聚氨酯防水涂料的拉伸性能研究

王宏伟，朱浩鹏，赵 丽，李运成

吉林建筑大学 建筑节能技术工程实验室,长春 130118

0 引言

聚氨酯防水涂料(简称PU防水涂料)是以含异氰酸酯基的聚氨酯预聚体和含有多羟基或氨基的固化剂为主要原料,配以其它助剂制备的一种反应性涂膜防水涂料[1].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材料[2-3].聚氨酯防水涂料涂膜强度高、延伸性好、耐腐蚀,所以在国内外建筑防水行业中已得到了广泛的认可和应用[4-5].

聚氨酯防水涂料在使用过程中会受到基层变形、温度、湿度等因素影响[6],如果涂料的拉伸强度与断裂伸长率达不到标准，那么涂膜就会发生断裂和渗漏.本文研究了异氰酸酯基的含量、异氰酸酯基的加入方式、聚醚二元醇和聚醚多元醇的比例以及邻苯二甲酸二丁酯的含量对涂料拉伸性能的影响.

1 实验部分

1.1 实验原料及设备

聚醚二元醇D2000,淄博德信联邦化学工业有限公司;聚醚多元醇330 N,淄博德信联邦化学工业有限公司;二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),烟台万华化工集团;4,4'-二氨基-3,3'-二氯二苯甲烷(MOCA),苏州鼎泰化工有限公司;邻苯二甲酸二丁酯,济南林海化工有限公司;重钙(CaCO3),上海诺成药业股份有限公司;滑石粉,上海诚致化工制品有限公司;辛酸亚锡,安徽省沃土化工有限公司;乙酸乙酯,济南林海化工有限公司.以上原料均为工业级.

真空干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;智能磁力搅拌器,西安太康生物科技有限公司;微机控制电子万能试验机,深圳市兰博三思材料检测有限公司.

1.2 制备过程

A组份：将聚醚多元醇置于装有电动搅拌、温度计的四口烧瓶中,搅拌并升温至110 ℃,减压至-0.09 MPa脱水1 h[7],降温出料,分步加入MDI,控温至80℃左右,反应2 h～3 h后,取料并密封保存.

B组份：将MOCA、滑石粉放入烧瓶中,然后放置在真空干燥箱中升温至110 ℃脱水2 h,降温出料,加入邻苯二甲酸二丁酯、重钙等各种助剂,放置在智能磁力搅拌装置中搅拌均匀即可出料.

将A,B组份按照一定比例混合搅拌均匀,涂刷成膜,涂膜厚度为(2.0±0.2)mm,在温度为(23±2)℃、相对湿度为(50±10)%标准条件下养护7 d[8].

1.3 聚氨酯防水涂料性能测试

聚氨酯防水涂料的性能测试依照GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》的有关规定进行测试[9].

2 实验结果

2.1 预聚体中NCO含量对涂料性能的影响

由图1，图2可知,随着NCO含量的增加,拉伸强度不断增加,而断裂伸长率却呈下降趋势.这是由于异氰酸酯基的加入量变大,预聚体中苯环等刚性链段增加,极性基团增多,容易形成氢键,加之涂膜后交联密度增大,所以拉伸强度增加.但是,随着NCO含量的增加，预聚体的分子链长度相对缩短,分子量减小，拉伸形变量降低,加之成膜后刚性链段的增加也导致分子链的运动受阻,导致涂膜断裂伸长率降低.综合比较,当异氰酸酯基的含量为4.5 %时,所得涂料的性能较为良好.

图1 NCO含量对断裂伸长率的影响

图2 NCO含量对拉伸强度的影响

2.2 异氰酸酯基的加入方式对涂料性能的影响

保持其它条件不变的情况下,在合成A组份的时候分别选择一次添加和二次添加异氰酸酯基,影响结果见表1.

