一、前 言

双组分聚氨酯防水涂料具有施工简便、易操作、性能优良，已经广泛地应用于建筑防水、防腐材料、地面涂层及建筑装饰等领域中[1-2]。聚氨酯防水涂料成膜后弹性好，耐高低温，防水性能极佳，使用寿命长，已经成为建设部重点推荐的防水材料。


2007年4月5日，铁道部科学技术司根据国外高速铁路桥梁防水层的应用情况、最新试验研究结果以及目前施工单位在制作防水层过程中所反映的意见，对“客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件”（科技基函[2005] 101号）进行修订，在技术条件中增加了高聚物防水材料的各项要求，发布了《客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件》（修订版）。该技术条件是根据运行速度250～350 km/h客运专线对桥梁结构耐久性的要求、桥梁构造特点以及TQF-Ⅰ型防水层的使用经验、客运专线防水层铺设经验，针对有碴、无碴混凝土桥面防水层的质量要求、施工工艺，以及相关防水材料最新颁布国标和该领域内的最新科研成果而制定的。

本设计研究院根据市场需要，在国内外现有的研究基础上[3-6]，自主研发了一种非焦油型无溶剂高强度聚氨酯防水涂料，其中以异氰酸酯基封端的预聚体（A组分），是采用二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）替代价格昂贵、易挥发、毒性大的甲苯二异氰酸酯（TDI），不但降低了生产成本，而且有利于工业安全防护和工人身体健康。

二、实验部分

1、主要原料

二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）：工业纯，上海巴斯夫聚氨酯有限公司；聚氧化丙烯三醇（聚醚N330），Mn为3000±100，羟值54～58 mg KOH/g，聚氧化丙烯二醇（聚醚N220），Mn为2000±100，羟值52～60 mg KOH/g工业纯，上海高桥石油化工有限公司；3,3-二氯-4,4-二氨基二苯基甲烷（MOCA），工业纯，苏州前进化工厂；石油树脂，滑石粉，轻质碳酸钙，PB-201催化剂，均为市售。

2、聚氨酯防水涂料的制备

在带有高速搅拌机、温度计的三口瓶中加入计量聚醚N330和聚醚N220，加热，在（110±5）℃减压脱水1h。然后降温至60℃以下，加入计量的MDI，反应30min继续升温，在75~80℃下反应3h，降温密封保存，得到异氰酸酯基封端的PU预聚体，即A组分。

将固化剂MOCA和N330、催化剂PB-201、固体填料滑石粉和轻质碳酸钙、液体填料石油树脂按一定比例和顺序加入密封反应釜中，在（110±5）℃下减压混合2h，降至室温，再通过三辊研磨机研磨2～3遍，即制得B组分。


图1 聚氨酯防水涂料生产工艺

3、力学性能测试

取A、B组分按照1：2的比例混合，在标准实验条件（（23±2）℃，湿度（50±5）%）下成膜养护168h。然后切成标准哑铃型试样，涂膜力学性能测试按照GB/T19250-2003，采用江都市明珠实验机械厂的MZ-2000C型拉伸试验机测试其拉伸强度和断裂伸长率。

三、结果与讨论

1、涂膜性能测试结果

本实验室设计的高强度聚氨酯防水涂料其涂膜基本性能，测试结果见表1。

表1 双组分聚氨酯防水涂料性能指标

本研究院设计的MDI型高强度双组分聚氨酯防水涂料，通过实验室检测，各项指标完全能满足高速铁路道桥防水设计要求。由于采用了毒性较小的MDI制备预聚体，不添加再生橡胶和煤焦油，且不使用任何溶剂，有利于环境保护和工人健康。


2、异氰酸酯含量对涂料力学性能的影响

预聚体A组分中异氰酸酯（-NCO）质量分数，是影响聚氨酯防水涂料力学性能的关键因素，通过预聚体中-NCO的质量分数调整，可以改善聚氨酯防水涂料的力学性能。

图2  NCO%对涂膜力学性能的影响

实验结果表明（见图2），随着NCO%的提高，涂膜机械强度明显提高。但是同时也会造成涂膜的弹性和柔韧性降低，以致延伸率下降，可以根据不同设计要求来选择合适的NCO%。

3、固化剂掺量对涂膜性能的影响

以MOCA和聚醚三元醇N330作为高强度聚氨酯防水涂料的固化剂，研究了这两种固化材料对聚氨酯涂料物理性能的影响，结果见表2.

