抗开裂型单组分水性聚氨酯防水涂料的制备及应用

刘焕焕 段存业 蒋德明 刘颂

(东方雨虹新材料研发基地特种功能防水材料国家重点实验室建筑防护与节能聚氨酯工程技术中心 北京 101100)

近年来，水性聚氨酯分散体(PUD)合成技术日渐成熟，在各个领域[1-4]被广泛使用，而以PUD 为成膜物质的单组分水性聚氨酯防水涂料的生产及施工过程环保，更符合绿色节能的发展方向[5-7]。 但是PUD 分子中的氨基甲酸酯键具有较强的极性，分子间内聚力大，涂膜干燥过程中水分挥发过快，涂膜表面和内部水分挥发速度不同，导致表面和内部的体积收缩率不一致，涂膜容易出现开裂和应力收缩纹；另外，PUD 分子链段上有亲水性基团，而为了延缓涂膜干燥速度，消除涂膜开裂现象，需在配方中加入亲水保湿助剂[8-9]，这些都会导致涂膜吸水率升高。 如果不同时解决涂膜开裂和吸水率高的问题，将直接影响其在施工工程中的应用。

为解决上述问题，本实验就以下几个方面进行研究:提高PUD 的含量来增强PUD 对粉料的包裹能力；在配方中添加保湿剂来延缓涂膜的干燥速度，减小涂膜表面和下层的体积收缩率差异；在配方中引入交联剂，增加PUD 分子之间的作用力；在配方中引入硅烷偶联剂，增加树脂和粉料之间的作用力。 本实验拟制得抗开裂型单组分水性聚氨酯防水涂料，且性能满足水性聚氨酯防水涂料团标T/CWA 207—2021 的要求，可以在因水分挥发快而导致涂膜干燥快、易出现开裂现象的高温、低湿和有风的场所使用。

1 实验部分

1.1 主要原料

分散润湿剂OROTAN 731A，陶氏化学(中国)有限公司；消泡剂BYK-033，毕克助剂(上海)有限公司；PUD Archsol 8355(固含量50%，脂肪族聚氨酯)，万华化学集团股份有限公司；颜料R-996，龙佰集团股份有限公司；天然硫酸钡粉末，默克化工技术(上海)有限公司；成膜助剂Texanol，伊士曼化学公司；防腐防霉剂Preventol BM 10，朗盛化学(中国)有限公司；山梨糖醇，江苏采薇生物科技有限公司；聚碳化二亚胺Carbodilite E-02，上海臻丽拾网络科技有限公司；硅烷偶联剂KH560，山东恒裕新材料有限公司。 以上均为工业级。

1.2 基本配方及工艺

表1 为基本配方表。

表1 基本配方表

低速搅拌下(250 r/min)，在釜中加入消泡剂和润湿分散剂混合均匀；提高搅拌速率至350 ～500 r/min，加颜料和填料打浆20 min，细度达50 μm 以下，加入PUD、成膜剂和防腐防霉剂，混匀后出料。

1.3 测试方法

吸水率和力学性能:按照中国建筑防水协会团标T/CWA 207—2021《水性聚氨酯防水涂料》的要求3 遍涂膜、制样和性能检测。 外观:在聚四氟乙烯板上，一遍成膜，湿膜厚度为1 mm，在50 ℃鼓风烘箱里直接干燥1 h，观察漆膜表面开裂现象，模拟夏季高温情况下涂膜开裂情况。

2 结果与讨论

2.1 PUD 用量对涂膜外观和性能的影响

本研究根据基础配方，保持配方中除了PUD 之外的其他组分比例不变，仅改变PUD 的用量，制备涂料后涂膜制样并观察涂膜外观，测试涂膜的吸水率及拉伸性能。 图1 为涂膜外观。

图1 PUD 用量对涂膜外观的影响

由图1 可知，当整个单组分涂料中PUD 质量分数≤60%时，随着PUD 含量的增加，涂膜的应力收缩纹和开裂情况有明显改善；当PUD 质量分数≥60%时，随着PUD 含量的增加，涂膜的应力收缩纹和开裂问题并无明显改善。 表2 为PUD 用量对涂膜吸水率和拉伸性能的影响。

表2 PUD 用量对涂膜吸水率和拉伸性能的影响

由表2 可知，随着PUD 用量增加，涂膜拉伸强度和断裂伸长率增强，吸水率也随之增加。 综合考虑，PUD 质量分数在45%～60%为宜。 当PUD 质量分数为60%时，涂膜外观和性能综合达到最优。

2.2 功能助剂用量对涂膜外观和性能的影响

2.2.1 保湿剂用量对涂膜外观和性能的影响

本研究选用的保湿剂是山梨糖醇，其分子中含有6 个羟基，具有强的保水能力，可以延缓涂膜的干燥速度，改善涂膜应力收缩纹和开裂。 本研究仅改变保湿剂的含量，制备对应涂料后进行涂膜制样。图2 为涂膜外观，表3 为保湿剂用量对涂膜吸水率和拉伸性能的影响。

