高強度聚氨酯防水涂料的制備及其應用研究*

余 鄭 1 沈 強 2 洪晨雅 1 張振弘 1 吳 蓁 1*
(1．上海應用技術大學材料科學與工程學院 上海 201418)(2．上海匯麗涂料有限公司 上海 201318)
摘 要: 制備了用于屋面種植防水層的高強度雙組分聚氨酯防水涂料。討論了 A、B 組分制備工 藝及配方對涂料拉伸性能及其耐穿刺能力的影響，并與幾種現有防水卷材進行對比。結果表明，A 組分采用先加甲苯二異氰酸酯反應，n NCO /n OH 值為 2. 5，再加二苯基甲烷二異氰酸酯，預聚體合成的 總 n NCO /n OH 值為 5、B 組分中的滑石粉為 35 份、氯化石蠟為 10 份、增塑劑 DOP 為 20 份時，涂膜綜 合性能較佳。所得到高強度防水涂料涂膜的拉伸強度為 7. 46 MPa，斷裂伸長率為 586%。與常用 防水卷材相比，高強度聚氨酯防水涂料的耐穿刺性能良好。
關鍵詞: 聚氨酯;防水涂料;高強度;屋面種植;耐穿刺
中圖分類號: TQ 323. 8 文獻標識碼: A

文章編號: 1005－1902(2017)03－0029－04

目前用于屋頂綠化等工程防水材料主要是防水 卷材，主要是因為防水卷材強度高，抗穿刺能力強 ［1］ 。 但是防水卷材在實際應用中出現了一些弊端:在防水 施工中對于外形復雜的基層需多塊拼接，防水卷材相 互搭接處的粘結強度較弱，漏水隱患大，且施工條件 苛刻。防水卷材與基層之間是走水層，任何部位的貫 穿性破損，防水功能都將全部喪失。防水卷材施工后 的維修亦是難題，不能局部修補，只有重做防水層。

聚氨酯防水涂料反應固化后能夠形成無接縫、 完整的涂膜防水層，在建筑、交通、客運專線、市政工 程中的應用范圍日益擴大 ［2］ 。高強度聚氨酯防水 材料提高了工程抗滲防水能力，在屋頂綠化、地下室 表層種植面等地面工程防水上有很大的發展空間。

目前國內還未出現傳統施工的涂料用作屋面種 植防水層，主要是因為涂料(噴涂聚脲除外)的強度 遠不及卷材。本工作研制高強度聚氨酯防水涂料并 對其耐穿刺能力與強度關系進行研究，嘗試得到可 用于屋面種植防水層的耐穿刺能力較強的聚氨酯防 水涂料。目前這一方面的研究尚未見報道。

1 實驗部分 

1. 1 主要原料及儀器 

聚醚 220、聚醚 3050，山東東大化工集團;聚醚 330N，上海高橋石化公司;甲苯二異氰酸酯(TDI)， 巴斯夫(中國)有限公司;二苯基甲烷二異氰酸酯 (MDI)，煙臺萬華聚氨酯股份有限公司;3，3'-二氯- 4，4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)，蘇州鼎泰化工有 限公司;氯化石蠟，上海錦悅化工有限公司;透明滑 石粉，上海誠致化工制品有限公司;鄰苯二甲酸二辛 酯(DOP)，上海藍帆化工有限公司;二月桂酸二丁 基錫，美國空氣化工產品公司;消泡劑 AC300，上海 豪麟化工有限公司。以上原料均為工業級。

SUN 型 電 子 萬 能 試 驗 機，意 大 利 Galdabini 公司。

1. 2 高強度聚氨酯防水涂料的制備及成膜

 預聚體(A 組分)的制備:將聚醚 220(97 ～ 110 質量份，下同)、聚醚 3050(15～27 份)置于裝有電動 攪拌、溫度計的四口燒瓶中，攪拌并升溫至 120 ℃， 減壓至 －0. 09 MPa 脫水 1 h，然后降溫至 75 ℃，分步 加入二異氰酸酯 ［3］ ，控溫至 85 ℃左右，反應 2～3 h 后將產物裝入瓶中，密封保存。