表2 固化剂配比对涂料物理性能的影响

从表2 中可以看出，随着MOCA/N330比例的增大，聚氨酯防水涂料的拉伸强度明显增大, 而断裂伸长率呈现先增大而后明显减小的规律。MOCA 中含有刚性链段苯环，随着MOCA用量的增加，分子链中刚性链段增加，所以其拉伸强度随着MOCA用量的增加而增大。同时，断裂伸长率会减小。结果说明，MOCA/N330在一定比例范围内（0.70/0.30~0.85/0.15），聚氨酯的拉伸强度和断裂伸长率是同时增加的，一旦超出这个范围，只是强度随着分子链中刚性链段的增加而增加，断裂伸长率则减小。

此外还可以发现MOCA用量对聚氨酯涂料表干时间影响比较大，表干时间随着MOCA/N330比例增大而显著缩短，这是因为MOCA中的氨基分子反应活性比较高，不需要催化剂也能迅速与NCO发生缩合反应。因此可以通过改变MOCA的掺量来调节聚氨酯防水涂料的表干时间，以满足不同的施工需要。

4、催化剂对涂膜力学性能的影响

催化剂是聚氨酯涂料生产中一类非常重要的助剂，在聚氨酯涂料固化成膜过程中，固化反应速率不仅受到原料和结构的影响，也受到相应催化剂的影响，催化剂强烈地影响着聚氨酯反应混合物的流动性、表皮区的形成、泡孔消除等工艺参数。本文探讨了NCO/OH型催化剂PB201对聚氨酯防水涂料不同时期的性能影响，结果见图3。

  

                  a. 拉伸强度变化                   b. 断裂伸长率变化

图3 催化剂对早期涂膜力学性能的影响

从实验结果来看（图3），催化剂PB-201使聚氨酯涂料的早期拉伸强度明显提高，但是由于催化剂的加入加速了聚氨酯涂料的固化，使表干时间缩短，从而降低聚氨酯涂料膜的延展性，断裂伸长率下降。

5、施工工艺要求

聚氨酯防水涂料适用于有碴、无渣道路桥面的防水层，高速铁路路桥防水层示意简图如图4所示。

图4 防水层结构简图

由于高速铁路路桥对防水层技术要求较高，其各项性能指标已经大大高于现有聚氨酯防水涂料国标GB/T19250-2003的要求。高强度聚氨酯防水涂料对搅拌、施工时间、人工涂刷技术要求较高，控制不好时涂膜内易存留气泡。为保证高强度聚氨酯防水涂料的涂膜质量，应该注意以下几点：


（1）应优先采用机械喷涂的方法施工，也可采用金属锯齿板(应保证涂膜厚度达到2.0mm)将涂料均匀涂刷于基层表面。

（2）采用人工涂刷配制涂料时，按照先主剂（A组分）、后固化剂（B组分）的顺序将液体倒入容器，并充分搅拌3～5min，使其混合均匀。

（3）必须采用机械方法搅拌，机械、容器不得有水，搅拌器的转速宜在200～300转/分。

（4）涂刷时应分2次进行，以防止气泡存于涂膜内。第一次使用平板在基面上刮涂一层厚度0.2mm左右的涂膜，1～2小时内进行第二次刮涂。

（5）防水层完全固化后，方可浇筑保护层。

四、结论

本技术贴近市场需要，利用目前价格相对较低、安全性能更高的MDI取代TDI，设计了一种不含再生橡胶和煤焦油类物质的高强度聚氨酯防水涂料。探讨了异氰酸酯含量、催化剂和固化剂对涂料性能的影响，取得了满意的结果。与原有TDI型高强度聚氨酯防水涂料配方相比，每吨成本下降3000元左右。

对本设计方案进行放大生产后，通过标准实验室检测，其拉伸强度达到7.1MPa，断裂伸长率520.4%，与混凝土界面粘结强度2.9MPa，且表干时间可以根据季节变化进行调整，以满足不同的施工需要。各项性能指标完全满足客运专线桥梁混凝土桥面防水层技术要求，具有较为广阔的市场前景。

 

参考文献：

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

[2]徐培林. 聚氨酯材料手册[M]. 北京：化学工业出版社, 2002: 31-36

[3]耿同谋,李贯良,徐茂田. 高强度聚氨酯防水涂料的研制[J]. 商丘示范学院学报, 2002, 18(5): 94-98

[4]许君栋，濮国尧，王宏等. 高性能双组分聚氨酯汽车面漆的研制[J]. 涂料工业, 2004(7): 26.

[5]南博华，郑水蓉，孙曼灵等. 室温固化型高强度聚氨酯防水涂料的研制[J]. 合成材料老化与应用, 2006, 35(3): 37-39

[6]陈卫星，郑建龙，许岗等. 双组分聚氨酯涂料的制备与性能表证[J]. 西安工业学院学报, 2006, 26(3): 258-263