图2 保湿剂用量对涂膜外观的影响

表3 保湿剂用量对涂膜吸水率和拉伸性能的影响

由图2 可知，当保湿剂质量分数≤2%时，随着保湿剂用量增加，涂膜的应力收缩纹和开裂情况明显改善；而当保湿剂质量分数≥2%时，随着保湿剂用量增加，涂膜的应力收缩纹和开裂无明显改善。 由表3 可知，随着保湿剂用量增加，涂膜拉伸强度和断裂伸长率下降，且吸水率也会随之增加。 综合考虑，保湿剂的质量分数选择2%为宜。

2.2.2 交联剂用量对涂膜外观和性能的影响

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本研究选用的交联剂是亲水改性的聚碳化二亚胺，其可以在PUD 中稳定存在且进行交联反应。 仅改变交联剂的用量，制备系列涂料后进行涂膜制样，观察涂膜外观，测试涂膜的吸水率及拉伸性能，具体结果见图3 和表4。

图3 交联剂用量对涂膜外观的影响

表4 交联剂用量对涂膜吸水率和拉伸性能的影响

由图3 可知，当交联剂质量分数≤2.5%时，随着交联剂用量增加，涂膜的应力收缩纹和开裂问题明显改善；而当交联剂质量分数≥2.5%时，随着其含量增加，涂膜的应力收缩纹和开裂问题无明显改善。 由表4 可知，随着交联剂用量增加，涂膜拉伸强度和断裂伸长率增大，吸水率也会随之下降。 综合考虑，交联剂质量分数选择2.5%。

2.2.3 偶联剂用量对涂膜外观和性能的影响

本研究选用的偶联剂是亲水改性的硅烷偶联剂，根据基础配方，保持其他组分比例不变，制备系列涂料后进行涂膜制样。 图4 为涂膜外观，表5 为偶联剂用量对涂膜吸水率和拉伸性能的影响。

图4 偶联剂用量对涂膜外观的影响

表5 偶联剂用量对涂膜吸水率和拉伸性能的影响

由图4 可知，当偶联剂质量分数≤0.1%时，随着偶联剂用量的增加，涂膜的应力收缩纹和开裂情况有明显改善；当偶联剂质量分数≥0.1%时，随着偶联剂用量的增加，涂膜的应力收缩纹和开裂问题并无明显改善。 由表5 可知，随着偶联剂用量的增加，涂膜拉伸强度和断裂伸长率出现小幅增加，且吸水率也会随之下降。 综合考虑，偶联剂质量分数选择0.1%。

2.2.4 三者协调作用对涂膜外观和性能的影响

图5 不同方案涂膜外观

表6 不同设计方案配方组成

表7 不同方案涂膜吸水率和拉伸性能的表现

由图5 可知，3 种功能助剂两两搭配使用时，方案2＃、3＃和4＃制备的涂膜应力收缩纹和开裂问题相对于基础配方(1＃)明显改善；在方案5＃中，3种功能助剂同时使用，应力收缩纹和开裂才彻底消失。 由表7 可知，方案1＃至5＃涂膜的拉伸强度和断裂伸长率都可以满足团标(T/CWA 207—2021)的性能要求，但方案1＃、2＃和3＃涂膜的吸水率＞10%，只有方案4＃和5＃涂膜的吸水率小于10%。 综合考虑，3 种功能助剂同时使用的方案5＃，可以制得外观无开裂且性能优异的单组分水性聚氨酯防水涂料。

2.3 涂膜的力学性能结果

根据最佳配方制备单组分水性聚氨酯防水涂料，按团标要求测试，性能结果见表8。

表8 抗开裂单组分水性聚氨酯防水涂料性能测试结果

由图5 和表8 可知，本研究的水性聚氨酯防水涂料涂膜表面无应力收缩纹和开裂，且性能满足水性聚氨酯团标要求。

2.4 示范应用工程展示

本实验将研究产品在夏季应用在屋面，以观察其在此类易开裂的环境中是否会出现涂膜开裂现象。 施工工艺:基层处理→细部附加防水层施工→大面涂膜防水层辊涂施工→收头、边缘密封→质检验收。 图6 为应用工程展示。

图6 示范工程展示

如图6 所示，该产品在高温低湿且有风的苛刻环境中应用，涂膜表面平整光滑，现场反馈无应力收缩纹和开裂现象。 最终制备的单组分水性聚氨酯防水涂料可以满足常规建筑防水工程要求。

3 结论

(1)当PUD 的质量分数为60%，在涂料配方中同时引入保湿剂、交联剂和偶联剂，可以在保证涂膜力学性能不下降且涂膜吸水率≤10%的同时，消除单组分水性聚氨酯防水涂料涂膜的开裂现象。

(2)最佳配方中，保湿剂、交联剂、偶联剂的质量分数分别为2%、2.5%和0.1%。

(3)最佳配方防水涂料经应用验证，可满足常规建筑防水工程要求。