二苯基甲烷二异氰酸酯含量对聚氨酯防水涂料性能的影响

2021-01-07王宏伟

河南建材 2021年4期

王宏伟赵丽

吉林建筑大学吉林省建筑节能技术工程实验室（130016）

0 前言

聚氨酯防水涂料常用的两种生产原料分别是MDI 和TDI，其中TDI 不但具有极强的刺激性气味，还是剧毒危险品，运输和加工过程都存在着很大的风险性，并且近年来TDI 的价格不断上升，因此在聚氨酯防水涂料的生产过程中越来越多地使用MDI 代替TDI 作为原材料，因为MDI 的毒性和气味都较小[1]，价格低廉，并且生产出来的聚氨酯防水涂料在性能上还要略微优于TDI 材料生产的聚氨酯防水材料。因此研究MDI 对聚氨酯防水涂料的性能影响具有一定的现实意义，尤其是研究MDI加入量对聚氨酯防水涂料的性能影响，对今后聚氨酯防水涂料的生产工艺改进和技术进步都具有积极的推动作用。

1 MDI 和聚氨酯防水涂料的概念

1.1 MDI 的概念

MDI 是生产聚氨酯防水涂料的重要原材料，化学结构式为4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯。 MDI 是异氰酸酯的一种，被广泛地用于聚氨酯涂料的生产制造。此外，MDI 还具有非常多样化的用途，包括生产防水材料、密封材料、陶器材料等。

MDI 的制备是以苯胺为原料，与甲醛反应，在酸性溶液中缩合，用碱中和，然后蒸馏，可制得二氨基二苯甲烷，然后与碳酰氯反应可制得，再精馏精制。

MDI 是现代化工生产中的重要材料，这也和聚氨酯材料的广泛使用有关。同TDI 相比，MDI 最主要的优势就是毒性小。在化工生产过程中，尽管采用了大量的机器设备，并且生产大多都是在密封环境下进行的，但是由于分子的热运动，还是会有化工原材料从反应器皿中进入空气，从而对从事生产的工人造成长期潜在的危害，所以在化工生产中采用毒性和刺激性气味较小的MDI 材料，也是对工人生命安全和身体健康的一种保障。

此外，MDI 材料制成的聚氨酯防水涂料在性能上并不比TDI 材料制成的差，甚至在某些方面还要优于TDI 材料制作的聚氨酯防水涂料，并且在价格上也比TDI 更有优势。随着国际油价的变化，这些由石油加工分馏而来的材料价格也不断变化，但是我国的MDI 的进出口数量依旧保持在一个相对经济健康的水平。

1.2 聚氨酯防水涂料的概念

聚氨酯防水涂料是聚氨酯材料中的一种，聚氨酯材料作为第五大新型塑料，具有非常优越的性能，同时具备了橡胶和塑料的优点:一方面，聚氨酯具有橡胶的优秀弹性；另一方面又具有塑料的强度和易于加工的优点[2]。聚氨酯防水涂料继承了聚氨酯材料的优秀性能，除了具备高强度、延伸率大、耐水性能好等特点以外，还拥有对于建筑物外墙起到温度保持的作用，尤其是以MDI 为材料制作的聚氨酯防水涂料，接触空气中的湿气固化，形成一层致密的防水膜。这层防水膜耐高温，耐磨损，性能好，强度高，保持时间久。聚氨酯防水涂料整体防水效果优异，性能稳定可靠，可适用于建筑物的不同部位等优点，已经逐步得到了广泛的认可和应用[3]。

1.3 聚氨酯防水涂料的分类

聚氨酯防水涂料按组份可分为单组份与双组份两种类型。

目前国内市场根据不同的固化机理将单组份聚氨酯防水涂料分为湿固化型、潜固化型、水固化型，三者外观无明显差别。

双组份聚氨酯防水涂料一般分为焦油型、非焦油型和聚醚型。

单组份聚氨酯防水涂料中湿固化单组份聚氨酯防水涂料的机理是涂料体系中-NCO 直接与空气中的湿气进行反应形成固化；潜固化型单组份聚氨酯防水涂料是体系先吸收湿气，之后与潜固化剂反应，形成-NH2H 和-OH，然后与体系中的-NCO 反应形成脲基和氨基甲酸酯；水固化型单组份聚氨酯防水涂料是由使用时外加的一部分水与-NCO 反应形成固化。