表1 异氰酸酯基的加入方式对性能的影响

从表1可以看出,分二次添加异氰酸酯基的方式得到的涂膜性能优于一次添加异氰酸酯基,这是因为第一次加MDI能提供长链,第二次加MDI能提供刚性,致使涂膜性能提高,因此,选择二次添加异氰酸酯基的方式.

2.3 聚醚二元醇与聚醚多元醇的比例对涂料性能的影响

在预聚体中异氰酸酯基含量不变的前提下,在制备A组份时改变预聚体中聚醚二元醇D2000与聚醚多元醇330N的比例,并考察了聚醚二元醇D2000与聚醚多元醇330 N的比例对涂膜性能的影响,实验结果如图3，图4所示.

图3 n(D 2000)∶n(330 N)对断裂伸长率的影响

图4 n(D 2000)∶n(330 N)对拉伸强度的影响

由图3，图4可知,随着聚醚二元醇的比例增加,涂膜的拉伸强度呈降低趋势,而断裂伸长率呈增高趋势.当聚醚二元醇与聚醚多元醇的比例较小时,预聚物中生成大量的支化点,经固化剂进一步交联固化成膜后的漆膜的交联密度大,拉伸性能强,但是涂膜比较脆,容易断裂.随着聚醚二元醇与聚醚多元醇的比例增加,涂膜交联密度降低,柔性增强,断裂伸长率变大,拉伸强度降低.当聚醚二元醇与聚醚多元醇比例为1.0～1.5之间时,所得涂料的性能较好.

2.4 邻苯二甲酸二丁酯含量对涂料性能的影响

增塑剂可以改善树脂涂料的加工性能和涂膜的使用性能.邻苯二甲酸二丁酯是常用的增塑剂,在聚氨酯防水涂料的制备过程中起着重要的作用,从图5可以看出,随着邻苯二甲酸二丁酯用量的增加,聚氨酯涂膜的拉伸强度呈现先增大后减小的趋势,断裂伸长率随着邻苯二甲酸二丁酯用量的增加而增加,但当邻苯二甲酸二丁酯用量超过9 %时,断裂伸长率增加的趋势减缓(如图6所示).

图5 邻苯二甲酸二丁酯含量对断裂伸长率的影响

图6 邻苯二甲酸二丁酯含量对拉伸强度的影响

在聚氨酯涂料中当邻苯二甲酸二丁酯的含量较少时,邻苯二甲酸二丁酯比较容易进入高分子物质中,使软链段更易自由运动,而苯环类硬段自由运动不易.但当邻苯二甲酸二丁酯含量过多时,邻苯二甲酸二丁酯就可以润滑苯环类的硬链段,从而使得拉伸强度降低,断裂伸长率增大.综上,邻苯二甲酸二丁酯的用量在7.0 %～9.0 %之间时涂料性能最优.

2.5 制得的聚氨酯防水涂料的性能

当采用分次加入异氰酸酯基的方式,预聚体中异氰酸酯基的含量为4.5 %、聚醚二元醇与聚醚多元醇的比例为1.5、邻苯二甲酸二丁酯的含量为9.0 %时，制得的聚氨酯防水涂料的性能检测结果见表2.

表2 聚氨酯防水涂料性能的检测结果

3 结论

(1)研究表明,在聚氨酯防水涂料研制过程中,预聚体中异氰酸酯基含量、异氰酸酯基的加入方式、聚醚多元醇的比例、邻苯二甲酸二丁酯的含量对聚氨酯防水涂料的拉伸强度和断裂伸长率有重要影响.

(2)试验结果表明，采用分次加入异氰酸酯基的方式,当预聚体中异氰酸酯基的含量为4.5 %、聚醚二元醇与聚醚多元醇的比例在为1.5、邻苯二甲酸二丁酯的含量为9.0 %时,得到的聚氨酯防水涂料的拉伸强度和断裂伸长率性能比较优异，所得到的聚氨酯防水涂料断裂伸长率为590 %，拉伸强度为3.00 MPa.