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一、前 言

雙組分聚氨酯防水涂料具有施工簡(jiǎn)便、易操作、性能優(yōu)良，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于建筑防水、防腐材料、地面涂層及建筑裝飾等領(lǐng)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(jīng)成為建設(shè)部重點(diǎn)推薦的防水材料。


2007年4月5日，鐵道部科學(xué)技術(shù)司根據(jù)國外高速鐵路橋梁防水層的應(yīng)用情況、最新試驗(yàn)研究結(jié)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(duì)“客運(yùn)專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術(shù)條件”（科技基函[2005] 101號(hào)）進(jìn)行修訂，在技術(shù)條件中增加了高聚物防水材料的各項(xiàng)要求，發(fā)布了《客運(yùn)專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術(shù)條件》（修訂版）。該技術(shù)條件是根據(jù)運(yùn)行速度250～350 km/h客運(yùn)專線對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的要求、橋梁構(gòu)造特點(diǎn)以及TQF-Ⅰ型防水層的使用經(jīng)驗(yàn)、客運(yùn)專線防水層鋪設(shè)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)有碴、無碴混凝土橋面防水層的質(zhì)量要求、施工工藝，以及相關(guān)防水材料最新頒布國標(biāo)和該領(lǐng)域內(nèi)的最新科研成果而制定的。

本設(shè)計(jì)研究院根據(jù)市場(chǎng)需要，在國內(nèi)外現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上[3-6]，自主研發(fā)了一種非焦油型無溶劑高強(qiáng)度聚氨酯防水涂料，其中以異氰酸酯基封端的預(yù)聚體（A組分），是采用二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）替代價(jià)格昂貴、易揮發(fā)、毒性大的甲苯二異氰酸酯（TDI），不但降低了生產(chǎn)成本，而且有利于工業(yè)安全防護(hù)和工人身體健康。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1、主要原料

二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）：工業(yè)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(yè)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(yè)純，蘇州前進(jìn)化工廠；石油樹脂，滑石粉，輕質(zhì)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(jī)、溫度計(jì)的三口瓶中加入計(jì)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(jì)量的MDI，反應(yīng)30min繼續(xù)升溫，在75~80℃下反應(yīng)3h，降溫密封保存，得到異氰酸酯基封端的PU預(yù)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(zhì)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(yīng)釜中，在（110±5）℃下減壓混合2h，降至室溫，再通過三輥研磨機(jī)研磨2～3遍，即制得B組分。


圖1 聚氨酯防水涂料生產(chǎn)工藝

3、力學(xué)性能測(cè)試

取A、B組分按照1：2的比例混合，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件（（23±2）℃，濕度（50±5）%）下成膜養(yǎng)護(hù)168h。然后切成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣，涂膜力學(xué)性能測(cè)試按照GB/T19250-2003，采用江都市明珠實(shí)驗(yàn)機(jī)械廠的MZ-2000C型拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。

三、結(jié)果與討論

1、涂膜性能測(cè)試結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度聚氨酯防水涂料其涂膜基本性能，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 雙組分聚氨酯防水涂料性能指標(biāo)

本研究院設(shè)計(jì)的MDI型高強(qiáng)度雙組分聚氨酯防水涂料，通過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)完全能滿足高速鐵路道橋防水設(shè)計(jì)要求。由于采用了毒性較小的MDI制備預(yù)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(huán)境保護(hù)和工人健康。


2、異氰酸酯含量對(duì)涂料力學(xué)性能的影響

預(yù)聚體A組分中異氰酸酯（-NCO）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是影響聚氨酯防水涂料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，通過預(yù)聚體中-NCO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)整，可以改善聚氨酯防水涂料的力學(xué)性能。

圖2  NCO%對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（見圖2），隨著NCO%的提高，涂膜機(jī)械強(qiáng)度明顯提高。但是同時(shí)也會(huì)造成涂膜的彈性和柔韌性降低，以致延伸率下降，可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求來選擇合適的NCO%。

