劉煥煥 段存業(yè) 蔣德明 劉頌

(東方雨虹新材料研發(fā)基地特種功能防水材料國家重點實驗室建筑防護與節(jié)能聚氨酯工程技術中心 北京 101100)

近年來，水性聚氨酯分散體(PUD)合成技術日漸成熟，在各個領域[1-4]被廣泛使用，而以PUD 為成膜物質(zhì)的單組分水性聚氨酯防水涂料的生產(chǎn)及施工過程環(huán)保，更符合綠色節(jié)能的發(fā)展方向[5-7]。 但是PUD 分子中的氨基甲酸酯鍵具有較強的極性，分子間內(nèi)聚力大，涂膜干燥過程中水分揮發(fā)過快，涂膜表面和內(nèi)部水分揮發(fā)速度不同，導致表面和內(nèi)部的體積收縮率不一致，涂膜容易出現(xiàn)開裂和應力收縮紋；另外，PUD 分子鏈段上有親水性基團，而為了延緩涂膜干燥速度，消除涂膜開裂現(xiàn)象，需在配方中加入親水保濕助劑[8-9]，這些都會導致涂膜吸水率升高。 如果不同時解決涂膜開裂和吸水率高的問題，將直接影響其在施工工程中的應用。

為解決上述問題，本實驗就以下幾個方面進行研究:提高PUD 的含量來增強PUD 對粉料的包裹能力；在配方中添加保濕劑來延緩涂膜的干燥速度，減小涂膜表面和下層的體積收縮率差異；在配方中引入交聯(lián)劑，增加PUD 分子之間的作用力；在配方中引入硅烷偶聯(lián)劑，增加樹脂和粉料之間的作用力。 本實驗擬制得抗開裂型單組分水性聚氨酯防水涂料，且性能滿足水性聚氨酯防水涂料團標T/CWA 207—2021 的要求，可以在因水分揮發(fā)快而導致涂膜干燥快、易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象的高溫、低濕和有風的場所使用。

1 實驗部分

1.1 主要原料

分散潤濕劑OROTAN 731A，陶氏化學(中國)有限公司；消泡劑BYK-033，畢克助劑(上海)有限公司；PUD Archsol 8355(固含量50%，脂肪族聚氨酯)，萬華化學集團股份有限公司；顏料R-996，龍佰集團股份有限公司；天然硫酸鋇粉末，默克化工技術(上海)有限公司；成膜助劑Texanol，伊士曼化學公司；防腐防霉劑Preventol BM 10，朗盛化學(中國)有限公司；山梨糖醇，江蘇采薇生物科技有限公司；聚碳化二亞胺Carbodilite E-02，上海臻麗拾網(wǎng)絡科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH560，山東恒裕新材料有限公司。 以上均為工業(yè)級。

1.2 基本配方及工藝

表1 為基本配方表。

表1 基本配方表

低速攪拌下(250 r/min)，在釜中加入消泡劑和潤濕分散劑混合均勻；提高攪拌速率至350 ～500 r/min，加顏料和填料打漿20 min，細度達50 μm 以下，加入PUD、成膜劑和防腐防霉劑，混勻后出料。

1.3 測試方法

吸水率和力學性能:按照中國建筑防水協(xié)會團標T/CWA 207—2021《水性聚氨酯防水涂料》的要求3 遍涂膜、制樣和性能檢測。 外觀:在聚四氟乙烯板上，一遍成膜，濕膜厚度為1 mm，在50 ℃鼓風烘箱里直接干燥1 h，觀察漆膜表面開裂現(xiàn)象，模擬夏季高溫情況下涂膜開裂情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 PUD 用量對涂膜外觀和性能的影響

本研究根據(jù)基礎配方，保持配方中除了PUD 之外的其他組分比例不變，僅改變PUD 的用量，制備涂料后涂膜制樣并觀察涂膜外觀，測試涂膜的吸水率及拉伸性能。 圖1 為涂膜外觀。

圖1 PUD 用量對涂膜外觀的影響

由圖1 可知，當整個單組分涂料中PUD 質(zhì)量分數(shù)≤60%時，隨著PUD 含量的增加，涂膜的應力收縮紋和開裂情況有明顯改善；當PUD 質(zhì)量分數(shù)≥60%時，隨著PUD 含量的增加，涂膜的應力收縮紋和開裂問題并無明顯改善。 表2 為PUD 用量對涂膜吸水率和拉伸性能的影響。

表2 PUD 用量對涂膜吸水率和拉伸性能的影響

由表2 可知，隨著PUD 用量增加，涂膜拉伸強度和斷裂伸長率增強，吸水率也隨之增加。 綜合考慮，PUD 質(zhì)量分數(shù)在45%～60%為宜。 當PUD 質(zhì)量分數(shù)為60%時，涂膜外觀和性能綜合達到最優(yōu)。

2.2 功能助劑用量對涂膜外觀和性能的影響

2.2.1 保濕劑用量對涂膜外觀和性能的影響

本研究選用的保濕劑是山梨糖醇，其分子中含有6 個羥基，具有強的保水能力，可以延緩涂膜的干燥速度，改善涂膜應力收縮紋和開裂。 本研究僅改變保濕劑的含量，制備對應涂料后進行涂膜制樣。圖2 為涂膜外觀，表3 為保濕劑用量對涂膜吸水率和拉伸性能的影響。