固化劑(B 組分)的制備:將聚醚 330N(65～79 份)、MOCA(29～35 份)、氯化石蠟(10～25 份)、滑 石粉(20～40 份)加入裝有電動攪拌、溫度計的四口 燒瓶中，攪拌混合并升溫至 110 ℃，減壓至 －0. 09 MPa 脫水 1 h，然后降溫至 60 ℃，加入 DOP(15～30 份)、二月桂酸二丁基錫、消泡劑(4～6 份)，攪拌 30 min 后降溫出料，經研磨后密封保存。

涂料成膜與養護:將 A、B 兩組分按質量比 1∶1充 分攪拌混合均勻(異氰酸酯指數約為 3. 5)，二次成 膜，間隔不超過 24 h，涂膜厚度為(2. 0±0. 2) mm，在 溫度為(23±2) ℃、相對濕度為(50±10)%條件下養護 7 d。

1. 3 性能測試 

拉伸強度和斷裂伸長率按照 GB/T 19250— 2013《聚氨酯防水涂料》的方法測試，拉伸速度為 500 mm/min。 

物理穿刺性能測試參照 YBB 00322004《國家藥 品包裝容器(材料)標準》注射器用膠塞、墊片穿刺 力測定法標準，采用直徑為 3 mm 的錐子針作為穿 刺頭，穿刺速度為 200 mm/min，測出涂膜被刺穿時 的作用力，定義為穿刺力。

2 結果與討論 

2. 1 A 組分配方對防水涂料力學性能的影響 

2. 1. 1 異氰酸酯加入方式對涂膜力學性能的影響 

保持 B 組分不變，將配方計算(n NCO /n OH =5)的 TDI 和 MDI 的混合物一次性加入合成體系中，或者 將 TDI 和 MDI 先后加入(先加入 TDI 反應 1. 5～2. 5 h，然后加入 MDI 繼續反應 1 h)，得到的涂膜的拉伸 性能比較見表 1。

由表 1 可見，分步加入異氰酸酯得到的涂膜性 能優于一次性加入異氰酸酯得到的涂膜性能。這是 因為加入的 TDI 部分參與擴鏈，后加的 MDI 能提供 剛性，增加固化膠膜的內聚能，致使涂膜性能提高。 因此選擇二異氰酸酯兩次加入法。

2. 1. 2 n NCO /n OH 對涂膜力學性能的影響

 通過調節 A 組分中 n NCO /n OH 的比值，可以改變 分子中的化學交聯密度及剛性基團比例。本實驗固 定第一批次加入異氰酸酯 TDI 時 n NCO /n OH =2. 5，考 察 A 組分合成中整體 n NCO /n OH 的變化對聚氨酯防水 涂料力學性能的影響，結果見表 2。

由表 2 可見，n NCO /n OH 在 3. 5～5. 0 范圍內，隨著 體系中 n NCO /n OH 的逐漸增大，拉伸強度增大，斷裂伸 長率趨于降低。這是因為隨 n NCO /n OH 的增大，預聚體 組分中過量的 NCO 基團與氨基生成更多的脲基，致使 內聚能增大，分子間的作用力增大。研究結果顯示，當 n NCO /n OH =5.0 時，涂膜綜合力學性能較好。由于 B 組 分配方調整的限制，n NCO /n OH 大于5.0 不易操作。

2. 1. 3 加 TDI 的 n NCO /n OH 對涂膜力學性能的影響 

本實驗固定 A 組分中 n NCO /n OH = 5，TDI 和 MDI 分別加料，通過改變 TDI 的用量改變第一批次加入 TDI 的 n NCO /n OH ，其對涂膜力學性能的影響見表 3。

由表 3 可見，當先加 TDI 時的 n NCO /n OH 在 1. 8～ 3. 0 范圍內增大時，涂膜的拉伸強度增高，斷裂伸長 率趨于降低。n NCO /n OH 的值較低時能保證聚氨酯預 聚體有一定的長鏈，即具有高聚合度低支化度的特 點，能提供防水涂層高彈性。而第二批次加入的異 氰酸酯 MDI 能提供防水涂層高內聚能及高強度。 研究結果表明，當先加入 TDI 且 n NCO /n OH = 2. 5 時， 涂膜的綜合力學性能良好。

