环保型聚氨酯防水涂料的研究进展

石林梅

(江西南新环保科技有限公司，江西 九江 330300)

1 前言

聚氨酯防水涂料是20世纪60年代发展起来的一种防水高分子材料[1]，因其附着力强、力学性能好、耐化学腐蚀、拉伸强度高、弹性好、防水性能佳、价格竞争力强等特性在防水材料市场获得普遍认可和应用。传统聚氨酯防水涂料主要类型有焦油基聚氨酯涂料和沥青基聚氨酯涂料[2]。普通的沥青型聚氨酯涂料中含有苯酚和吡啶、吡咯、咪唑等化合物，这些化合物具有不同程度的毒性及致癌倾向，会对人体造成损害。而焦油基聚氨酯涂料中的焦油易挥发且挥发出的气体气味强，在聚氨酯材料中大量使用煤焦油会引发一系列潜在的环境污染风险。

随着人类社会的进步和人们环保理念的增强，人们日益重视防水涂料的绿色、环保和健康问题，对聚氨酯防水涂料性能的要求也越来越高，传统类型的聚氨酯防水涂料也受到诸多限制，并逐渐被淘汰。因此，发展高性能、绿色环保型的聚氨酯防水涂料越来越受到重视[3]。

2 环保型水性聚氨酯防水涂料

水性聚氨酯防水涂料是一种高性能环保高分子弹性防水材料，具有安全、环保、无毒、无味等特点，并且具有良好的附着性。水性聚氨酯防水涂料可分为单组分聚氨酯涂料和双组分聚氨酯涂料[4]。

单组分水性聚氨酯防水涂料是以水性聚氨酯树脂为主要成膜物质，搭配颜填料、成膜助剂、涂料助剂等组分，以水为分散介质，经过一定工艺制备的环保型涂料产品[5]。单组分水性聚氨酯防水涂料可以直接用水稀释、使用方便、常温干燥，具有拉伸强度高、断裂伸长率大、对基层变形适应能力强、易于修复、防水性好等特点。双组分水性聚氨酯防水涂料是一种反应固化型涂料，交联固化后，漆膜坚韧而富有弹性，具有附着牢固、硬度大、耐候性好、耐化学性优异等特点[6]。这类聚氨酯防水涂料通常是以含羟基的水性树脂和水性异氰酸酯固化剂共同组成，漆膜性能主要由树脂决定，和固化剂反应后性能有所提高，该涂料成膜温度低、有机挥发物较少、基面干燥潮湿均可施工，是一种高性能的环保型防水涂料。

2.1 单组分水性聚氨酯防水涂料

为了获得性能优良、功能化的单组分水性聚氨酯防水涂料，合成防水性能优异、综合性能优良的水性聚氨酯是研究的重点。通过引入疏水基团、增加支链结构、化学或物理方法混合其他组分，可有效改善水性聚氨酯的性能。

普通的聚氨酯涂料往往力学性能不够好，特别是在经过热老化处理后，其力学性能会有明显下降。交联改性可以将线性聚氨酯分子以化学键的形式结合在一起，从而提高聚氨酯涂层的性能。周义[7]利用三官能度的三羟甲基丙烷(TMP)扩链剂对聚氨酯防水涂料进行改性，使聚氨酯预聚体形成网络交联结构，结果发现改性之后聚氨酯涂料的力学性能和热老化性能均有提高，并且当TMP的添加量为0.05 %，改性聚氨酯的力学性能和热老化性能最优。而Lai等[8]在聚氨酯中引入酮酰肼交联结构，使漆膜的交联密度得到了提高，降低了吸水率，并且提高了硬度、拉伸强度以及热稳定性。

有机硅化合物具有良好的耐水性、耐候性、抗氧化性、透气性、低极性和低表面性能。另外，由于有机硅和聚氨酯的相容性低，硅氧烷会迁移到膜的表面，在水性聚氨酯膜表面富集，可赋予改性聚合物低表面能，提高漆膜耐水、耐化学品、耐高低温、耐候等性能。颜永斌[9]利用纳米SiO2经TDI表面改性处理后分散在聚氨酯基体中，制备了纳米SiO2改性聚氨酯防水涂料。利用纳米SiO2对紫外光的反射能力和屏蔽功能，提高了聚氨酯防水涂膜的力学性能、耐紫外光老化和热氧老化性能，紫外光老化1000 h后，防水涂膜的拉伸强度、断裂伸长率和撕裂强度分别提高了20.3 %、17.8 %和11.5 %。

环氧树脂具有粘结力强、弹性模量高、拉伸强度高、硬度高、光泽高、耐热、耐化学腐蚀等优点，通过引入环氧树脂可提高聚氨酯涂层的耐水性、耐溶剂性、耐热蠕变性、耐腐蚀性、拉伸强度和剥离强度。吴校彬等[10]以环氧树脂E-44为改性剂制备了聚氨酯防水涂料，环氧树脂中的羟基可以和聚氨酯中的-NCO反应形成网络结构，从而使膜的性能得到提高。随着环氧树脂添加量的提高，涂膜的硬度和拉伸强度随之提高，但伸长率会降低。通过实验发现，当E-44添加量为6 %～7 %时，涂膜的综合性能最优，超过了GB/T19250-2003的要求。董伟等[11]采用机械共混的方法制备环氧改性水性聚氨酯，当环氧树脂含量为8 %时，聚氨酯涂膜的拉伸强度达到29.57 MPa，断裂伸长率为354.1 %，涂膜的性能得到了明显的提高。

