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高鐵專用聚氨酯防水涂料的研制

發布時間：2014-08-09

一、前言

雙組分聚氨酯防水涂料具有施工簡便、易操作、性能優良，已經廣泛地應用于建筑防水、防腐材料、地面涂層及建筑裝飾等領域中[1-2]。聚氨酯防水涂料成膜后彈性好，耐高低溫，防水性能極佳，使用壽命長，已經成為建設部重點推薦的防水材料。

2007年4月5日，鐵道部科學技術司根據國外高速鐵路橋梁防水層的應用情況、最新試驗研究結果以及目前施工單位在制作防水層過程中所反映的意見，對“客運專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術條件”（科技基函[2005] 101號）進行修訂，在技術條件中增加了高聚物防水材料的各項要求，發布了《客運專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術條件》（修訂版）。該技術條件是根據運行速度250～350 km/h客運專線對橋梁結構耐久性的要求、橋梁構造特點以及TQF-Ⅰ型防水層的使用經驗、客運專線防水層鋪設經驗，針對有碴、無碴混凝土橋面防水層的質量要求、施工工藝，以及相關防水材料最新頒布國標和該領域內的最新科研成果而制定的。

本設計研究院根據市場需要，在國內外現有的研究基礎上[3-6]，自主研發了一種非焦油型無溶劑高強度聚氨酯防水涂料，其中以異氰酸酯基封端的預聚體（A組分），是采用二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）替代價格昂貴、易揮發、毒性大的甲苯二異氰酸酯（TDI），不但降低了生產成本，而且有利于工業安全防護和工人身體健康。

二、實驗部分

1、主要原料

二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）：工業純，上海巴斯夫聚氨酯有限公司；聚氧化丙烯三醇（聚醚N330），Mn為3000±100，羥值54～58 mg KOH/g，聚氧化丙烯二醇（聚醚N220），Mn為2000±100，羥值52～60 mg KOH/g工業純，上海高橋石油化工有限公司；3,3-二氯-4,4-二氨基二苯基甲烷（MOCA），工業純，蘇州前進化工廠；石油樹脂，滑石粉，輕質碳酸鈣，PB-201催化劑，均為市售。

2、聚氨酯防水涂料的制備

在帶有高速攪拌機、溫度計的三口瓶中加入計量聚醚N330和聚醚N220，加熱，在（110±5）℃減壓脫水1h。然后降溫至60℃以下，加入計量的MDI，反應30min繼續升溫，在75~80℃下反應3h，降溫密封保存，得到異氰酸酯基封端的PU預聚體，即A組分。

將固化劑MOCA和N330、催化劑PB-201、固體填料滑石粉和輕質碳酸鈣、液體填料石油樹脂按一定比例和順序加入密封反應釜中，在（110±5）℃下減壓混合2h，降至室溫，再通過三輥研磨機研磨2～3遍，即制得B組分。

圖1 聚氨酯防水涂料生產工藝

3、力學性能測試

取A、B組分按照1：2的比例混合，在標準實驗條件（（23±2）℃，濕度（50±5）%）下成膜養護168h。然后切成標準啞鈴型試樣，涂膜力學性能測試按照GB/T19250-2003，采用江都市明珠實驗機械廠的MZ-2000C型拉伸試驗機測試其拉伸強度和斷裂伸長率。

三、結果與討論

1、涂膜性能測試結果

本實驗室設計的高強度聚氨酯防水涂料其涂膜基本性能，測試結果見表1。

表1 雙組分聚氨酯防水涂料性能指標

本研究院設計的MDI型高強度雙組分聚氨酯防水涂料，通過實驗室檢測，各項指標完全能滿足高速鐵路道橋防水設計要求。由于采用了毒性較小的MDI制備預聚體，不添加再生橡膠和煤焦油，且不使用任何溶劑，有利于環境保護和工人健康。

2、異氰酸酯含量對涂料力學性能的影響

預聚體A組分中異氰酸酯（-NCO）質量分數，是影響聚氨酯防水涂料力學性能的關鍵因素，通過預聚體中-NCO的質量分數調整，可以改善聚氨酯防水涂料的力學性能。

圖2  NCO%對涂膜力學性能的影響

實驗結果表明（見圖2），隨著NCO%的提高，涂膜機械強度明顯提高。但是同時也會造成涂膜的彈性和柔韌性降低，以致延伸率下降，可以根據不同設計要求來選擇合適的NCO%。

3、固化劑摻量對涂膜性能的影響

以MOCA和聚醚三元醇N330作為高強度聚氨酯防水涂料的固化劑，研究了這兩種固化材料對聚氨酯涂料物理性能的影響，結果見表2.