双组份聚氨酯防水涂料是由含有聚醚多元醇或聚酯多元醇与异氰酸酯缩聚而成的-NCO 预聚体的甲组份和含有-OH 活性集团、交联剂等的乙组份组成，两者通过搅拌混合进行反应。

1.4 施工工艺介绍

聚氨酯防水涂料对基层的要求及施工条件:

1）基层处理是聚氨酯防水涂料的关键因素，因此，基层必须稳定牢固，表面干净整洁，无明显的缺棱掉角、空鼓、裂缝、凹坑、倒坡、起砂等缺陷。

2）对阴阳角要进行圆弧形处理。

3）严格控制基层含水率。

4）施工环境符合要求后方可施工，聚氨酯防水涂料适宜的施工环境温度为5 ℃~35 ℃；室外施工应避免雨、雪、露、霜等潮湿天气。

5）施工前应将基层表面的砂浆残渣等仔细清除；对阴阳角、管道根部、地漏和排水口等部位应认真处理。

6）先进行底涂施工，底涂干燥后才能进行下一道程序。

2 MDI 加入量对聚氨酯防水涂料性能的影响

MDI 加入量对聚氨酯防水涂料性能的影响，主要是通过MDI 中异氰酸基含量的变化而产生的，因为MDI 材料中的异氰酸基是影响聚氨酯防水涂料固化形成防水膜时间长短的主要因素。异氰酸基含量的多少，对于聚氨酯防水涂料的物理力学性能存在着较大的影响。

当MDI 含量较低的时候，所含的异氰酸基自然也相对较低，这种情况下，对聚氨酯防水涂料的主要影响在于降低了聚氨酯涂料的固化能力，导致了聚氨酯防水膜不能正常固化，甚至不能固化，并且出现聚氨酯防水膜内部易碎、发脆的情况，使得聚氨酯防水膜的拉伸强度和断裂伸长率都不达标。这是因为异氰酸基是形成聚氨酯防水涂料固化能力的主要原因，通过异氰酸基连接的苯环是聚氨酯防水涂料能够遇空气中的湿气固化的主要成分。当MDI 含量较少时，异氰酸基含量不足，它所连接的苯环等刚性结构也就会不足，从而影响聚氨酯防水涂料的固化能力。这个时候就需要提高MDI 的含量，以增加材料中的异氰酸基。

但是MDI 含量过高也会对聚氨酯防水涂料的性能产生严重的影响。异氰酸基的含量过高时，会使得聚氨酯涂膜的延展性和柔韧性下降，从而使聚氨酯涂膜的延伸率下降。这是因为随着异氰酸基的含量不断增加，它所连接的苯环也会不断增多，而与苯环相关的一些结构会在遇到空气中水分时发生化学反应，形成了更多新的化学键，从而使得涂膜的固化能力上升，稳定性提高，聚氨酯涂膜的强度也就提高了。但是更多新化学键的产生，在化学键的作用下，原子之间的作用力增强，导致原子的可移动性大大减弱。聚氨酯涂膜的延伸率主要是通过原子的自由移动来实现的，现在因为异氰酸基的含量过高，导致原子无法自由移动，自然就会影响聚氨酯涂膜的延展性和柔韧性。

因此，在聚氨酯防水涂料的生产制造过程中，严格控制MDI 的加入量就显得非常重要，直接影响着聚氨酯涂膜的物理性能。根据上述的试验结果来看，对于MDI 材料，可以适当地多增加，也不能加入过少，因为尽管MDI 含量过高会影响聚氨酯涂膜的延伸率，涂膜还是存在着一定的延伸率和非常好的固化能力与强度，对于涂膜的实际运用所产生的消极影响处在可以接受的范围。 MDI 含量过少，聚氨酯涂膜不能正常固化甚至不能固化，对涂膜的功能是从根源上影响的，所以MDI 含量过高的影响并没有含量过低的影响大。最佳的含量是实现涂膜最优功能的选择，延伸率不足也会导致涂膜覆盖面积小，需要增多聚氨酯防水涂料的用量，导致成本的增加。