一种无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的结构分析和性能研究

2023-03-21姜广明肖凯巍刘昊北王强强

工程质量 2023年2期

姜广明，肖凯巍，黄挺，胡水，刘昊北，王强强

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.立邦涂料（中国）有限公司，上海 201201；3.北京化工大学，北京 100029；4.中国建筑材料联合会，北京 100037；5.中国国检测试控股集团股份有限公司，北京 100024）

0 引言

建筑的混凝土地面可能受到温湿度变化、车辆行驶动载荷、冬季雪水冻融循环而发生表面开裂；也可能受到混凝土碳化、酸雨腐蚀以及其他腐蚀液体作用而发生侵蚀甚至结构破坏。使用刚性较高的环氧地坪涂料，有可能随着地面的开裂而破损，失去对地面的保护能力。聚氨酯地坪涂料具有一定的弹性和柔韧性［1］，配套无溶剂型聚氨酯底涂、无溶剂型聚氨酯面涂、无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的体系［2］，具有抗裂、防滑、耐磨、耐候和环保的优点，可以很好地保护建筑地面。

聚氨酯地坪涂料分为水性聚氨酯地坪涂料、溶剂型聚氨酯地坪涂料和无溶剂型聚氨酯地坪涂料。水性聚氨酯地坪涂料分为单组分和双组分两类［3］，性能可以满足一般场合需求，无毒无污染［4］。溶剂型聚氨酯地坪涂料中含有大量的挥发性有机化合物和少量游离异氰酸酯，而无溶剂型型聚氨酯地坪涂料则无挥发性有机物，有发展优势［5，6］。聚氨酯地坪涂料的硬度、耐磨性和拉伸性能可以调节异氰酸酯和含羟基树脂的比例来控制［7］。脂肪族聚氨酯地坪涂料的耐候性优于芳香族的地坪涂料［8］。

本文分析了一款无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的组分，研究了其固化后的结构和热稳定性，测试了涂层的物理性能、耐介质性能和耐人工气候老化性，证实了使用脂肪族异氰酸酯固化剂的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的耐磨性和耐候性都非常优异。

1 原材料

本文使用的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆为双组份；主剂为灰色；固化剂为无色透明。根据不同的主剂与固化剂的比例，分别制备聚氨酯地坪罩面漆涂层并测试其性能。主剂与固化剂的比例分别按照100∶60（w/w）、100∶70（w/w）、100∶83（w/w）、100∶90（w/w）、100∶100（w/w），共 5 种配比。

2 实验设备

热失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生产的 TGA/DSC1 同步热分析仪（型号 STARe system）测试，氮气气氛，测试的温度范围为 40～900 ℃，升温速度 10 ℃/min。

红外光谱使用美国 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生产的 Nicolet 6700 傅立叶变换红外光谱仪测试，扫描范围为 4 000～600 cm-1，分辨率为 4 cm-1。采用 ATR 方式测试涂层的红外光谱。

聚氨酯地坪罩面漆涂层的基本性能的测试依据 GB/T 22374-2018《地坪涂装材料》。

3 结果与讨论

3.1 罩面漆组分的热失重分析

聚氨酯地坪罩面漆的主剂和固化剂的热失重分析结果如图 1（a）和图 1（b）所示。

图1 无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的主剂和固化剂的热失重分析

从图 1（a）可以看出，罩面漆的主剂只有一个失重台阶，并且主剂的残重很高，高达 70 %。这说明罩面漆的主剂中的树脂含量较少，填料的成分比较高且填料不为碳酸钙。从图 1（a）可以看出，罩面漆的固化剂有 3 个失重台阶，并且残重极低，几乎为 0。这说明罩面漆的固化剂中几乎为 100 %的异氰酸酯，没有其他填料成分。罩面漆的固化剂的第二个分解台阶的温度低于 500 ℃，说明固化剂中没有耐热的苯环结构，固化剂是脂肪族的异氰酸酯。

从图 1（b）可以看出，罩面漆的主剂的最大分解速率温度为 325 ℃。从图 1（b）可以看出，罩面漆的固化剂的最大分解速率温度有 3 个，分别为 288 ℃、442 ℃ 和 667 ℃。

3.2 涂层的红外分析

不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的红外光谱的结果，如图 2 所示。

从图 2 可以看出，3 330 cm-1为 N-H 伸缩振动峰，2 930 cm-1和 2 860 cm-1为-CH2、-CH3的伸缩振动峰，1 680 cm-1为聚氨酯基团的-C=O 伸缩振动峰，1 250 cm-1为 C-O-C 的伸缩振动峰。这是典型的聚氨酯地坪罩面漆的红外光谱［9］。

图2 不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的红外光谱

从图 2 还可以看出，5 个不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆在 2 270 cm-1都有一个中等强度的峰，并且红外峰的高度随固化剂的比例增加而提高。这是残余的-NCO 的特征吸收峰。这说明在这些固化剂的比例下，异氰酸酯的量都有过量，而且残余的-NCO 与空气中的水的反应速度很慢。

3.3 涂层的热失重分析

不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的热失重分析的结果，如图 3 所示。

从图 3（a）可以看出，无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的固化剂比例越高，涂层的残重越低。这是因为主剂的残重高，固化剂的加入量越多时涂层中树脂含量提高，涂层的残重降低。5 种不同比例下，无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆在 200 ℃ 时的质量损失都非常小，这说明固化剂的比例不同时，无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的 VOC 含量很低，非常环保。

图 3（b）可以看出，不同交联程度下，聚氨酯地坪罩面漆的热稳定性也几乎没有区别，最大分解速率温度很接近。无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆有 2 个最大分解速率温度，第一个峰在约 230 ℃ 左右（对应着聚氨酯中烷基键的断裂分解），第二个峰在约 460 ℃ 左右（对应着聚氨酯结构的分解）。同时在 380 ℃ 左右还有一份肩峰形状的分解，这个肩峰对应着主剂中蓖麻油酸主键的分解，这也说明聚氨酯罩面漆的主剂中含有少量的蓖麻油酸成分［10］。

图3 不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的热失重分析结果

3.4 涂层的基本性能分析

不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆涂层的物理性能，如表 1 所示。

表1 不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的物理性能

从表 1 可以看出，固化剂的比例提高后，无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的硬度和耐磨性都增强；而且当主漆与固化剂的比例超过 100∶70（w/w）时，耐磨性的损耗特别小，这说明固化剂的增多提高了聚氨酯罩面漆的交联程度，增强了聚氨酯罩面漆的物理性能。该无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆样品的耐磨性优异除了与聚氨酯本身的特性有关外，还因为主剂中的大量填料起到了超耐磨骨料的作用。

从表 2 可以看出，不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆的耐介质性能都很优秀，耐水、耐碱和耐油都没有异常。耐硫酸后，不同比例的无溶剂型聚氨酯地坪罩面漆都发生了颜色的轻微变化。聚氨酯地坪罩面漆涂层耐酸性变色可能与罩面漆主剂中加入的灰色颜料有关。