2. 2 B 組分配方對防水涂料力學性能的影響 

其他成分不變，保持 B 組分中增塑劑 DOP、滑 石粉和氯化石蠟總用量不變，研究其相對用量對涂 料拉伸性能的影響，結果見表 4。

由表 4 可見，在一定的范圍內，增加 DOP 的相 對用量，降低滑石粉相對用量，涂膜的拉伸強度減 小，斷裂伸長率增大。這是因為滑石粉有增加強度 的作用，而 DOP 有增加延伸性的效果。當 DOP、滑 石粉和氯化石蠟的質量比為 20/35/10 時，涂膜綜合 性能良好。

2. 3 防水材料強度與耐穿刺能力的研究 

隨著建筑涂料行業的不斷發展，以及人們對環 境保護、經濟效益、裝飾美化意識的增強，傳統的有 機溶劑型建筑涂料已經無法滿足人們的需求 ［4］ 。 目前應用于屋面種植防水層基本都采用防水卷材， 其原因主要是因為防水卷材的強度要遠高于目前常 用的涂料。材料的強度越大則耐植物根穿刺能力就 越強，但目前關于材料的強度與耐植物根穿刺能力 之間關系的研究尚未見報道。以物理穿刺的方法替 代植物根穿刺以研究材料的強度與耐植物根穿刺能 力的關系，并將高強度聚氨酯防水涂料與防水卷材 進行了比較。

測定了厚度同為 1. 68 mm、不同拉伸強度的聚 氨酯防水涂料涂膜被穿破的穿刺力，結果見表 5。

由表 5 可見，涂膜拉伸強度越大，耐穿刺力越 大，且穿刺力提高的幅度更大。說明欲得到較強的 耐植物根穿刺能力需要材料具備較高的強度。高強 度聚氨酯防水涂料的耐穿刺特性是通過特定的多重 交聯聚氨酯結構而體現的，由不同的聚氨酯預聚體 結構與固化劑混合反應后生成交聯度不同的多重交 聯結構，其交聯度使聚氨酯內聚能上升，導致強度增 加，穿刺力上升。

本研究測定了目前常用的幾種防水材料的拉伸 強度及穿刺力，見表 6。

由表 6 可見，聚氨酯防水涂料的穿刺力為 28. 29 N，在防水材料當中處于先進。考慮到樣品的 厚度不一，有研究表明防水材料的厚度增加，耐穿刺 性能相應提高 ［5］ 。目前常用的防水卷材的單位厚 度穿刺力差別較大，聚氨酯防水涂料性能較好，表 6 為聚氨酯防水涂料用作屋頂綠化耐植物根穿刺防水 層提供了依據。

3 結論

 (1)預聚體 A 組分中 n NCO /n OH = 5 且先加 TDI 反應后再加 MDI，加 TDI 時的 n NCO /n OH = 2. 5 時，涂 膜的綜合力學性能較好。

(2)在 B 組分總量保持不變的情況下，增加滑 石粉用量同時降低氯化石蠟的相對用量，涂膜的拉 伸強度、斷裂伸長率均增大;增加滑石粉用量同時降 低 DOP 的相對用量，涂膜拉伸強度增加、斷裂伸長 率降低。本研究中，三者相對用量分別為滑石粉 35 份、氯化石蠟 10 份、DOP 20 份時，涂膜綜合性能最 佳，所得到的高強度防水涂料拉伸強度為 7. 46 MPa，斷裂伸長率為 586%。

(3)涂膜拉伸強度越高，耐穿刺能力越強。

 (4)高強度聚氨酯防水涂料的耐穿刺性能良 好，或許能代替防水卷材用作屋頂綠化耐植物根穿 刺防水層。

參 考 文 獻

［1］ 趙守佳．淺談國內聚氨酯防水涂料的現狀和趨勢［J］．聚氨酯工業，2000，15(3):9－12．
［2］ 牛光全． PVC 防水卷材的新進展［J］．中國建筑防水，2008(11): 5－6．
［3］ 吳蓁，郭青，崔文曄．高鐵用高強度聚氨酯防水涂料配方設計與制備工藝［J］．新型建筑材料，2011(5):72－75．
［4］ 許凱翔，楊建軍．功能型水性聚氨酯建筑涂料的研究現狀和最新進展［J］．聚氨酯工業，2016，31(2):1－4．
［5］ 蔡銀鎖，張小英，孔憲明．橡膠一高蠟瀝青防水卷材的研究［J］．新型建筑材料，2003(11):8－9．