無(wú)溶劑環(huán)保型單組分潛固化聚氨酯防水涂料的研制

陳立義 占科 何宏林 陳開(kāi)壽

(科順?lè)浪萍脊煞萦邢薰?廣東佛山 528000)

聚氨酯防水涂料因其涂膜具有強(qiáng)度高、延伸性好和耐腐蝕等特點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外建筑防水行業(yè)中已得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用,產(chǎn)量也逐年增加[1-3]。聚氨酯防水涂料有單組分和雙組分之分,相對(duì)于雙組分聚氨酯防水涂料而言,單組分聚氨酯防水涂料施工時(shí)不存在計(jì)量誤差,開(kāi)桶即用,施工容易,適用面廣[4],近年來(lái)使用量越來(lái)越大。由于單組分聚氨酯防水涂料的預(yù)聚物分子量大且黏度高,為了達(dá)到施工應(yīng)用的要求,都需要加入一定量的有機(jī)溶劑調(diào)節(jié)產(chǎn)品的黏度,會(huì)造成了揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的污染。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的不斷提高,對(duì)VOC含量的控制也越發(fā)嚴(yán)格,聚氨酯防水涂料未來(lái)將會(huì)向低溶劑以至無(wú)溶劑方向發(fā)展[5-7]。

本研究采用環(huán)氧大豆油調(diào)整產(chǎn)物黏度,以潛固化劑后固化方式制備了無(wú)溶劑單組分聚氨酯防水涂料。討論了環(huán)氧大豆油和潛固化劑的用量對(duì)聚氨酯防水涂料的黏度、VOC 含量和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及設(shè)備

聚醚DL-2000D、聚醚EP-330NG,山東藍(lán)星東大有限公司;甲苯二異氰酸酯(TDI-80),陶氏化學(xué)公司;環(huán)氧大豆油,廣州市潔白化工有限公司;潛固化劑(醛亞胺),自制;52#氯化石蠟,廣州雨廷化工科技有限公司;滑石粉,粒徑20 μm,棲霞市莊臣滑石粉廠;色素炭黑,佛山市順德區(qū)粵偉建材公司;分散劑S18,廣州核心新材料科技有限公司;有機(jī)硅消泡劑AP001,廣州藍(lán)錫化工科技有限公司;催化劑T-12,佛山高明科迪涂料助劑有限公司;促進(jìn)劑A-289,佛山市聚創(chuàng)新材料科技有限公司。以上原料均為工業(yè)級(jí)。

旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),DV-S230型,廣州標(biāo)達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱,DNG-9240A型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;低溫試驗(yàn)箱,DW-FL90型,中科美菱低溫科技有限公司;自動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī),503B型,深圳萬(wàn)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;沖片機(jī),JK-CP25型,廣州精控測(cè)試儀器有限公司。

1.2 防水涂料的制備

單組分潛固化聚氨酯防水涂料基本配方見(jiàn)表1。

表1 單組分潛固化聚氨酯防水涂料的基本配方

根據(jù)表1配方,設(shè)定異氰酸酯指數(shù)(R值)為2.0。先將計(jì)量好的聚醚DL-2000D、EP-330NG、52#氯化石蠟、分散劑、消泡劑和環(huán)氧大豆油加入到帶電動(dòng)攪拌器和溫度計(jì)的500 mL四口燒瓶中,升溫到50 ℃時(shí),邊攪拌邊升溫邊加入顏填料,加完后升溫至105 ℃,在表壓≤-0.08 MPa的真空條件下脫水3 h,降溫至80 ℃,加入TDI-80,85 ℃保溫反應(yīng)2 h;降溫至75 ℃,加入催化劑,繼續(xù)反應(yīng)1 h;降溫至70 ℃ 加入潛固化劑攪拌0.5 h;加入促進(jìn)劑,攪拌均勻,降溫至50 ℃以下充氮保護(hù),過(guò)濾出料,即得無(wú)溶劑環(huán)保型單組分潛固化聚氨酯防水涂料。

1.3 涂膜的制備

將制得的聚氨酯防水涂料一次性刮涂到帶隔離膜的模具上,得到厚度為(1.5±0.2)mm的涂膜,在溫度(23±2)℃、相對(duì)濕度(50±10)%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)96 h后脫模,翻面再繼續(xù)養(yǎng)護(hù)72 h。

1.4 分析與測(cè)試

黏度測(cè)試按GB/T 10247—2008《黏度測(cè)量方法》旋轉(zhuǎn)法測(cè)試，溫度(23±2)℃;VOC含量按JC 1066—2008《建筑防水涂料中有害物質(zhì)限量》附錄A方法進(jìn)行測(cè)試;涂膜的干燥時(shí)間和拉伸性能按GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧大豆油用量對(duì)涂料黏度及VOC的影響

環(huán)氧大豆油具有低黏度、低揮發(fā)性的特點(diǎn),在本研究的涂料配方中代替有機(jī)溶劑調(diào)節(jié)產(chǎn)品的黏度。本工作在固定潛固化劑用量1.8份條件下,討論了環(huán)氧大豆油的用量對(duì)單組分聚氨酯涂料黏度和VOC含量的影響,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 環(huán)氧大豆油用量對(duì)產(chǎn)品黏度及VOC含量的影響