圖2 保濕劑用量對涂膜外觀的影響

表3 保濕劑用量對涂膜吸水率和拉伸性能的影響

由圖2 可知，當保濕劑質(zhì)量分數(shù)≤2%時，隨著保濕劑用量增加，涂膜的應力收縮紋和開裂情況明顯改善；而當保濕劑質(zhì)量分數(shù)≥2%時，隨著保濕劑用量增加，涂膜的應力收縮紋和開裂無明顯改善。 由表3 可知，隨著保濕劑用量增加，涂膜拉伸強度和斷裂伸長率下降，且吸水率也會隨之增加。 綜合考慮，保濕劑的質(zhì)量分數(shù)選擇2%為宜。

2.2.2 交聯(lián)劑用量對涂膜外觀和性能的影響

采取委托管理、連鎖運營的方式，通過專業(yè)化服務、科學化管理，做好總分館日常管理運行。建立合格主體單位目錄庫，采用政府購買服務方式，引入合格的第三方主體參與公共圖書館服務，建立誠信反饋、服務評估、優(yōu)勝劣汰等機制，切實加強基層服務管理水平，提升標準化居村綜合文化活動室（中心）終端服務質(zhì)量。

本研究選用的交聯(lián)劑是親水改性的聚碳化二亞胺，其可以在PUD 中穩(wěn)定存在且進行交聯(lián)反應。 僅改變交聯(lián)劑的用量，制備系列涂料后進行涂膜制樣，觀察涂膜外觀，測試涂膜的吸水率及拉伸性能，具體結(jié)果見圖3 和表4。

圖3 交聯(lián)劑用量對涂膜外觀的影響

表4 交聯(lián)劑用量對涂膜吸水率和拉伸性能的影響

由圖3 可知，當交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)≤2.5%時，隨著交聯(lián)劑用量增加，涂膜的應力收縮紋和開裂問題明顯改善；而當交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)≥2.5%時，隨著其含量增加，涂膜的應力收縮紋和開裂問題無明顯改善。 由表4 可知，隨著交聯(lián)劑用量增加，涂膜拉伸強度和斷裂伸長率增大，吸水率也會隨之下降。 綜合考慮，交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)選擇2.5%。

2.2.3 偶聯(lián)劑用量對涂膜外觀和性能的影響

本研究選用的偶聯(lián)劑是親水改性的硅烷偶聯(lián)劑，根據(jù)基礎配方，保持其他組分比例不變，制備系列涂料后進行涂膜制樣。 圖4 為涂膜外觀，表5 為偶聯(lián)劑用量對涂膜吸水率和拉伸性能的影響。

圖4 偶聯(lián)劑用量對涂膜外觀的影響

表5 偶聯(lián)劑用量對涂膜吸水率和拉伸性能的影響

由圖4 可知，當偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)≤0.1%時，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，涂膜的應力收縮紋和開裂情況有明顯改善；當偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)≥0.1%時，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，涂膜的應力收縮紋和開裂問題并無明顯改善。 由表5 可知，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，涂膜拉伸強度和斷裂伸長率出現(xiàn)小幅增加，且吸水率也會隨之下降。 綜合考慮，偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)選擇0.1%。

2.2.4 三者協(xié)調(diào)作用對涂膜外觀和性能的影響

圖5 不同方案涂膜外觀

表6 不同設計方案配方組成

表7 不同方案涂膜吸水率和拉伸性能的表現(xiàn)

由圖5 可知，3 種功能助劑兩兩搭配使用時，方案2＃、3＃和4＃制備的涂膜應力收縮紋和開裂問題相對于基礎配方(1＃)明顯改善；在方案5＃中，3種功能助劑同時使用，應力收縮紋和開裂才徹底消失。 由表7 可知，方案1＃至5＃涂膜的拉伸強度和斷裂伸長率都可以滿足團標(T/CWA 207—2021)的性能要求，但方案1＃、2＃和3＃涂膜的吸水率＞10%，只有方案4＃和5＃涂膜的吸水率小于10%。 綜合考慮，3 種功能助劑同時使用的方案5＃，可以制得外觀無開裂且性能優(yōu)異的單組分水性聚氨酯防水涂料。

2.3 涂膜的力學性能結(jié)果

根據(jù)最佳配方制備單組分水性聚氨酯防水涂料，按團標要求測試，性能結(jié)果見表8。

表8 抗開裂單組分水性聚氨酯防水涂料性能測試結(jié)果

由圖5 和表8 可知，本研究的水性聚氨酯防水涂料涂膜表面無應力收縮紋和開裂，且性能滿足水性聚氨酯團標要求。

2.4 示范應用工程展示

本實驗將研究產(chǎn)品在夏季應用在屋面，以觀察其在此類易開裂的環(huán)境中是否會出現(xiàn)涂膜開裂現(xiàn)象。 施工工藝:基層處理→細部附加防水層施工→大面涂膜防水層輥涂施工→收頭、邊緣密封→質(zhì)檢驗收。 圖6 為應用工程展示。

圖6 示范工程展示

如圖6 所示，該產(chǎn)品在高溫低濕且有風的苛刻環(huán)境中應用，涂膜表面平整光滑，現(xiàn)場反饋無應力收縮紋和開裂現(xiàn)象。 最終制備的單組分水性聚氨酯防水涂料可以滿足常規(guī)建筑防水工程要求。

3 結(jié)論

(1)當PUD 的質(zhì)量分數(shù)為60%，在涂料配方中同時引入保濕劑、交聯(lián)劑和偶聯(lián)劑，可以在保證涂膜力學性能不下降且涂膜吸水率≤10%的同時，消除單組分水性聚氨酯防水涂料涂膜的開裂現(xiàn)象。

(2)最佳配方中，保濕劑、交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)分別為2%、2.5%和0.1%。

(3)最佳配方防水涂料經(jīng)應用驗證，可滿足常規(guī)建筑防水工程要求。