3、固化劑摻量對(duì)涂膜性能的影響

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

表2 固化劑配比對(duì)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(qiáng)度明顯增大, 而斷裂伸長率呈現(xiàn)先增大而后明顯減小的規(guī)律。MOCA 中含有剛性鏈段苯環(huán)，隨著MOCA用量的增加，分子鏈中剛性鏈段增加，所以其拉伸強(qiáng)度隨著MOCA用量的增加而增大。同時(shí)，斷裂伸長率會(huì)減小。結(jié)果說明，MOCA/N330在一定比例范圍內(nèi)（0.70/0.30~0.85/0.15），聚氨酯的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率是同時(shí)增加的，一旦超出這個(gè)范圍，只是強(qiáng)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(fā)現(xiàn)MOCA用量對(duì)聚氨酯涂料表干時(shí)間影響比較大，表干時(shí)間隨著MOCA/N330比例增大而顯著縮短，這是因?yàn)镸OCA中的氨基分子反應(yīng)活性比較高，不需要催化劑也能迅速與NCO發(fā)生縮合反應(yīng)。因此可以通過改變MOCA的摻量來調(diào)節(jié)聚氨酯防水涂料的表干時(shí)間，以滿足不同的施工需要。

4、催化劑對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響

催化劑是聚氨酯涂料生產(chǎn)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(yīng)速率不僅受到原料和結(jié)構(gòu)的影響，也受到相應(yīng)催化劑的影響，催化劑強(qiáng)烈地影響著聚氨酯反應(yīng)混合物的流動(dòng)性、表皮區(qū)的形成、泡孔消除等工藝參數(shù)。本文探討了NCO/OH型催化劑PB201對(duì)聚氨酯防水涂料不同時(shí)期的性能影響，結(jié)果見圖3。

  

                  a. 拉伸強(qiáng)度變化                   b. 斷裂伸長率變化

圖3 催化劑對(duì)早期涂膜力學(xué)性能的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看（圖3），催化劑PB-201使聚氨酯涂料的早期拉伸強(qiáng)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(shí)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(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 防水層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由于高速鐵路路橋?qū)?a href='http://uxmsphm.cn' target='_blank' title='防水層'>防水層技術(shù)要求較高，其各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)大大高于現(xiàn)有聚氨酯防水涂料國標(biāo)GB/T19250-2003的要求。高強(qiáng)度聚氨酯防水涂料對(duì)攪拌、施工時(shí)間、人工涂刷技術(shù)要求較高，控制不好時(shí)涂膜內(nèi)易存留氣泡。為保證高強(qiáng)度聚氨酯防水涂料的涂膜質(zhì)量，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：


（1）應(yīng)優(yōu)先采用機(jī)械噴涂的方法施工，也可采用金屬鋸齒板(應(yīng)保證涂膜厚度達(dá)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(shí)，按照先主劑（A組分）、后固化劑（B組分）的順序?qū)⒁后w倒入容器，并充分?jǐn)嚢?～5min，使其混合均勻。

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

（4）涂刷時(shí)應(yīng)分2次進(jìn)行，以防止氣泡存于涂膜內(nèi)。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(shí)內(nèi)進(jìn)行第二次刮涂。

（5）防水層完全固化后，方可澆筑保護(hù)層。

四、結(jié)論

本技術(shù)貼近市場(chǎng)需要，利用目前價(jià)格相對(duì)較低、安全性能更高的MDI取代TDI，設(shè)計(jì)了一種不含再生橡膠和煤焦油類物質(zhì)的高強(qiáng)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(duì)涂料性能的影響，取得了滿意的結(jié)果。與原有TDI型高強(qiáng)度聚氨酯防水涂料配方相比，每噸成本下降3000元左右。

對(duì)本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行放大生產(chǎn)后，通過標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到7.1MPa，斷裂伸長率520.4%，與混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度2.9MPa，且表干時(shí)間可以根據(jù)季節(jié)變化進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的施工需要。各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足客運(yùn)專線橋梁混凝土橋面防水層技術(shù)要求，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景。

 

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