聚醚多元醇用量对聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影响

由表2可知，随着330N用量的增加，聚氨酯的拉伸强度整体来说先升高后降低，断裂伸长率则逐渐减小。这是因为聚醚二元醇用量较多时，分子内线性结构比例高，使得涂膜的断裂伸长率相应增大；随着聚醚三元醇用量增加，分子内交联结构比例增加，拉伸强度相应提高，而断裂伸长率则随之减小。同时涂料体系的黏度也随着聚醚三元醇用量的增加而逐渐增大，这是因为聚醚三元醇的分子质量大，自身黏度较聚醚二元醇大，同时聚醚三元醇的增加使得分子内的交联密度也成比例增加，所以涂料体系的黏度也逐渐增大。综合聚氨酯防水涂料的拉伸性能与黏度，聚醚中330N的用量在10%～20%为宜。

2.2.2 增塑剂的影响

在单组份聚氨酯防水涂料中，添加增塑剂不仅能降低聚氨酯防水涂料黏度，而且还能提高涂膜性能，如降低涂膜的硬度和脆性，增加涂膜的柔韧性等。维持其它条件不变，溶剂用量为3%，330N占聚醚质量的15%，R值为2.2，填料用量为45%。考察增塑剂用量对单组份聚氨酯防水涂料性能的影响，结果见表3。

表3 增塑剂用量对聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影响

由表3可知，随着增塑剂用量的增加，单组份聚氨酯防水涂料的拉伸强度逐渐降低，断裂伸长率逐渐增大。这是由于增塑剂降低了涂膜的硬度，增加了涂膜的柔韧性，从而大大提高断裂伸长率。但是随着增塑剂用量的增大，导致聚氨酯内部树脂含量降低，从而拉伸性能也随之降低，而且低黏度的增塑剂对整个涂料体系也起到了一定的稀释效果，所以涂料的黏度也随着增塑剂用量的增加而逐渐降低。综合聚氨酯防水涂料的拉伸性能与黏度，增塑剂用量在12%～18%为宜。

2.2.3 异氰酸指数R的影响

在单组分聚氨酯防水涂料中，甲苯二异氰酸酯和聚醚多元醇是主要的原材料，预聚体制备时的R值直接影响到聚氨酯防水涂料的性能。维持其它条件不变，溶剂用量为3%，330N占聚醚质量15%，增塑剂用量为15%，填料用量为45%。考察R值对单组份聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影响，结果见表4。

表4 预聚体制备时异氰酸酯指数R对聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影响

由表4可知，随着R值的逐渐增大，涂膜的拉伸强度和断裂伸长率先增大后下降。这是由于随着—NCO含量的增加，涂膜体系内硬链段数量增多，极性基团增多，易产生氢键，使得涂膜的拉伸强度和断裂伸长率也随之增高。当—NCO的含量增加到一定程度时，涂膜体系内部游离—NCO较多，会使涂膜产生气泡，影响了涂膜的拉伸强度和断裂伸长率。同时涂料体系的黏度随着R值的增加而逐渐降低，这是由于游离TDI的增多使得预聚体的封端效果更加良好，不会产生其他交联效果，游离的TDI也能对黏度起到稀释作用。综合聚氨酯防水涂料的拉伸性能与黏度，单组份聚氨酯防水涂料R值在2.0～2.2为宜。

2.2.4 填料的影响

在单组份聚氨酯防水涂料中，填料构成了聚氨酯涂料体系的骨架，加入填料会影响整个聚氨酯防水涂料体系的强度和黏度。本试验维持其它条件不变，溶剂用量为3%，330N占聚醚质量的15%，增塑剂用量为15%，R值为2.2，考察填料用量对单组份聚氨酯防水涂料拉伸性能和黏度的影响，结果见表5。

表5 填料用量对聚氨酯防水涂料性能和黏度的影响

由表5可知，随着填料用量的增加，涂膜的拉伸强度也随之提高，但断裂伸长率整体呈下降趋势，这是因为填料的加入提高了涂料体系的强度，涂膜由软变硬，强度也随之提高，当填料用量过多，聚氨酯树脂无法完全包裹填料，会使得聚氨酯防水涂料的力学性能下降。同时聚氨酯防水涂料体系的黏度也随着填料用量的增加而增大，综合涂料的拉伸性能与黏度，单组份聚氨酯防水涂料的填料用量在39%～45%为宜。

3 低溶剂型单组份聚氨酯防水涂料的性能测试与应用

按溶剂用量为3%、聚醚中330N用量为15%、增塑剂用量为15%、R值为2.2、填料用量为45%的最佳配比，对重复制得的低溶剂型型单组份聚氨酯防水涂料样品进行性能测试以及应用施工涂膜，结果见表6、图1。

表6 重复制样环保型单组份聚氨酯防水涂料的性能

由表6可知，制得的环保型单组份聚氨酯防水涂料的物理性能符合GB/T 19250—2013，而且VOC≤50 g/L，符合A级要求，黏度在 9000～10 000 mPa·s，便于施工。

由图1可知，由于采用潜固化体系，制得的低溶剂型单组份聚氨酯防水涂料涂膜表面光滑、无气泡，外型美观。

图1 环保型单组份聚氨酯防水涂料样品制膜

4 结语

（1）以聚醚二元醇（2000D）、聚醚三元醇（330N）和异氰酸酯为主要原材料，辅以低黏度增塑剂和填料制得性能优良的低溶剂型单组份聚氨酯防水涂料。确定优化配合比为：溶剂用量3%、聚醚中330N用量为10%～20%、增塑剂用量12%～18%、R值2.0～2.2、填料用量39%～45%。

（2）研制的环保型单组分聚氨酯防水涂料黏度低，易于施工，且采用潜固化体系，涂膜美观，无气泡。