表2 固化劑配比對涂料物理性能的影響

從表2 中可以看出，隨著MOCA/N330比例的增大，聚氨酯防水涂料的拉伸強度明顯增大, 而斷裂伸長率呈現先增大而后明顯減小的規律。MOCA 中含有剛性鏈段苯環，隨著MOCA用量的增加，分子鏈中剛性鏈段增加，所以其拉伸強度隨著MOCA用量的增加而增大。同時，斷裂伸長率會減小。結果說明，MOCA/N330在一定比例范圍內（0.70/0.30~0.85/0.15），聚氨酯的拉伸強度和斷裂伸長率是同時增加的，一旦超出這個范圍，只是強度隨著分子鏈中剛性鏈段的增加而增加，斷裂伸長率則減小。

此外還可以發現MOCA用量對聚氨酯涂料表干時間影響比較大，表干時間隨著MOCA/N330比例增大而顯著縮短，這是因為MOCA中的氨基分子反應活性比較高，不需要催化劑也能迅速與NCO發生縮合反應。因此可以通過改變MOCA的摻量來調節聚氨酯防水涂料的表干時間，以滿足不同的施工需要。

4、催化劑對涂膜力學性能的影響

催化劑是聚氨酯涂料生產中一類非常重要的助劑，在聚氨酯涂料固化成膜過程中，固化反應速率不僅受到原料和結構的影響，也受到相應催化劑的影響，催化劑強烈地影響著聚氨酯反應混合物的流動性、表皮區的形成、泡孔消除等工藝參數。本文探討了NCO/OH型催化劑PB201對聚氨酯防水涂料不同時期的性能影響，結果見圖3。



                  a. 拉伸強度變化                   b. 斷裂伸長率變化

圖3 催化劑對早期涂膜力學性能的影響

從實驗結果來看（圖3），催化劑PB-201使聚氨酯涂料的早期拉伸強度明顯提高，但是由于催化劑的加入加速了聚氨酯涂料的固化，使表干時間縮短，從而降低聚氨酯涂料膜的延展性，斷裂伸長率下降。

5、施工工藝要求

聚氨酯防水涂料適用于有碴、無渣道路橋面的防水層，高速鐵路路橋防水層示意簡圖如圖4所示。

圖4 防水層結構簡圖

由于高速鐵路路橋對防水層技術要求較高，其各項性能指標已經大大高于現有聚氨酯防水涂料國標GB/T19250-2003的要求。高強度聚氨酯防水涂料對攪拌、施工時間、人工涂刷技術要求較高，控制不好時涂膜內易存留氣泡。為保證高強度聚氨酯防水涂料的涂膜質量，應該注意以下幾點：

（1）應優先采用機械噴涂的方法施工，也可采用金屬鋸齒板(應保證涂膜厚度達到2.0mm)將涂料均勻涂刷于基層表面。

（2）采用人工涂刷配制涂料時，按照先主劑（A組分）、后固化劑（B組分）的順序將液體倒入容器，并充分攪拌3～5min，使其混合均勻。

（3）必須采用機械方法攪拌，機械、容器不得有水，攪拌器的轉速宜在200～300轉/分。

（4）涂刷時應分2次進行，以防止氣泡存于涂膜內。第一次使用平板在基面上刮涂一層厚度0.2mm左右的涂膜，1～2小時內進行第二次刮涂。

（5）防水層完全固化后，方可澆筑保護層。

四、結論

本技術貼近市場需要，利用目前價格相對較低、安全性能更高的MDI取代TDI，設計了一種不含再生橡膠和煤焦油類物質的高強度聚氨酯防水涂料。探討了異氰酸酯含量、催化劑和固化劑對涂料性能的影響，取得了滿意的結果。與原有TDI型高強度聚氨酯防水涂料配方相比，每噸成本下降3000元左右。

對本設計方案進行放大生產后，通過標準實驗室檢測，其拉伸強度達到7.1MPa，斷裂伸長率520.4%，與混凝土界面粘結強度2.9MPa，且表干時間可以根據季節變化進行調整，以滿足不同的施工需要。各項性能指標完全滿足客運專線橋梁混凝土橋面防水層技術要求，具有較為廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1]牛光全. 論建筑防水材料的新進展[J]. 新型建筑材料, 2007(8): 21-25

[2]徐培林. 聚氨酯材料手冊[M]. 北京：化學工業出版社, 2002: 31-36

[3]耿同謀,李貫良,徐茂田. 高強度聚氨酯防水涂料的研制[J]. 商丘示范學院學報, 2002, 18(5): 94-98

[4]許君棟，濮國堯，王宏等. 高性能雙組分聚氨酯汽車面漆的研制[J]. 涂料工業, 2004(7): 26.

[5]南博華，鄭水蓉，孫曼靈等. 室溫固化型高強度聚氨酯防水涂料的研制[J]. 合成材料老化與應用, 2006, 35(3): 37-39

[6]陳衛星，鄭建龍，許崗等. 雙組分聚氨酯涂料的制備與性能表證[J]. 西安工業學院學報, 2006, 26(3): 258-263

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