2.2 双组分水性聚氨酯防水涂料

双组分聚氨酯防水涂料是一类环保且综合性能突出的产品，具有防水性能好、施工简便和易操作等优点，多用于交通运输防水层、堤坝渠道防水防渗层和建筑防水装饰涂膜。双组分聚氨酯防水涂料由多种原料复配而成，其核心部分是A组分中的异氰酸酯、醇和B组分中的固化剂。

在双组分水性聚氨酯防水涂料中，醇多用水性羟基丙烯酸树脂。水性丙烯酸树脂耐光性、耐候性、颜色浅、耐热好、耐化学试剂等性能良好，综合性能优良，应用广泛，是涂料成膜树脂中最重要的品种。羟基丙烯酸树脂是典型的热固型树脂，涂膜附着力、耐磨性、硬度、耐化学品性、耐候性等性能突出[12]。周国强等[13]用叔碳酸缩水甘油酯(E-10P)改性丙烯酸树脂，不仅减少了溶剂的使用，还提高了分散体的固含量。

冯筱倩[14]采用两步预聚法，以二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和聚醚多元醇为原料合成A组分预聚物，并与含少量聚醚多元醇和固化剂的B组分配合制备了一种环保型高强度双组分聚氨酯防水涂料。发现采用MDI单体制备的防涂料具备更高的力学强度，当R值为4.0时，涂膜具备较好的力学性能，其拉伸强度可达到5.15 MPa，断裂伸长率达到432%，表干时间和实干时间也均能达到聚氨酯防水涂料应用标准要求。

3 环保型无溶剂聚氨酯防水涂料

无溶剂型聚氨酯防水涂料不以溶剂为分散剂，不含胺类、煤焦油等有毒物质，也不含挥发性有机物，安全环保，不会对人体产生伤害，也不会对环境造成污染，形成的防水涂层不会污染水体。其固化速度快，施工方便，可按照需求涂装任意涂层厚度，在施工过程中不易产生流淌、麻面等施工缺陷。无溶剂型防水涂料的物体附着能力比溶剂型防水涂料强，具有高耐磨性，优良的化学稳定性能[15，16]。因此，无溶剂型聚氨酯防水涂料得到了非常广泛的应用，并且在未来具有广阔的应用前景。

郝宁[17]用低黏度环保植物酯代替易挥发的石油溶剂，重点考察环保植物酯用量与产品黏度、干燥时间、有机挥发物含量及涂膜拉伸性能的变化关系，为制备无溶剂型单组分聚氨酯防水涂料提供了一定的设计思路。

陈立义[18]采用环氧大豆油调整产品体系黏度，以潜固化剂固化方式制备了无溶剂单组分聚氨酯防水涂料。讨论了环氧大豆油和醛亚胺类潜固化剂的用量对产品的黏度、有机挥发物含量以及涂膜力学性能的影响。实验结果发现所制备的无溶剂环保型单组分潜固化聚氨酯防水涂料能满足聚氨酯防水涂料国家标准(GB/T 19250-2013)的要求。

刘畅[19]以PCDL-2000、MDI、潜固化剂以及环保增塑剂为主要原料，制备了一种不含挥发性有毒溶剂的环保型高强度单组分聚氨酯防水涂料，研究了聚醚种类及比例、—NCO含量、潜固化剂及增塑剂添加量等因素对涂料性能的影响。根据最佳比例制备的单组分聚氨酯防水涂料，其拉伸强度可以达到7.5 MPa，断裂伸长率为600 %，撕裂强度为34 N/mm。

Jomin Thomas[20]采用一种1，3-丙二醇低聚物调节体系粘度，1，3-丙二醇不仅充当溶剂，还参与聚氨酯固化过程。通过优化引发剂和反应条件，达到与溶剂型丙烯酸多元醇树脂相同的性能，VOC从400 g/L降低到160 g/L。

Xiaomin Luo[21]受天然珍珠层结构的启发，制备了由正十八烷胺改性氧化石墨烯(NGO)并通过Diels-Alder反应合成的无溶剂自修复聚氨酯(SFPU-DA)组成的新型多层无机有机薄膜。通过逐层组装技术，制备出超疏水自修复无溶剂聚氨酯复合薄膜(NGO/SFPU-DA薄膜)。NGO/SFPU-DA复合薄膜在120 ℃下在120秒内表现出表面折痕和裂缝的愈合。同时，薄膜的接触角和滑动角分别高达151°和8°。值得注意的是，即使经过21次摩擦，所得薄膜的超疏水性也没有显着降低。NGO/SFPU-DA薄膜的拉伸强度和剥离强度可以达到22.6 MPa和88.6 N/30 mm。此外，涂有NGO/SFPU-DA薄膜的钢比单独的NGO/SFPU-DA薄膜和未涂层钢表现出更低的腐蚀电流密度和更好的耐腐蚀性。

4 总结

防水涂料应用非常广泛，尤其在建筑行业用量非常大。而传统的防水涂料会产生大量的有机挥发物，对大气环境以及人民的健康造成了严重的影响，因此国家对涂料环保性能也日益重视起来。从环保的角度来说，环保型聚氨酯防水涂料是一大发展趋势，它以水作为分散剂或者不需要溶剂，解决了因采用焦油、沥青等溶剂型防水涂料所造成的环境污染以及对人体的伤害。为了进一步提高环保型聚氨酯防水涂料的综合性能并拓宽其应用范围，可通过对聚氨酯改性、采用先进的聚合工艺、优化聚氨酯的结构以及加大聚氨酯产品的开发等，今后环保型聚氨酯防水涂料将向着高性能和多功能方向发展。