由表2可見(jiàn),環(huán)氧大豆油的加入能有效降低體系的黏度,而且隨著用量的增加黏度下降明顯,當(dāng)用量在25～30份時(shí),體系黏度可降至10 000 mPa·s 以下,可以滿足刮涂施工基本需求。當(dāng)添加量小于15份時(shí),體系的黏度大于17 000 mPa·s,黏度過(guò)大,不能滿足施工應(yīng)用需求。

從表2也可以看出,隨著環(huán)氧大豆油用量的增加,體系中的VOC含量增幅不大,而且當(dāng)用量增加至30份時(shí),VOC含量也僅為24 g/L,還遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)GB/T 19250—2013有害物質(zhì)限量A類(lèi)要求(VOC含量<50 g/L)。

2.2 環(huán)氧大豆油用量對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響

在潛固化劑用量1.8份不變的條件下,考察了環(huán)氧大豆油用量對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 環(huán)氧大豆油用量對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響

從表3可以看出,在潛固化劑用量為1.8份時(shí),隨著環(huán)氧大豆油用量的增加,涂膜的拉伸強(qiáng)度逐漸減小,撕裂強(qiáng)度先增大后減小,斷裂伸長(zhǎng)率逐漸變大。原因在于涂料施工后固化過(guò)程中,潛固化劑水解產(chǎn)生的胺與體系中的NCO基團(tuán)和環(huán)氧基進(jìn)行反應(yīng)固化成膜,但隨著環(huán)氧大豆油用量增加到35份時(shí),涂料中潛固化劑量不足,其反應(yīng)不完全,殘留在涂膜中,從而影響了涂膜性能。

2.3 潛固化劑用量對(duì)涂料黏度及VOC含量的影響

潛固化聚氨酯涂料體系的產(chǎn)品施工后,潛固化劑優(yōu)先與空氣中H2O反應(yīng)生成伯胺，伯胺再進(jìn)一步與異氰酸酯基及環(huán)氧基固化反應(yīng)[8]。由于固化過(guò)程中沒(méi)有 CO2氣體生成,可以從根本上解決聚氨酯體系在交聯(lián)固化時(shí)的發(fā)泡問(wèn)題,同時(shí)利用環(huán)氧基雜化聚氨酯,使得環(huán)氧大豆油在體系中不遷移,不揮發(fā)。固定環(huán)氧大豆油用量30份時(shí),考察潛固化劑醛亞胺用量對(duì)涂料黏度及VOC含量的影響,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 潛固化劑用量對(duì)涂料黏度及VOC含量的影響

從表4可以看出,潛固化劑的加入使得單組分聚氨酯涂料的黏度有一定程度降低。隨著潛固化劑用量增加，涂料黏度降低明顯,當(dāng)潛固化劑用量從0.5份增加到2.5份時(shí),體系黏度可以從12 000 mPa·s降至 9 000 mPa·s 以下。隨著潛固化劑用量的增加,體系中VOC 含量隨之增大,原因主要是來(lái)自潛固化劑水解產(chǎn)生的封閉劑揮發(fā),當(dāng)潛固化劑用量增加至2.5份時(shí),VOC含量為31 g/L,仍符合GB/T 19250—2013有害物質(zhì)限量A類(lèi)要求。

2.4 潛固化劑用量對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響

在使用30份的環(huán)氧大豆油時(shí),考察潛固化劑用量對(duì)涂料固化時(shí)間和涂膜力學(xué)性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 潛固化劑用量對(duì)防水涂膜固化時(shí)間和性能的影響

由表5可知,當(dāng)潛固化劑用量較低時(shí),表干時(shí)間長(zhǎng),涂膜切面有孔且拉伸及撕裂強(qiáng)度低。原因在于涂料中潛固化劑量不足,導(dǎo)致涂料預(yù)聚物中仍然存在部分異氰酸酯基與濕氣反應(yīng),生成CO2形成氣孔,因此強(qiáng)度低。潛固化劑用量過(guò)高時(shí),涂膜表面發(fā)粘,原因在于涂料中過(guò)量潛固化劑殘留在涂膜中,從而影響了涂膜的性能。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)綜合考慮,潛固化劑用量為1.5～2.0份時(shí),涂膜的外觀及力學(xué)性能最佳。

3 結(jié)論

(1)環(huán)氧大豆油代替目前所用的有機(jī)溶劑,能有效調(diào)整產(chǎn)品的黏度,以滿足施工要求,解決有機(jī)溶劑揮發(fā)所產(chǎn)生的VOC污染問(wèn)題。

(2)通過(guò)潛固化劑固化,可將環(huán)氧大豆油與聚氨酯雜化形成一體,防止固化后環(huán)氧大豆油從涂膜中遷移,影響涂膜的防水效果。

(3)當(dāng)環(huán)氧大豆油用量25～30份、潛固化劑的用量1.5～2.0份時(shí),所制備的無(wú)溶劑環(huán)保型單組分潛固化聚氨酯防水涂料能滿足PU防水涂料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19250—2013的要求。